CN109202307A - 一种激光制孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光制孔装置。所述装置可伸入加工件上狭小流道加工孔，所述装置包括聚焦镜、前导光管、后导光管和反射镜，所述前导光管和所述后导光管活动连接且可调，所述前导光管的外壁上设有辅助气通入接头，所述聚焦镜设在所述前导光管的入口处，所述反射镜倾斜设在所述后导光管的出口处，使所述激光束经所述聚焦镜聚焦后再经所述反射镜偏折反射，之后聚焦在所述加工孔的待加工部位。本发明的装置集合了激光束的聚焦功能、偏折功能、调节功能以及辅助吹气的功能，能够适用于加工件上狭小通道内干涉小孔的加工，实现了高效率、高质量地加工干涉小孔。

Description

一种激光制孔装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种激光制孔装置。

背景技术

由于激光具有高亮度、高方向性等特性，激光加工技术应用于众多工业加工工艺中，随着激光技术飞速发展,激光制孔技术在发动机叶片气膜冷却孔加工中得到了广泛应用。

现有技术中，如果在待加工孔轴线方向上呈圆锥形的聚焦激光束被遮挡，或者辅助吹气喷嘴与零件接触产生碰撞干涉，均会导致小孔无法正常加工。例如在航空制造技术领域中，双联导向叶片中的部分孔被零件遮挡，传统的电加工和激光加工方式均无法实现。理论上，此类干涉孔加工需要对电极或激光束进行折弯处理，折弯电极由于本身制作精度不易保证以及加工过程电极导向、进给控制难度大等问题，导致孔定位精度及加工精度不易保证，并且，电加工法无法对具有非导电热障涂层的叶片进行有效制孔；此外，由于现有激光加工头的局限性，激光加工类似双联导向叶片干涉孔的技术尚属空白。

因此，需要提供一种能够有效针对类似于双联导向叶片上流道空间狭小的干涉孔的激光制孔装置。

发明内容

本发明实施例提供了一种激光制孔装置，该装置能够使激光束先通过聚焦镜聚焦后再通过倾斜设置的反射镜偏折反射，从而使激光束偏折聚焦在待加工部位，实现了在狭小流道空间内进行高效、高质量地制孔。

本发明的实施例提出了一种激光制孔装置，该装置用于伸入加工件上狭小流道加工孔，装置包括聚焦镜、前导光管、后导光管和反射镜，前导光管和后导光管可调连接，聚焦镜设在前导光管的入口端，前导光管上设有辅助气通入接头，反射镜倾斜设在后导光管的出口端，使激光束经聚焦镜聚焦后再经反射镜偏折反射，之后聚焦在加工孔的待加工部位。

在第一种可能的实现方式中，后导光管的出口端的侧壁上设有出口孔，出口孔的倾斜角度和反射镜的倾斜角度均与加工孔的角度相关，使偏折反射后的激光束沿出口孔射出聚焦在加工孔的待加工部位。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，辅助气通入接头上设有用于通入辅助气的气流通道，气流通道与前导光管、后导光管和出口孔贯通。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，后导光管的直径小于前导光管的直径，且前导光管的最大直径部位的尺寸小于加工件上狭小流道的宽度，前导光管和后导光管连接的总长不小于加工件上狭小流道的长度。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，后导光管的连接端部紧密套接入前导光管的连接端部。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，后导光管在套接处相对于前导光管可在轴向和周向方向上调节。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，在后导光管与前导光管的套接处设有锁紧环，锁紧环用于紧固并密封所述套接处。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，前导光管的套接处有径向收缩结构，锁紧环紧密套接在收缩结构上。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，聚焦镜通过聚焦镜座安装在前导光管的入口端。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，反射镜通过反射镜座倾斜安装在后导光管的出口端，使激光束经反射镜偏折反射后沿出口孔的轴向射出。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，激光束由超快激光器发射输出。

结合上述可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，激光束为皮秒激光或者飞秒激光。

结合上述可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，反射镜为平面全反射镜或者反射聚焦镜。

综上，本发明实施例的一种激光制孔装置，该装置可伸入狭小通道加 工干涉小孔，该装置上通过沿光路传导路线先后设置了聚焦镜和倾斜的反射镜，激光束经过聚焦镜聚焦后再经过倾斜的反射镜偏折反射后的焦点最终打在加工孔的待加工部位，实现了干涉小孔的激光加工技术，并且通过前导光管和后导光管之间的可调节连接方式来调节激光束的射出方向和焦点位置，从而适应了不同位置的小孔加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种激光制孔装置在某双联导向叶片上加工干涉孔的三维示意图。

图2是本发明实施例的一种激光制孔装置的结构示意图。

图中：

1-激光束；2-聚焦镜座；3-聚焦镜；4-辅助气通入接头；5-前导光管；6-锁紧环；7-后导光管；8-反射镜座；9-反射镜；10-出口孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“前端”、“后端”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明实施例的一种激光制孔装置在某双联导向叶片上加工干涉孔的三维示意图。

