CN110280912A - 一种声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声‑电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，包括激光发生单元、机床底座和进给机构，所述机床底座上放置机床工作台，所述机床工作台上装夹工件，所述激光发生单元通过进给机构安装在机床底座上；所述激光发生单元，用于产生激光；还包括旋光单元、超声辅助单元和电场辅助单元；所述旋光单元位于所述激光的光路上，用于产生旋转激光；所述超声辅助单元位于工件底部，用于产生超声振动；所述电场辅助单元位于工件附近，用于在工件上产生电场。本发明可实现工件的高频均匀机械振动，从而实现水基超声振动辅助激光螺旋打孔，达到改善微孔成形和冶金质量、提高打孔效率的目的。

Description

一种声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法。

背景技术

目前激光打孔是一项非常重要的激光加工应用技术，相比较于传统的机械钻孔的方法，激光打孔具有独特的优势，如效率高、精度高、成本低、无工具损耗及应用范围广泛等特点，已成为现代激光加工领域的关键方法之一，广泛应用于航空航天、汽车制造、化学化工、电子电路、医疗器械、仪器仪表等高精尖领域。

激光与材料相互作用导致物质形态发生变化所形成的热物理效应和各种能量变化的耦合是激光打孔原理的基础。激光打孔按打孔方式可分为复制法和轮廓迂回法两类，其中，轮廓迂回法包括环切打孔和螺旋打孔。激光螺旋打孔可以通过入射激光束的高速旋转带动激光焦点在加工表面上做高速圆周旋转实现微孔加工，也可以在激光环切打孔的基础上，通过激光束焦点与工件在入射激光束轴线方向上作同步相对移动进行微孔加工。激光螺旋打孔可以很好地解决激光制孔的热抑制问题，所加工的微孔孔壁质量和圆度较好，尤其适合于高质量深孔和大深径比微孔的加工。

随着科学技术的不断发展，市场对激光打孔提出了更高的要求，目前常用的激光打孔方式已不能满足需求。常用的激光打孔方式打出的微孔存在熔融物飞溅、堆积产生重铸层、微裂纹、孔锥度大、组织混乱和残余应力的缺陷，导致微孔力学性能较差，这些因素严重制约了激光打孔的质量。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法，利用外加电场影响激光打孔过程中电子、离子及其它带电微粒的运动、形态及分布，提高打孔的质量和效率；通过超声波在水介质中的传播，实现工件的高频均匀机械振动，从而实现水基超声振动辅助激光螺旋打孔，达到改善微孔成形和冶金质量、提高打孔效率的目的。同时，利用由计算机控制系统控制的旋光单元和进给机构实现激光螺旋打孔，有效抑制了重铸层及微裂纹的产生，提高了打孔的深度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，包括激光发生单元、机床底座和进给机构，所述机床底座上放置机床工作台，所述机床工作台上装夹工件，所述激光发生单元通过进给机构安装在机床底座上；所述激光发生单元，用于产生激光；还包括旋光单元、超声辅助单元和电场辅助单元；所述旋光单元位于所述激光的光路上，用于产生旋转激光；所述超声辅助单元位于工件底部，用于产生超声振动；所述电场辅助单元位于工件附近，用于在工件上产生电场。

进一步，所述超声辅助单元包括超声波发生器、无盖水箱和超声振动装置，所述无盖水箱安放在机床工作台上，所述工件通过夹具固定在所述无盖水箱内，所述超声振动装置位于工件底部，所述超声波发生器控制超声振动装置产生超声振动。

进一步，所述超声振动装置包括超声波振动棒和基座，所述基座内设有若干均布的超声波振动棒，若干所述超声波振动棒与超声波发生器连接；封闭的所述基座安装在无盖水箱内，且位于工件底部。

进一步，所述电场辅助单元包括第一电极板、第二电极板和电场控制器；所述第一电极板和第二电极板绝缘放置在所述工件两侧的无盖水箱内，且所述第一电极板和第二电极板位置均高于无盖水箱内的液体；所述电场控制器用于给第一电极板和第二电极板同时供电，产生电场。

