CN110587141B - 利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法 - Google Patents

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Abstract

利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，属于激光加工技术领域。其特征在于：包括以下步骤：（1）清洗孔内表面；（2）装夹，使得孔轴线与激光正入射方向重合；（3）将激光入射角度偏转，并沿孔内表面周期循环扫描；（4）调整光束相对于工件表面的距离；（5）使得光束覆盖整个孔内表面。本发明基于激光重熔技术，采用激光对高深径比孔进行再加工。通过激光熔融一薄层材料的方式高效消除局部纹路、局部微裂纹。极大减小了表面粗糙度，并消除了表面微裂纹。具有高精度、高效率的特点，可以实现流水线生产。

Description

利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法
技术领域
利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
高深径比深孔的加工一直是机加工的难加工工艺、关键工艺，是生产线的瓶颈工序。高深径比、小孔径的精细化加工对传统机械加工提出了严苛的考验。细长孔通常采用钻孔工艺获得，其内壁留有加工纹路，且存在微观裂纹。在交变载荷的作用下会产生疲劳裂纹，极大降低曲轴等工件的整体寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于激光重熔技术，消除了因机加工孔而产生的机械应力，有效去除机加工在孔内表面留下的加工纹路的利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）清洗孔内表面，去除杂质；
（2）将工件进行装夹，使得孔轴线与激光正入射方向重合；
（3）调节激光参数，通过激光器将激光入射角度偏转，并沿孔内表面周期循环扫描；
（4）调整光束相对于工件表面的距离，使得光束相对于孔内表面进行绕孔内表面旋转以及上下移动；
（5）根据光学传输的性质，通过多次反射，使得光束覆盖整个孔内表面。
本发明基于激光重熔技术，采用激光对高深径比孔进行再加工。通过激光熔融一薄层材料的方式高效消除局部纹路、局部微裂纹。极大减小了表面粗糙度，并消除了表面微裂纹。基于激光重熔技术，使孔的整个内表面的材料先熔化后凝固的方法对孔内表面进行再加工。提出的加工方法具有高精度、高效率的特点，同时具有高自动化，高可控性等优点，可以实现流水线生产。
所述的孔为通孔，在孔下方安装反射镜，通过反射镜将激光再次反射回孔内。
步骤（1）中所述的孔轴线与外表面的夹角为垂直角度或倾斜角度。
步骤（1）中所述的孔材料可以为钢材料、金属材料、半导体材料或陶瓷材料。
步骤（2）中所述的激光可以为连续激光或脉冲激光。
步骤（2）中的激光能量在孔表面发生熔融或表面温度提升300°C以上。
步骤（3）中的激光为熔融孔材料。
所述的反射镜为平面反射镜或曲面反射镜。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
本发明基于激光重熔技术，采用激光对高深径比孔进行再加工。通过激光熔融一薄层材料的方式高效消除局部纹路、局部微裂纹。极大减小了表面粗糙度，并消除了表面微裂纹。基于激光重熔技术，使孔的整个内表面的材料先熔化后凝固的方法对孔内表面进行再加工。提出的加工方法具有高精度、高效率的特点，同时具有高自动化，高可控性等优点，可以实现流水线生产。
本发明利用光的传输特性并配合激光与工件的相对运动实现激光辐射整个内表面，实现整个内表面的精加工。本发明提出的加工方法借鉴传统珩磨工艺思路，实现对整个孔内表面的光整加工，而且效率有本质的提高。可最终形成一种高效、绿色、高精度的细长孔加工方法。此外，激光微加工后在工件表面通常诱导形成微纳米级的条纹结构，这种微纳结构可以改善工件的润湿性能。通过调制，可以使得孔具有亲油性或亲水性，使得工件在润滑、冷却等性能方面有极大提高。
本发明一方面可高效去除机加工细长孔在内表面留下的加工纹路，降低内表面粗糙度；另一方面，利用激光能量导致的热传导将引起孔内表面的升温，在适当条件下可以产生“退火”、“回火”、“正火”、“淬火”等热处理效果，有效提高孔的加工质量；另外激光加工可以在材料表面诱导产生微纳米级条纹，可以改善材料的润湿性能。
附图说明
图1为实施例1的利用激光调制高深径比孔内表面的加工系统示意图。
图2为实施例2的利用激光调制高深径比孔内表面的加工系统示意图。
其中，1、激光器 2、衰减器 3、半波板 4、线性偏振器 5、机械快门 6、反光镜 7、四分之一波片 8、透镜 9、位移台 10、计算机控制系统 11、振镜 12、f-θ镜 13、工件 14、反射镜。
具体实施方式
图1是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~2对本发明做进一步说明。
实施例1
参照附图1：
一种利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，包括以下步骤：
