CN109434288A - 超快激光锥孔打孔装置及打孔工艺 - Google Patents

超快激光锥孔打孔装置及打孔工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超快激光锥孔打孔装置以及打孔工艺，由偏转电机、主轴电机、夹具构成。作为激光加工平台的延伸部分，该工艺设备提高了激光加工的应用范围，可以用来加工不同锥度、不同尺寸的正反锥度孔。该方法的基本原理是在偏转工作台使激光与工件表面有合适的夹角之后，主轴带动工件旋转，在激光作用下加工出锥孔。在加工方法方面，采用试加工并测量加工的同心圆的半径并结合激光光斑距离，计算工件在激光控制平台下的坐标位置，经过位置补偿后进行加工。在切削速度的控制方面，激光采用高速自转达到切削速度的要求，降低了对主轴电机转速的要求。

Description

超快激光锥孔打孔装置及打孔工艺
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体地，涉及超快激光锥孔打孔装置及打孔工艺，尤其涉及超快激光加工0.2毫米到1毫米尺度大锥度孔的装置以及正负锥度的打孔工艺方法。
背景技术
在汽车行业中，燃油从汽车发动机中的喷油孔中喷出雾化进入燃烧室，经火花塞打火或活塞压燃，喷油嘴的喷口锥度对燃油雾化有明显影响，高度雾化的汽油燃烧效率高，节约燃油，喷油嘴的孔径为0.2～0.8mm，孔锥度为3～10度。在航空航天行业中，燃料经过燃烧后产生高温高压的燃气，燃气直接作用在航空发动机叶片表面，为了使叶片得到充分的降温，涡轮叶片上有气膜微孔，从气膜微孔中喷出的冷却气体在叶片表面形成气膜，阻隔高温高压的燃气，保护叶片。这种微孔的孔径为0.2～0.8mm，孔锥度为-20～20度。
随着机械行业的快速发展，设计者对孔的直径、锥度、加工质量、打孔材料等问题提出了更加苛刻的要求。目前，孔的加工方法主要包括电火花加工、电化学加工、插铣加工、激光加工等。电火花加工利用电极与工件之间放电产生的高温来去除材料，只能用来加工导电材料；电化学加工利用反应池内发生的电化学反应对材料进行加工，难以加工化学性质稳定的材料，通常用来加工金属；插铣加工又称Z向铣削法，利用插铣刀Z方向的直线或螺旋线进给运动和铣刀旋转主运动进行打孔，微孔加工时对主轴转速和刀具提出很大挑战；激光加工是借助激光使材料气化以达到去出材料目的的加工方法，加工过程力效应小，对材料的选择性很小。
超快激光是指单次脉冲时长小于10ps的激光，具有脉冲时间短，脉冲峰值大的特点。由于激光的电磁场远比原子库仑场强，足以使任何物质电离，超快激光对材料无选择性。而且，超快激光的加工过程中热效应和力效应都不明显，所以工件的热影响区小，微裂纹少，加工质量很高。对于大锥度微孔的加工，超快激光具有很大的优势和发展前景。
如专利文献CN107262943A公开的一种超快激光加工微细倒锥孔的装置及其方法，其激光传输模组包括沿光路传输方向依次布置的皮秒激光器、倍频模块、偏振器和扩束器，光学加工模组包括沿光路传输方向依次布置的旋切模块和出光嘴，扩束器的输出端衔接布置旋切模块；皮秒激光器输出激光，经倍频模块转换后输出基频光、二倍频光或三倍频光，倍频模块输出的激光光束通过偏振器将输出的波动形式呈直线分布线偏振的激光束转化为波动形式呈圆形或椭圆分布圆偏振的激光束，进而光束传导进入扩束器进行放大，获取更宽的平行光束，放大后的平行光束传输至旋切模块，旋切模块进行光束的偏折角度调整，控制加工孔孔径大小和锥度，最后经出光嘴导向输出。易于实现精细倒锥孔的加工。
上述方法中仍然存在着旋切模块与激光传输模组一体化设置，无法避免机械振动，从而使得激光位置不够稳定，存在着打孔精度上限不足、调整困难的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超快激光锥孔打孔装置及打孔工艺。
根据本发明提供的一种超快激光锥孔打孔装置，包括偏转电机、主轴电机以及夹具；所述夹具设置在主轴电机的输出轴上，所述主轴电机设置在偏转电机的输出轴上。
优选地，所述偏转电机为伺服电机，采用半闭环控制，能够以0.05°的精度控制偏转角度。
优选地，所述主轴电机由直流电压驱动，能够通过输入的直流电压将转速控制在1500-3000rpm。
优选地，所述夹具能够定位并夹紧待加工工件。并且，夹具不在激光焦平面内。
根据本发明提供的一种超快激光锥孔打孔工艺，利用上述述的超快激光锥孔打孔装置和超快激光源，包括：
加工角度确定步骤：根据待加工工件锥孔的目标锥度确定加工角度；
加工位置确定步骤：根据待加工工件锥孔的目标孔径和超快激光源的位置方向，确定待加工工件的加工位置；