进一步，旋光单元包括若干光楔组件和旋转装置，若干光楔组件通过旋转装置绕光轴旋转，输出旋转激光；所述激光依次进入若干光楔组件和聚焦透镜，输出绕光轴旋转的焦斑。

进一步，还包括转速传感器和升降装置，每一所述光楔组件设有升降装置，用于调整相邻所述光楔组件的距离；每一所述光楔组件设有转速传感器用于检测光楔组件旋转的角度。

进一步，所述无盖水箱通过可移动支撑平台固定在机床工作台上，所述工件放置在筛网上。

一种的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置加工方法，包括以下步骤：

对刀：将旋光单元产生的旋转激光的焦斑调整到工件的加工位置；

辅助电场：通过第一电极板和第二电极板在激光焦斑的两侧产生电场；

辅助超声振动：通过超声波振动棒对工件进行超声振动；

对工件激光加工。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法，通过不同的光学系统参数及旋转速度可以得到不同的光束旋转路径，从而打出不同半径的微孔，亦可根据微孔的参数由计算机控制系统逆向求解出光学系统参数，通过调整光学系统的参数可以更容易打出满足参数要求的微孔，同时通过伺服电机带动旋光单元配合高脉冲重复频率能大大提高打孔效率。

2.本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法，通过四个光楔的旋转得到合适的光束的运动轨迹，使激光在工件表面上形成了相对均匀的温度分布，减少孔壁温度梯度，避免了由于激光光强的高斯分布造成的打孔中心比四周温度高的现象，使工件内壁不容易产生裂纹，提高了孔壁的质量。

3.本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法，超声辅助单元和电场辅助单元都可以独立拆装，研究人员可以根据自己的需求选用所需的辅助能场，且本发明中电场的强度及方向可以通过电路控制单元调整改变，超声功率的大小也可以通过电路控制单元调整改变，以研究不同电场强度及超声功率下的激光打孔成孔的影响，从而达到优化激光打孔相关工艺参数的目的。

4.本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法，通过外加电场辅助激光螺旋打孔，第一电极板、第二电极板和中间的绝缘电介质构成了一个简单的平行板电容器，通电后两块电极板带电，形成电势差，电容器进行充放电过程，两平行电极板之间产生电场。打孔过程中电子、离子等其它带电微粒在受到电场力的作用下向两电极板聚集，减少了等离子体对激光的吸收、散射和折射，提高激光利用率和打孔效率。

5.本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置及加工方法，通过超声振动的辅助作用，可以加速熔渣的去除，提高熔渣的去除率，减少或避免熔化物在孔壁再次凝固形成重铸层，改善孔壁的表面质量，从而改善打孔质量和提高打孔效率；同时超声波可以起到细化晶粒、改善组织、减小残余应力的作用，达到提高力学性能的目的。

附图说明

图1为本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔装置的结构示意图一；

图2为本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔装置的结构示意图二；

图3为本发明所述的无盖水箱及内部示意图；

图4为本发明所述的无盖水箱内去除筛网后的俯视图；

图中：

1-电源箱；2-机床工作台；3-支撑平台；4-无盖水箱；5-进给机构；6-激光器；7-导光管；8-伺服电机；9-激光头；10-机床底座；11-计算机控制系统；12-第一电极板；13-工件；14-压板；15-第二电极板；16-筛网；17-橡胶板；18-超声波发生器；19-超声振动装置；19-1-超声波振动棒；19-2-基座；20-电线；21-电场控制器；22-激光束；23-扩束器；24-反光镜；25-旋光单元；25-1-第一光楔；25-2-第二光楔；25-3-第三光楔；25-4-第四光楔；26-聚焦透镜；27-保护透镜；28-喷嘴；29-焦斑；30-垂直调整装置；31-辅助气体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔装置，包括工件装夹单元、旋光单元25、超声辅助单元、电场辅助单元、电路控制单元和激光发生单元。

工件装夹单元包括无盖水箱4和筛网16，无盖水箱4安放在机床工作台2上，筛网16位于无盖水箱4内部并且固定在无盖水箱4的两个相对侧壁上，工件13通过螺栓固定在筛网16上表面，激光发生单元产生的激光正对工件13。机床工作台2上安装有支撑平台3，无盖水箱4由螺栓固定在支撑平台3上，机床工作台2在电机的驱动下能够实现五轴联动。

