CN109648189B - 一种激光电火花复合加工装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光电火花复合加工装置及其工作方法，其中此种激光电火花复合加工装置包括：激光加工系统；激光加工系统适于在工件表面加工；电火花加工系统；电火花加工系统适于在工件表面加工，电火花加工系统固定在第一Z向移动副上；加工位；加工位固定在双轴移动副上用于承载工件；加工位适于沿X轴、Y轴滑动以使激光加工系统、电火花加工系统加工工件表面；加工液系统；加工液系统适于注入加工位激光加工液或电火花加工液并将位于加工位处的废液排出。本发明实现加工液的加入以及废液的排出，实现激光以及电火花的复合加工，效率高，效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工装置，具体涉及一种激光电火花复合加工装置及其工作方法。
背景技术
特种加工是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量,或使其复合,以实现材料切除的加工方法。20世纪40年代发明的电火花加工开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法，50年代以后出现激光加工。这些加工方法不用成型的工具，而是利用密度很高的能量束流进行加工。对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力，在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。其中，激光加工和电火花加工都具有各自的优缺点。电火花加工是靠火花放电产生的局部、瞬时高温把材料蚀除下来的。由于它是一种利用电热进行加工的方法, 摆脱了机械加工中工具材料必须比工件材料硬的约束, 能以较软的工具加工较硬的工件,而且加工过程中切削力很小, 对电极的强度和刚度要求很低, 所以非常适合小孔加工。从理论上讲, 该方法可以在任何硬度的导电材料上加工非常小的孔。但是由于加工小孔时工具电极截面积小, 可用的加工规准小, 爆炸力弱, 使得电蚀产物在孔底难以排出。激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的，激光加工技术具有材料浪费少、在规模化生产中成本效应明显、对加工对象具有很强的适应性等优势特点，但与电火花、超声、电解加工相比, 激光设备价格较贵, 加工出的小孔粗糙度大, 圆度也不好, 易形成喇叭口, 孔的精度一般比较低。受输出功率及聚焦的影响, 一般只适宜在薄板上加工小孔。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光-电火花复合加工装置；
本发明提供了一种激光电火花复合加工装置，包括：
激光加工系统；所述激光加工系统适于在工件表面加工；
电火花加工系统；所述电火花加工系统适于在工件表面加工，所述电火花加工系统固定在第一Z向移动副上；
加工位；所述加工位固定在双轴移动副上用于承载工件；所述加工位适于沿X轴、Y轴滑动以使所述激光加工系统、所述电火花加工系统加工工件表面；
加工液系统；所述加工液系统适于注入所述加工位激光加工液或电火花加工液并将位于所述加工位处的废液排出。
作为优选，所述激光加工系统包括激光器、旋切头和第二Z向移动副；
所述激光器的端部固定所述旋切头，所述激光器固定在所述第二Z向移动副，其中
所述旋切头适用于带动所述激光器内的激光旋转定位打孔；
所述第二Z向移动副适用于带动所述激光器上下滑动。
作为优选，所述旋切头包括管柱，从上至下依次设置在所述管柱内的第一聚焦透镜、偏转棱镜和第二聚焦透镜和镜驱动部；以及
所述偏转棱镜的横截面呈楔形；其中
所述镜驱动部适用于驱动所述偏转棱镜旋转以调节激光在工件上的照射位置。