（1）清洗孔内表面，去除杂质；孔轴线与外表面的夹角为垂直角度或倾斜角度。孔材料可以为钢材料、金属材料、半导体材料或陶瓷材料。
（2）将工件进行装夹，使得孔轴线与激光正入射方向重合；激光可以为连续激光或脉冲激光。激光能量在孔表面发生熔融或表面温度提升300°C以上。
（3）调节激光参数，将激光入射角度偏转，并沿孔内表面周期循环扫描；激光能量设置为熔融阈值以上或熔融阈值以下。激光能量高于熔融阈值可以降低孔内表面粗糙度，激光能量低于熔融阈值可以对孔内表面进行热处理。
（4）调整光束相对于工件表面的距离，使得光束相对于孔内表面进行绕孔内表面旋转以及上下移动。
（5）根据光学传输的性质，通过多次反射，使得光束覆盖整个孔内表面。当孔为通孔，在孔下方安装反射镜，反射镜为平面反射镜或曲面反射镜，通过反射镜将激光再次反射回孔内。孔可以为通孔，也可以为盲孔；孔轴线与外表面的夹角可以为垂直角度，也可以为倾斜角度。步骤（5）中的反射镜可以使用，也可以不使用反射镜。
利用激光调制高深径比孔内表面的加工系统，为无振镜的加工系统，包括激光器1、衰减器2、位移台9和计算机控制系统10，计算机控制系统10分别通过线路连接激光器1、衰减器2和位移台9，衰减器2包括半波板3和线性偏振器4，所述衰减器2和位移台9之间设有机械快门5，位移台9上设有透镜8。位移台9上设有四分之一波片7和反光镜6。
如附图1所示，先准备好试件样品，样品为汽车发动机用曲轴，材料为42CrMo，曲轴上有直径为6mm的斜孔。采用丙酮、乙醇、水各超声3分钟清洗，使其表面无颗粒等污染。采用专用夹具使斜孔孔轴垂直向上，安装在位移台9上，并与透镜8正出射轴线重合。调节激光器1参数，使聚焦到孔壁的能量使得孔表面有温升300°C以上或者熔融一薄层。通过位移台9旋转、上下移动使得光束相对于孔内表面进行绕孔内表面旋转以及上下移动，通过光反复反射，保证光束覆盖整个内表面。
实施例2
参照附图2：
有振镜的加工系统：该实施例中，位移台9上设有振镜11、f-θ镜12、工件13和反射镜14。
如附图2所示，先准备好试件样品，样件材料为42CrMo，开有直径为6mm的通孔。采用丙酮、乙醇、水各超声3分钟清洗，使其表面无颗粒等污染。采用专用夹具使孔轴垂直向上，安装在位移台9上。调节激光器1参数，使聚焦到孔壁的能量使得孔表面有温升300°C以上或者熔融一薄层。通过控制振镜11及位移台9，实现光束旋转、上下移动，使得光束相对于孔内表面进行绕孔内表面旋转以及上下移动，通过光反复反射，保证光束覆盖整个内表面。在工件下方放置反射镜14，反射镜将通过孔的激光反射回孔内，使得加工孔内表面质量均匀性得到改善，加工效率提高。
本发明利用激光重熔技术，提出了一种新型的高深径比孔内表面的调制方法。此方法可消除传统孔加工方法产生的内应力、微裂纹及加工纹路。激光加工可附带产生微纳米级条纹，可以改善材料的润湿性能，是一种全新、高效、绿色、高精度的加工方法。
本发明是基于激光重熔技术，采用激光对高深径比孔进行再加工。通过激光熔融一薄层材料的方式高效消除局部纹路、局部微裂纹。目前国际上广泛开展了平面或曲面上的激光重熔技术，可对加工表面进行激光抛光，但不能在孔内表面进行抛光。
本发明利用光的传输特性并配合激光与工件的相对运动实现激光辐射整个孔内表面，实现整个孔内表面的精加工。本发明提出的加工方法借鉴传统珩磨工艺思路，实现对整个孔内表面的光整加工，而且效率有本质的提高。可最终形成一种高效、绿色、高精度的细长孔加工方法。此外，激光微加工后在工件表面通常诱导形成微纳米级的条纹结构，这种微纳结构可以改善工件的润湿性能。通过调制，可以使得斜油孔具有亲油性或亲水性，使得工件在润滑、冷却等性能方面有极大提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）清洗孔内表面，去除杂质；
（2）将工件进行装夹，使得孔轴线与激光正入射方向重合；
（3）调节激光参数，利用激光器（1）将激光入射角度偏转，并沿孔内表面周期循环扫描；
（4）调整光束相对于工件表面的距离，使得光束相对于孔内表面进行绕孔内表面旋转以及上下移动；
（5）根据光学传输的性质，通过多次反射，使得光束覆盖整个孔内表面；
在孔下方安装反射镜，通过反射镜将激光再次反射回孔内；
所述的孔为通孔;
消除了因机加工孔而产生的机械应力，有效去除机加工在孔内表面留下的加工纹路。
2.根据权利要求1所述的利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的孔轴线与所述的工件的上表面的夹角为垂直角度。
3.根据权利要求1所述的利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，其特征在于：步骤（1）中工件的材料为金属材料、半导体材料或陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的激光为连续激光或脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，其特征在于：步骤（2）中的激光的能量使孔表面发生熔融。
6.根据权利要求1所述的利用激光调制高深径比孔内表面特征的方法，其特征在于：所述的反射镜为平面反射镜或曲面反射镜。
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