装置调整步骤：通过调整超快激光锥孔打孔装置的位置坐标，使得安装在夹具上的待加工工件处于加工位置，通过调整偏转电机，使得安装在夹具上的待加工工件相对于超快激光的夹角等于加工角度；
锥孔打孔步骤：启动超快激光源和超快激光锥孔打孔装置，主轴电机带动待加工工件旋转，在超快激光的作用下加工出锥孔。
优选地，本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺还包括：
超快激光扫描步骤：改变超快激光轨迹，使得超快激光相对于工件的运动是半径为R的公转运动和半径为r的自转运动的合成；
优选地，切削过程中，激光振镜速度控制在175mm/s，激光与工件的相对速度范围为150-200mm/s；所述超快激光扫描步骤中，超快激光轨迹由一点改变为直径10微米的圆。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的超快激光锥孔打孔装置具有结构简单可靠、稳定性高的优点；
2、本发明提供的超快激光锥孔打孔装置与超快激光光源分离，机械振动隔离，从而增强了超快激光的稳定性，提升了加工精度；
3、本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺中，工作台的旋转角度就是微孔锥度的理论值，具有易于调整的优点；
4、本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺中，工作台绕定轴旋转形成旋切动作，具有锥孔出入口圆度高的优点；
5、本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺，通过改变超快激光的轨迹和扫描速度，有效降低了主轴电机的转速要求，极大地简化了主轴电机的控制难度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺中的加工辅助装置原理示意图；
图2为本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺中的正锥度孔、负锥度孔的加工位置示意图
图3为本发明提供的超快激光锥孔打孔装置的机械结构示意图；
图4为本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺中的的激光切削速度合成示意图；
图中示出：
偏转电机 1
主轴电机 2
夹具 3
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种超快激光锥孔打孔装置，包括偏转电机1、主轴电机2以及夹具3；所述夹具3设置在主轴电机2的输出轴上，所述主轴电机2设置在偏转电机1的输出轴上。所述偏转电机1为伺服电机，采用半闭环控制，能够以0.05°的精度控制偏转角度。所述主轴电机2由直流电压驱动，能够通过输入的直流电压将转速控制在1500-3000rpm。所述夹具3能够定位并夹紧待加工工件。并且，夹具3不在激光焦平面内，不会受超快激光破坏。
根据本发明提供的一种超快激光锥孔打孔工艺，利用上述述的超快激光锥孔打孔装置和超快激光源，包括：
加工角度确定步骤：根据待加工工件锥孔的目标锥度确定加工角度；
加工位置确定步骤：根据待加工工件锥孔的目标孔径和超快激光源的位置方向，确定待加工工件的加工位置；
装置调整步骤：通过调整超快激光锥孔打孔装置的位置坐标，使得安装在夹具3上的待加工工件处于加工位置，通过调整偏转电机1，使得安装在夹具3上的待加工工件相对于超快激光的夹角等于加工角度；
锥孔打孔步骤：启动超快激光源和超快激光锥孔打孔装置，主轴电机2带动待加工工件旋转，在超快激光的作用下加工出锥孔。
具体地，本发明提供的超快激光锥孔打孔工艺还包括：
超快激光扫描步骤：改变超快激光轨迹，使得超快激光相对于工件的运动是半径为R的公转运动和半径为r的自转运动的合成；
切削过程中，激光振镜速度控制在175mm/s，由于振镜的速度较高，起主要作用，激光与工件的相对速度可以稳定在150-200mm/s的最佳速度区间；所述超快激光扫描步骤中，超快激光轨迹由一点改变为直径10微米的圆。
进一步地，本发明提供的超快激光锥孔打孔装置安装在已有的激光光学平台上。主轴电机2安装在偏转电机1的输出轴上，可以通过控制偏转电机1的转动调整工件表面与激光光束之间的夹角。夹具3安装在主轴电机2的输出轴上，起到定位并夹紧工件的作用。在加工工艺方面，采用试加工并测量加工的同心圆的半径并结合激光光斑距离，计算工件在激光控制平台下的坐标位置，经过位置补偿后进行加工。在切削速度的控制方面，激光采用高速自转达到切削速度的要求，降低了对主轴电机转速的要求。