超声波发生器18、电场控制器21、伺服电机8均与电路控制单元连接，电路控制单元通过超声波发生器18控制六个超声波振动棒19-1开关的闭合个数从而调节超声功率的大小。电路控制单元控制电场控制器21在两电极板之间产生不同强度及方向的电场，电路控制单元控制伺服电机8的转速以控制旋光单元25的旋转。

如图2所示，激光发生单元包括扩束器23、反光镜24和导光管7，激光器6产生的激光束22通过导光管7装置进入扩束器23，经过反光镜24反射后，进入旋光单元25实现光束的偏折后，通过聚焦透镜26和保护透镜27，从而形成焦斑29并辐照在工件13的待加工表面，喷嘴28用于向工件13喷射辅助气体31。垂直调整装置30安装在旋光单元25上，用于实现旋光单元25的移动。

如图2所示，旋光单元25包括若干光楔组件和旋转装置，若干光楔组件通过旋转装置绕光轴旋转，输出旋转激光；所述激光依次进入若干光楔组件和聚焦透镜26，输出绕光轴旋转的焦斑29。所述旋光单元25包括四个楔角不同的可绕光轴旋转的第一光楔25-1、第二光楔25-2、第三光楔25-3、第四光楔25-4和伺服电机8。所述伺服电机8用于使第一光楔25-1、第二光楔25-2、第三光楔25-3、第四光楔25-4绕光轴旋转。当入射光束垂直进入第一光楔25-1时，经过第一光楔25-1后，光束向左偏转，经过第二光楔25-2后，光束偏转为向左与光轴有一定角度的平行光束。同理，入射光线经过第三光楔25-3和第四光楔25-4后，也可得到向右与光轴有一定角度的平行光束。由于光楔均是绕光轴以一定的角速度旋转的，所以经过聚焦透镜26后可以形成绕光轴做圆周运动的焦斑29。通过改变各个光楔的初始相位及距离，可改变光束偏转的幅度，即可改变做圆周运动的焦斑29的直径，从而改变打孔孔径的大小。

如图3所示，工件装夹单元包括两块带螺纹孔的长条形压板14和两块与工件13等高的支撑垫块，使用压板14装夹时，压板14的一端叠加在工件13上，压板14的另一端用与工件13等高的垫块支撑，另用螺栓、螺母和垫片通过压板14的螺纹孔将压板14固定在筛网16上实现对工件13的装夹。

如图2和图4所示，所述超声辅助单元包括超声波发生器18、无盖水箱4和超声振动装置19，所述无盖水箱4安放在机床工作台2上，所述工件13通过夹具固定在所述无盖水箱4内，所述超声振动装置19位于工件13底部，所述超声波发生器18控制超声振动装置19产生超声振动。超声振动装置19包括六个超声波振动棒19-1和基座19-2，基座19-2安放在无盖水箱4底部中心位置，六个超声波振动棒19-1均布的固定在带有凹槽的基座19-2内。

如图2和图3所示，所述电场辅助单元包括第一电极板12、第二电极板15、电线20、橡胶板17和电场控制器21；所述第一电极板12和第二电极板15均由螺栓固定在橡胶板17上，所述第一电极板12的材料为不锈钢，第二电极板15的材料为黄铜，所述第一电极板12和第二电极板15正对放置，所述橡胶板17中心带有圆孔，所述第一电极板12和第二电极板15由穿过橡胶板17中心圆孔的电线20与电场控制器21连接，所述电场控制器21包括可变电压器、保护电阻和控制开关。

本发明所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的加工方法，包括以下步骤：

步骤一：将按要求加工处理好的工件13正确装夹在工件装夹单元上，将基座19-2水平安放在无盖水箱4底部中心位置,六个超声波振动棒19-1均布的固定在带有凹槽的基座19-2内，向无盖水箱4中加水，并确保水的上表面位于工件13的上表面和下表面之间；

步骤二：在计算机控制系统11中设置好相应的激光参数，启动激光器6，通过进给机构5调整好激光头9与工件13之间的距离，再调整将激光束22聚焦到工件13相应要求位置处；

步骤三：伺服电机8启动带动旋光单元25的旋转，同时进给机构5由计算机控制系统11控制上下移动，两者的耦合运动实现激光螺旋打孔。进给机构5运动的同时，启动电路控制单元以产生相应的电场和超声场，在进行激光打孔的同时通过喷嘴28向工件13吹出辅助气体31，使工件13在激光、声-电耦合能场辅助及同轴辅助气体31的共同作用下完成激光螺旋打孔。