作为优选，所述镜驱动部包括旋转电机、与所述旋转电机的输出轴同轴固定的蜗杆，套定在所述偏转棱镜的外圈的蜗轮，以及
所述蜗轮与所述蜗杆啮合。
作为优选，所述加工液系统包括电火花加工液罐、激光加工液罐、废液回收罐和液驱动部；其中
所述液驱动部适于将所述电火花加工液罐内的加工液、所述激光加工液罐内的加工液分别注入所述加工位至浸没工件加工面；
所述液驱动部适于将所述加工位处的加工液排至所述废液回收罐内。
作为优选，所述液驱动部包括输入管和与输入管连通的第一抽吸泵、输出管和与输出管连通的第二抽吸泵、与所述第一抽吸泵、所述第二抽吸泵、所述废液回收罐连通的液控双向阀，以及
位于回转底座上的所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐，其中
当所述回转底座将所述电火花加工液罐旋转至流通位时，所述电火花加工液罐与所述液控双向阀流通；
当所述回转底座将所述激光加工液罐旋转至流通位时，所述激光加工液罐与所述液控双向阀流通。
作为优选，所述液驱动部包括输入管和与输入管连通的第一抽吸泵、输出管和与输出管连通的第二抽吸泵、与所述第一抽吸泵、所述第二抽吸泵、所述废液回收罐、所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐连通的液控双向阀；其中
所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐与所述液控双向阀的同一入口连通，以及
所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐分别由一个第三抽吸泵驱动。
作为优选，所述电火花加工系统上固定第一光敏传感器；
所述激光器上固定第二光敏传感器；
其中，当所述电火花加工系统和所述激光器的高度差为核定阈值时，所述第二光敏传感器适用于接收所述第一光敏传感器的光信号。
本发明的有益效果是，本发明的激光电火花复合加工装置，通过激光加工系统与电火花加工系统，分别实现工件的加工，而通过加工位的设置，实现工件的承载的同时，加工位能够随着X轴以及Y轴滑动从而实现工件表面的不同位置的定点的加工，而通过加工液系统的设置，实现对于加工位处的激光加工液或电火花加工液的注入以及加工位处的废液排出。
一种激光电火花复合加工装置的工作方法，其特征在于：
S1、加工液系统将激光加工液或者电火花加工液注入加工位；
S2、加工位处的工件被激光加工系统或者电火花加工系统加工；
S3、加工液系统将位于加工位处的废液排出。
作为优选，在激光加工时，所述激光加工系统以调节激光光束的照射方向以加工工件。
本发明的有益效果是，本发明的激光电火花复合加工装置的工作方法，效率高，效果好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的一种激光电火花复合加工装置的优选实施例的立体图。
图2是本发明的激光束在旋切头内的示意图。
图3是本发明的镜驱动部的优选实施例的结构示意图。
图4是本发明的加工液系统的第一种形式的结构示意图。
图5是本发明的加工液系统的第二种形式的结构示意图。
图中：
激光加工系统1，激光器11；
旋切头12，管柱121，第一聚焦透镜122，偏转棱镜123，第二聚焦透镜124，旋转电机125，蜗杆126，蜗轮127；
第二Z向移动副13；
电火花加工系统2，加工位3；
加工液系统4；
电火花加工液罐41，第一Z向移动副411；
激光加工液罐42，废液回收罐43；
液驱动部44，输入管441，第一抽吸泵442，输出管443，第二抽吸泵444，液控双向阀445；
回转底座45，第三抽吸泵46；
工件5，第一光敏传感器6，第二光敏传感器7。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例一：
如图1~4所示，本发明的一种激光电火花复合加工装置，包括：