如图1所示，某发动机双联导向叶片的左边叶背和右边叶盆部分的孔被零件遮挡，传统电加工和激光加工方式均无法实现。因此本发明提供了一种激光制孔装置，该装置可伸入加工件上狭小流道中加工孔，尤其适用于类似于图1所示的双联导向叶片的干涉孔的加工。

图2是本发明实施例的一种激光制孔装置的结构示意图。

结合图1和图2所示，本发明的激光制孔装置包括聚焦镜3、前导光管5、后导光管7和反射镜9，其中，前导光管5和后导光管7可调连接，聚焦镜3设在前导光管5的入口端，前导光管5的外壁上设有辅助气通入接头4，反射镜9倾斜设在后导光管7的出口端，使激光束1经由聚焦镜3聚焦后再经反射镜9偏折反射，之后聚焦在加工孔的待加工部位。

由此，使用本发明实施例的激光制孔装置加工孔时，根据加工件之间的间隙设计合理尺寸的整体结构，一般地，装置的最大直径应小于狭小通道的宽度，且长度不小于通道的最大长度，以保证装置能伸入加工件之间的狭小通道进行激光制孔加工，避免了装置与加工零件碰撞干涉。由于在装置的入口端设置了聚焦镜3，然后在出口端倾斜设置了预设角度的反射镜9，该预设角度与拟加工干涉孔的角度密切关联，当激光束1经由聚焦镜3聚焦后射向倾斜的反射镜9，经由反射镜9折弯反射后射在加工孔的待加工部位。因此，激光束1先聚焦后再偏折反射打在加工件上，实现了对于狭小通道内干涉孔的精准加工，并且通过前导光管5和后导光管7之间连接部位的调节，实现了一定范围内不同焦点位置及沿导光管轴向和周向角度的调节，以适应不同位置干涉孔的加工。

需要说明的是，本发明的激光束1是采用超快激光器发射输出的皮秒激光或者是飞秒激光，由于聚焦后的超快激光具备独特的超短脉冲、超强特性、能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强，加工相同大小的小孔时，相比于一般的激光，超快激光具有脉冲能量小、聚焦前的光斑尺寸较小的特点，更适合小尺寸规格的装置以便伸入狭小的通道内，由于聚焦后能力密度极小，不易导致聚焦镜和光学镀膜的反射镜的损伤，还能在带热障涂层的零件上制孔，利用本发明的装置简化了制孔工艺，能够高效、高质量的加工干涉小孔。

如图2所示，后导光管7的出口处端部的侧壁上设有出口孔10，出口孔10的倾斜角度和反射镜9的倾斜角度均与加工孔的角度相关，具体设计时，需使偏折反射后的激光束1沿出口孔10轴向射出聚焦在加工孔的待加工部位。具体地，出口孔10的轴线与后导光管7的轴线夹角取决于反射镜9的预设倾斜角度，而反射镜9的预设倾斜角度取决于加工孔的角度。辅助气通入接头4上设有用于通入辅助气的气流通道，当辅助气通入前导光管5上的辅助气通入接头4后，辅助气流经辅助气通入接头4、前导光管5、后导光管7相贯通的气流通道后，从后导光管7上的出口孔10吹出，反射镜9、出口孔10及后导光管7一体化的结构，将激光聚焦后反射偏折与辅助气体吹出装置一体化集成设计，同时兼具了激光束的聚焦偏折功能和辅助吹气功能，减小了装置整体外形尺寸。聚焦偏折后的激光束1和辅助吹气的气流同轴，保证了吹气方向与加工方向一致，这样在加工过程中形成的熔化物可在辅助气流的压力及流速作用下从形成的切缝通道中被去除，从而避免熔化物围绕孔壁和在孔口再次凝固形成再铸层、毛刺等，提高了干涉孔的加工质量。

本发明的聚焦镜3通过聚焦镜座安装在前导光管5的入口处内壁上，反射镜9通过反射镜座倾斜安装在后导光管7的端部出口端的外壁上，使激光束1经由反射镜9偏折反射后沿出口孔10的轴向射出。

需要说明的是，本发明装置的反射镜9为平面全反射镜或者反射聚焦镜，当加工件上的狭小通道的长度在一定范围内时可选用平面全反射镜作为本发明的反射镜9，而当狭小通道的长度超过该范围时，长焦距透镜会导致聚焦光斑较大，且能量密度不足，此时可选用反射聚焦镜以便能进一步压缩聚焦光斑，从而获得足够的能量密度加工小孔。

优选地，后导光管7的直径小于前导光管5的直径，且前导光管5的最大直径部位的尺寸小于加工件上狭小流道的宽度，前导光管5和后导光管7连接的总长不小于加工件上狭小流道的长度，这种尺寸规格的结构能够保障装置伸入狭小流道内加工干涉孔。参照图1所示，例如，该双联导向叶片之间通道最小间距W值约10mm，通道长度L值约70mm，也就是前导光管5的直径要小于10mm，并且前导光管5和后导光管7连接的总长不小于70mm。经论证，如果当通道长度L值大于200mm时，可选用反射聚焦镜作为反射镜9，能使激光束1经聚焦后再次经偏折反射聚焦，二次聚焦能获得最佳的能量密度进行制孔。