本发明所述的一种激光螺旋打孔装置的工作原理为：

激光束22从激光器6中辐照出，经过扩束器23获得准直均匀的光束，经过反射镜27垂直进入旋光单元25，伺服电机8带动由四个楔角不同的光楔组成的旋光单元25以一定的角速度旋转，再由聚焦透镜26将光束聚焦到工件13上，激光焦点在工件表面上做高速圆周运动，从而形成环切。为避免影响后续的加工，需要迅速去除汽化的材料，因而向工件13的加工区域吹辅助气体31。在打孔的过程中，激光焦点处的材料吸热融化而被去除，随着孔深的不断增加，进给机构5带动激光头9向下移动，激光焦点也同步下移，始终保持激光焦点位于被加工面上，使打孔过程中微孔成形位置处的温度分布相对均匀，同时减少孔壁处的温度梯度，避免了由于激光光强的高斯分布造成的打孔中心比四周温度高的现象，使微孔内壁不容易产生裂纹，提高了孔壁的质量及打孔效率。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，包括激光发生单元、机床底座(10)和进给机构(5)，所述机床底座(10)上放置机床工作台(2)，所述机床工作台(2)上装夹工件(13)，所述激光发生单元通过进给机构(5)安装在机床底座(10)上；所述激光发生单元，用于产生激光；其特征在于，还包括旋光单元(25)、超声辅助单元和电场辅助单元；所述旋光单元(25)位于所述激光的光路上，用于产生旋转激光；所述超声辅助单元位于工件(13)底部，用于产生超声振动；所述电场辅助单元位于工件(13)附近，用于在工件(13)上产生电场。

2.根据权利要求1所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，其特征在于，所述超声辅助单元包括超声波发生器(18)、无盖水箱(4)和超声振动装置(19)，所述无盖水箱(4)安放在机床工作台(2)上，所述工件(13)通过夹具固定在所述无盖水箱(4)内，所述超声振动装置(19)位于工件(13)底部，所述超声波发生器(18)控制超声振动装置(19)产生超声振动。

3.根据权利要求2所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，其特征在于，所述超声振动装置(19)包括超声波振动棒(19-1)和基座(19-2)，所述基座(19-2)内设有若干均布的超声波振动棒(19-1)，若干所述超声波振动棒(19-1)与超声波发生器(18)连接；封闭的所述基座(19-2)安装在无盖水箱(4)内，且位于工件(13)底部。

4.根据权利要求2所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，其特征在于，所述电场辅助单元包括第一电极板(12)、第二电极板(15)和电场控制器(21)；所述第一电极板(12)和第二电极板(15)绝缘放置在所述工件(13)两侧的无盖水箱(4)内，且所述第一电极板(12)和第二电极板(15)位置均高于无盖水箱(4)内的液体；所述电场控制器(21)用于给第一电极板(12)和第二电极板(15)同时供电，产生电场。

5.根据权利要求1所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，其特征在于，所述旋光单元(25)包括若干光楔组件和旋转装置，若干光楔组件通过旋转装置绕光轴旋转，输出旋转激光；所述激光依次进入若干光楔组件和聚焦透镜(26)，输出绕光轴旋转的焦斑(29)。

6.根据权利要求5所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，其特征在于，还包括转速传感器和升降装置，每一所述光楔组件设有升降装置，用于调整相邻所述光楔组件的距离；每一所述光楔组件设有转速传感器用于检测光楔组件旋转的角度。

7.根据权利要求2所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置，其特征在于，所述无盖水箱(4)通过可移动支撑平台(3)固定在机床工作台(2)上，所述工件(13)放置在筛网(16)上。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的声-电耦合能场辅助激光螺旋打孔的装置加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

对刀：将旋光单元(25)产生的旋转激光的焦斑(29)调整到工件(13)的加工位置；

辅助电场：通过第一电极板(12)和第二电极板(15)在激光焦斑(29)的两侧产生电场；

辅助超声振动：通过超声波振动棒(19-1)对工件(13)进行超声振动；

对工件(13)激光加工。