激光加工系统1；所述激光加工系统1适于在工件5表面加工；
电火花加工系统2；所述电火花加工系统2适于在工件5表面加工，所述电火花加工系统2固定在第一Z向移动副411上；
加工位3；所述加工位3固定在双轴移动副上用于承载工件5；所述加工位3适于沿X轴、Y轴滑动以使所述激光加工系统1、所述电火花加工系统2加工工件5表面；也即加工位3是固定在Y轴移动副的滑块上，而Y轴移动副则固定在X轴移动副的滑块上，或者加工位3固定在X轴移动副的滑块上，而X轴移动副则固定在Y轴移动副的滑块上。
加工液系统4；所述加工液系统4适于注入所述加工位3激光加工液或电火花加工液并将位于所述加工位3处的废液排出。
本发明的激光电火花复合加工装置，通过激光加工系统1与电火花加工系统2，分别实现工件5的加工，而通过加工位3的设置，实现工件5的承载的同时，加工位3能够随着X轴以及Y轴滑动从而实现工件5表面的不同位置的定点的加工，而通过加工液系统4的设置，实现对于加工位3处的激光加工液或电火花加工液的注入以及加工位3处的废液排出。
在本实施例中，所述激光加工系统1包括激光器11、旋切头12和第二Z向移动副13；其中的激光器11属于半导体Nd:YAG激光器11，是一种可激发脉冲激光或者连续式激光。而在该激光器11上还设置有一个光纤接口，用来外接光纤而设置。
所述激光器11的端部固定所述旋切头12，所述激光器11固定在所述第二Z向移动副13，其中
所述旋切头12适用于带动所述激光器11内的激光旋转定位打孔；
所述第二Z向移动副13适用于带动所述激光器11上下滑动。
在本实施例中，所述旋切头12包括管柱121，从上至下依次设置在所述管柱121内的第一聚焦透镜122、偏转棱镜123和第二聚焦透镜124和镜驱动部；以及
所述偏转棱镜123的横截面呈楔形；其中
所述镜驱动部适用于驱动所述偏转棱镜123旋转以调节激光在工件5上的照射位置。
需要指出的是，偏转棱镜123的个数并不一定为一个，可以根据具体需求设置一块、两块或者三块，而本实施例中的偏转棱镜123的个数为三块，其中两块偏转棱镜123的横截面与竖直面所夹形成两个锐角，一个锐角为83°，一个锐角为86°。
还有一块偏转棱镜123的横截面与竖直面所夹形成两个锐角，一个锐角为78°，一个锐角为80°。
其中，这三块偏转棱镜123依次排列设置，并且分别匹配有一个镜驱动部，三者都可以通过一个独立的镜驱动部实现偏转棱镜123的自转效果，从而实现调节的效果。
其中，镜驱动部的具体结构如下：
所述镜驱动部包括旋转电机125、与所述旋转电机125的输出轴同轴固定的蜗杆126，套定在所述偏转棱镜123的外圈的蜗轮127，以及
所述蜗轮127与所述蜗杆126啮合。
此处为了固定蜗轮127，在管柱121的内壁上设置有上下凸环，在上下凸环之间卡设蜗轮127；并且在上下凸环之间的管柱121侧壁上开设有敞口，而蜗轮127的齿部则伸出敞口并且与蜗杆126啮合。
当旋转电机125的输出轴旋转的时候，蜗杆126同步与输出轴一起旋转，此时，因为蜗轮127与蜗杆126啮合，那么蜗轮127与蜗杆126一起同步旋转。从而实现偏转棱镜123的旋转。
在本实施例中，电火花加工系统2包括电火花发生器和工具电极，而工具电极的材料采用的是铜钨合金。由电火花发生器提供电源给工具电极。
其中，在如上所提出的第一Z向移动副411、第二Z向移动副13、X轴移动副和Y轴移动副都为现有技术中的直线移动副，该直线移动副上为滑块滑轨结构。
在本实施例中，所述加工液系统4包括电火花加工液罐41、激光加工液罐42、废液回收罐43和液驱动部44；其中
所述液驱动部44适于将所述电火花加工液罐41内的加工液、所述激光加工液罐42内的加工液分别注入所述加工位3至浸没工件5加工面；
所述液驱动部44适于将所述加工位3处的加工液排至所述废液回收罐43内。