本发明的基本原理是在偏转工作台使激光与工件表面有合适的夹角之后，主轴电机2带动工件旋转，在激光作用下加工出锥孔(如图1所示)。激光与工件旋转轴的夹角就是锥孔的理论锥度；工件上表面上的激光与工件旋转中心之间的距离就是锥孔的理论入口孔径。以工件为参考系分析这种运动，激光绕工件上的旋转轴旋转，激光扫掠得到两个具有公共定点O的锥面。当O点在工件下表面以下时，只有上面的锥面I与工件有公共部分，此时旋切得到正锥孔；当O点在工件上表面以上时，只有上面的锥面II与工件有公共部分，此时旋切得到负锥孔；当O点在工件上下表面之间时，锥面I、锥面II与工件都有公共部分，此时位于过渡阶段。(如图2所示)这种加工原理具有如下优势：激光部分无旋转运动部件，无机械振动，激光位置稳定；工作台的旋转角度就是微孔锥度的理论值，容易调整；工作台绕定轴旋转形成旋切动作，孔出入口圆度高。
为了实现如上所述的工作原理，需要在已有的三维线性移动平台上加装一个辅助装置，该装置需要完成精准地偏转工件并使工件绕孔中心旋转的加工动作。因两个动作需要被分别控制，使用两个电机来完成加工动作(如图3所示)。偏转电机1为伺服电机，安装在三维线性移动平台上，可以精确地控制工件的偏转角度。主轴电机2为普通直流电机，通过电机座安装在偏转电机1的输出轴上，可以使工件绕定轴旋转。夹具3安装在主轴电机2的输出轴上，可以定位并夹紧工件。其中，偏转电机1为半闭环控制，角度控制精度为0.05°；主轴电机2由电压可控的直流电源供电，转速可被粗略地控制在1500-3000rpm。
在原有系统中，三维线性移动平台相对于激光头的位置是确定的，并在激光控制系统中以坐标形式体现，可以通过输入坐标使平台相对于激光头有一个特定并且已知的位置关系。在平台上装载辅助装置后，测量出工件相对于三维线性移动平台的位置，并完成对刀工作。
更进一步地，在切削速度方面，根据历史经验，激光打孔的最佳切削速度为150～200mm/s。当加工上表面孔径较小的孔时，直接用电机产生切削速度对主轴电机的转速要求较高，并且，操作性更差的一点是，主轴电机转速与加工孔径有关，当加工不同孔径的微孔时，需要不断调整主轴转速，操作复杂。而激光头中的振镜精度高、响应速度快，能使激光扫描速度达到要求(>200mm/s)。可以改变激光出光轨迹，从打点改成画直径10微米的圆，并设定扫描速度为175mm/s。此时，激光相对于工件的运动是半径为R的公转运动和半径为r的自转运动的合成。v1为公转速度，v2为自转速度。并且v1＜＜v2，所以切削速度为v＝v1+v2≈v2
切削速度主要受高速自转运动影响，受待加工直径R影响不大，即只要选定合适的扫描速度，当加工不同孔径的微孔时，不需要调整主轴转速。这样极大地简化了主轴电机的控制。
具体的加工参数如下：
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种超快激光锥孔打孔装置，其特征在于，包括偏转电机(1)、主轴电机(2)以及夹具(3)；所述夹具(3)设置在主轴电机(2)的输出轴上，所述主轴电机(2)设置在偏转电机(1)的输出轴上。
2.根据权利要求1所述的超快激光锥孔打孔装置，其特征在于，所述偏转电机(1)为伺服电机，采用半闭环控制，能够以0.05°的精度控制偏转角度。
3.根据权利要求1所述的超快激光锥孔打孔装置，其特征在于，所述主轴电机(2)由直流电压驱动，能够通过输入的直流电压将转速控制在1500-3000rpm。
4.根据权利要求1所述的超快激光锥孔打孔装置，其特征在于，所述夹具(3)能够定位并夹紧待加工工件。并且，夹具(3)不在激光焦平面内。
5.一种超快激光锥孔打孔工艺，其特征在于，利用权利要求1至4中任一项所述的超快激光锥孔打孔装置和超快激光源，包括：
加工角度确定步骤：根据待加工工件锥孔的目标锥度确定加工角度；
加工位置确定步骤：根据待加工工件锥孔的目标孔径和超快激光源的位置方向，确定待加工工件的加工位置；
装置调整步骤：通过调整超快激光锥孔打孔装置的位置坐标，使得安装在夹具(3)上的待加工工件处于加工位置，通过调整偏转电机(1)，使得安装在夹具(3)上的待加工工件相对于超快激光的夹角等于加工角度；
锥孔打孔步骤：启动超快激光源和超快激光锥孔打孔装置，主轴电机(2)带动待加工工件旋转，在超快激光的作用下加工出锥孔。
6.根据权利要求5所述的超快激光锥孔打孔工艺，其特征在于，还包括：
超快激光扫描步骤：改变超快激光轨迹，使得超快激光相对于工件的运动是半径为R的公转运动和半径为r的自转运动的合成。
7.根据权利要求6所述的超快激光锥孔打孔工艺，其特征在于，切削过程中，激光振镜速度控制在175mm/s，激光与工件的相对速度范围为150-200mm/s；所述超快激光扫描步骤中，超快激光轨迹由一点改变为直径10微米的圆。
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