后导光管7的连接端部紧密套接入前导光管5的连接端部，后导光管7在套接处相对于前导光管5可在轴向和周向方向上调节，后导光管与7前导光管5的套接部位设有锁紧环6，该锁紧环6用于紧固并密封所套接部位，防止激光束1和吹入的辅助气侧漏而影响孔的加工质量。前导光管5的套接处有径向收缩结构，锁紧环6紧密套接在该收缩结构上，该径向收缩结构可以是在表面沿母线设有间隙的结构，优选地，锁紧环6设有内螺纹，前导光管5上设有相匹配的外螺纹，后导光管7在轴向及周向与前导光管5相对位置调整好后，通过锁紧环6可以将两个导光管紧固并密封，避免松动及漏气。

需要说明的是，轴向调节用于使激光束1射出的焦点正好位于加工孔的相应位置，周向调节用于满足该装置既可以加工叶片叶背位置的孔，也可以加工叶盆位置的孔。根据实践需求，前导光管5和后导光管7之间还可以通过螺纹副的连接方式实现可调连接，均在本发明所述的在连接处的轴向和周向方向可调的技术原理。

综上所述，本发明的一种激光制孔装置，通过在装置的前端安装聚焦镜3和在后端倾斜安装反射镜9，实现了激光束1的聚焦偏折，经聚焦偏折后的激光束1焦点作用于加工孔的待加工部位。前导光管5和后导光管7活动连接的可调方式还能根据加工孔的位置进行相应轴向和周向调节，通过更换或调节具有相应倾角的反射镜9，能对不同倾斜角度的干涉孔加工。此外，反射镜9、出口孔10及后导光管7一体化设计，减小了装置的整体尺寸，便于伸入狭小通道。因此，本发明的装置集合了激光束的聚焦功能、偏折功能、调节功能以及辅助吹气的功能，能够适用于加工件上狭小通道内干涉小孔的加工，实现了高效率、高质量地加工干涉小孔。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (13)

1.一种激光制孔装置，其特征在于，所述装置用于伸入加工件上狭小流道加工孔，所述装置包括聚焦镜、前导光管、后导光管和反射镜，所述前导光管和所述后导光管可调连接，所述聚焦镜设在所述前导光管的入口端，所述前导光管上设有辅助气通入接头，所述反射镜倾斜设在所述后导光管的出口端，使所述激光束经所述聚焦镜聚焦后再经所述反射镜偏折反射，之后聚焦在所述加工孔的待加工部位。

2.根据权利要求1所述的激光制孔装置，其特征在于，所述后导光管的出口端的侧壁上设有出口孔，所述出口孔的倾斜角度和所述反射镜的倾斜角度均与所述加工孔的角度相关，使所述偏折反射后的激光束沿所述出口孔射出聚焦在所述加工孔的待加工部位。

3.根据权利要求2所述的激光制孔装置，其特征在于，所述辅助气通入接头上设有用于通入辅助气的气流通道，所述气流通道与所述前导光管、所述后导光管和所述出口孔贯通。

4.根据权利要求2所述的激光制孔装置，其特征在于，所述后导光管的直径小于所述前导光管的直径，且所述前导光管的最大直径部位的尺寸小于所述加工件上狭小流道的宽度，所述前导光管和所述后导光管连接的总长不小于所述加工件上狭小流道的长度。

5.根据权利要求4所述的激光制孔装置，其特征在于，所述后导光管的连接端部紧密套接入所述前导光管的连接端部。

6.根据权利要求5所述的激光制孔装置，其特征在于，所述后导光管在套接处相对于所述前导光管可在轴向和周向方向上调节。

7.根据权利要求6所述的激光制孔装置，其特征在于，在所述后导光管与所述前导光管的套接处设有锁紧环，所述锁紧环用于紧固并密封所述套接处。

8.根据权利要求7所述的激光制孔装置，其特征在于，所述前导光管的套接处有径向收缩结构，所述锁紧环紧密套接在所述收缩结构上。

9.根据权利要求2所述的激光制孔装置，其特征在于，所述聚焦镜通过聚焦镜座安装在所述前导光管的入口端。

10.根据权利要求2所述的激光制孔装置，其特征在于，所述反射镜通过反射镜座倾斜安装在所述后导光管的出口端，使所述激光束经所述反射镜偏折反射后沿所述出口孔的轴向射出。

11.根据权利要求1-10任一项所述的激光制孔装置，其特征在于，所述激光束由超快激光器发射输出。

12.根据权利要求11所述的激光制孔装置，其特征在于，所述激光束为皮秒激光或者飞秒激光。

13.根据权利要求11所述的激光制孔装置，其特征在于，所述反射镜为平面全反射镜或者反射聚焦镜。