所述液驱动部44包括输入管441和与输入管441连通的第一抽吸泵442、输出管443和与输出管443连通的第二抽吸泵444、与所述第一抽吸泵442、所述第二抽吸泵444、所述废液回收罐43连通的液控双向阀445，以及
位于回转底座45上的所述电火花加工液罐41和所述激光加工液罐42，其中
当所述回转底座45将所述电火花加工液罐41旋转至流通位时，所述电火花加工液罐41与所述液控双向阀445流通；
当所述回转底座45将所述激光加工液罐42旋转至流通位时，所述激光加工液罐42与所述液控双向阀445流通。回转底座45包括上部的一个回转盘以及底部的一个回转电机，然后由回转电机驱动回转盘旋转，从而带动位于回转盘上的电火花加工液罐41和激光加工液罐42旋转。
液控双向阀445包括一个液压口、一个注油口、一个排油口和一个回油口，其中，电火花加工液罐41和激光加工液罐42能够分别与液压口相互连通，而注油口则是与第一抽吸泵442连通且连接，通过第一抽吸泵442实现抽吸的效果，而排油口则是与第二抽吸泵444连通且连接，而回油口则是与废液回收罐43连通且连接。
当激光加工液罐42位于流通位处时，第一抽吸泵442抽吸，将激光加工液罐42内的液体依次抽吸经过液压口、注油口、输入管441和加工位3；
当需要更换加工形式时，第二抽吸泵444工作，将位于加工位3处的激光加工液依次抽吸经过输出管443、回油口、排油口和废液回收罐43。
其中，如图5所示，液驱动部44还具有第二种形式：所述液驱动部44包括输入管441和与输入管441连通的第一抽吸泵442、输出管443和与输出管443连通的第二抽吸泵444、与所述第一抽吸泵442、所述第二抽吸泵444、所述废液回收罐43、所述电火花加工液罐41和所述激光加工液罐42连通的液控双向阀445；其中
所述电火花加工液罐41和所述激光加工液罐42与所述液控双向阀445的同一入口连通，以及
所述电火花加工液罐41和所述激光加工液罐42分别由一个第三抽吸泵46驱动。
在本实施例中，所述电火花加工系统2上固定第一光敏传感器6；
所述激光器11上固定第二光敏传感器7；
其中，当所述电火花加工系统2和所述激光器11的高度差为核定阈值时，所述第二光敏传感器7适用于接收所述第一光敏传感器6的光信号。
并且，使电火花加工系统2的底面和激光器11的底面之间形成高度差，而该高度差保持在38cm，误差范围在±0.1cm之内。这样，便能够实现快速的定位，避免了对不同工件5加工时的设置定位的误差。
激光电火花复合加工装置，整套装置的额定功率约为26.5kW，其中：电气控制柜功率约为3500W，电气控制柜用于控制第一Z向移动副411内的驱动电机、第二Z向移动副13内的驱动电机，X轴移动副内的驱动电机、Y轴移动副内的驱动电机以及电火花加工的电流、电压，激光加工的功率、频率和电流等；电火花加工系统2约为5000W，激光器11功率约为20W,激光加工系统1约为2000W。
此种激光电火花复合加工装置，具有如下有益效果：
（1）能够实现高精密微细小孔以及锥形孔的加工（孔径≤Φ0.2mm，孔径精度≤±0.002mm，孔的表面粗糙度≤0.3um）；
（2）能够实现高精度打孔定位且无需二次定位；
（3）工具电极的材料为具有良好的导热性和导电性的铜钨合金，能够使被加工工件5获得较好的加工质量。
实施例二：
一种激光电火花复合加工装置的工作方法，
S1、加工液系统4将激光加工液或者电火花加工液注入加工位3；
S2、加工位3处的工件5被激光加工系统1或者电火花加工系统2加工；
S3、加工液系统4将位于加工位3处的废液排出。
在激光加工时，所述激光加工系统1以调节激光光束的照射方向以加工工件5。
本发明的激光电火花复合加工装置的工作方法，效率高，效果好。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种激光电火花复合加工装置，其特征在于，包括：
激光加工系统；所述激光加工系统适于在工件表面加工；
电火花加工系统；所述电火花加工系统适于在工件表面加工，所述电火花加工系统固定在第一Z向移动副上；
加工位；所述加工位固定在双轴移动副上用于承载工件；所述加工位适于沿X轴、Y轴滑动以使所述激光加工系统、所述电火花加工系统加工工件表面；
加工液系统；所述加工液系统适于注入所述加工位激光加工液或电火花加工液并将位于所述加工位处的废液排出；
所述激光加工系统包括激光器、旋切头和第二Z向移动副；
所述激光器的端部固定所述旋切头，所述激光器固定在所述第二Z向移动副，其中
所述旋切头适用于带动所述激光器内的激光旋转定位打孔；
所述第二Z向移动副适用于带动所述激光器上下滑动；
所述电火花加工系统上固定第一光敏传感器；
所述激光器上固定第二光敏传感器；
其中，当所述电火花加工系统和所述激光器的高度差为核定阈值时，所述第二光敏传感器适用于接收所述第一光敏传感器的光信号；
所述加工液系统包括电火花加工液罐、激光加工液罐、废液回收罐和液驱动部；其中
所述液驱动部适于将所述电火花加工液罐内的加工液、所述激光加工液罐内的加工液分别注入所述加工位至浸没工件加工面；
所述液驱动部适于将所述加工位处的加工液排至所述废液回收罐内；
所述旋切头包括管柱，从上至下依次设置在所述管柱内的第一聚焦透镜、三个偏转棱镜和第二聚焦透镜和镜驱动部；以及
所述偏转棱镜的横截面呈楔形；一所述偏转棱镜与竖直面所夹形成一个锐角为83°，另一所述偏转棱镜与竖直面所夹形成一个锐角为86°，还有一所述偏转棱镜与竖直面所夹形成两个锐角，一个锐角为78°，一个锐角为80°，其中
所述镜驱动部适用于驱动所述偏转棱镜旋转以调节激光在工件上的照射位置；
所述电火花加工系统的底面和所述激光器的底面之间形成高度差，而该高度差为38cm；
所述激光器属于半导体Nd:YAG激光器，并且在该激光器上还设置有一个光纤接口。
2.如权利要求1所述的激光电火花复合加工装置，其特征在于，
所述镜驱动部包括旋转电机、与所述旋转电机的输出轴同轴固定的蜗杆，套定在所述偏转棱镜的外圈的蜗轮，以及
所述蜗轮与所述蜗杆啮合。
3.如权利要求1所述的激光电火花复合加工装置，其特征在于，
所述液驱动部包括输入管和与输入管连通的第一抽吸泵、输出管和与输出管连通的第二抽吸泵、与所述第一抽吸泵、所述第二抽吸泵、所述废液回收罐连通的液控双向阀，以及
位于回转底座上的所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐，其中
当所述回转底座将所述电火花加工液罐旋转至流通位时，所述电火花加工液罐与所述液控双向阀流通；
当所述回转底座将所述激光加工液罐旋转至流通位时，所述激光加工液罐与所述液控双向阀流通。
4.如权利要求1所述的激光电火花复合加工装置，其特征在于，
所述液驱动部包括输入管和与输入管连通的第一抽吸泵、输出管和与输出管连通的第二抽吸泵、与所述第一抽吸泵、所述第二抽吸泵、所述废液回收罐、所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐连通的液控双向阀；其中
所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐与所述液控双向阀的同一入口连通，以及
所述电火花加工液罐和所述激光加工液罐分别由一个第三抽吸泵驱动。
5.一种如权利要求1~4任一所述的激光电火花复合加工装置的工作方法，其特征在于：
S1、加工液系统将激光加工液或者电火花加工液注入加工位；
S2、加工位处的工件被激光加工系统或者电火花加工系统加工；
S3、加工液系统将位于加工位处的废液排出。
6.如权利要求5所述的激光电火花复合加工装置的工作方法，其特征在于：
在激光加工时，所述激光加工系统以调节激光光束的照射方向以加工工件。
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