CN110625272A - 一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法，属于特种加工技术中的微细加工领域；本发明利用高压氮气将化学腐蚀液制成化学腐蚀冰层，且与工件上表面紧密贴合，加工过程中不会有空气进入孔内，能够保证冰层融化后的液面上升高度。通孔完成后，腐蚀液进入孔内，可以清除激光产生的熔渣，改善孔内壁的表面质量。激光照射部分的化学腐蚀冰层会随着加工过程的进行逐渐溶解，当化学腐蚀冰层溶解后腐蚀液顺着孔的内壁流下，液面会产生一定的波纹状且两边高度高于中间，保证激光的反射和折射范围，且随着液面的上升，激光反射和折射的作用效果逐渐的减弱，从而改善整个内孔壁的质量和锥度。

Description

一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及 方法

技术领域

本发明涉及特种加工技术中的微细加工领域，特指一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法。

背景技术

激光打孔技术是一种具有广泛应用的加工技术，其原理是利用激光瞬间产生的高热量实现对材料的去除加工。目前该技术广泛的用于金属材料、陶瓷材料等材料的加工，可以在汽车、航天航空、微细电子等领域进行应用。

孔的锥度是衡量加工孔质量的一个重要指标，锥度越小，孔的质量越好。而利用激光打孔时，由于激光能量分布的不均匀性，较大锥度的孔难以避免。

目前关于激光打孔技术，国内外许多学者已经进行了研究。中国专利“一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法”，专利号CN205852072U提出利用激光发生器在工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过通孔后落到反射装置的反射平面上，经反射平面反射后落到通孔的孔周和内壁，通过调节运动装置，从而改善整个内孔的孔壁质量和锥度。该装置复杂且操作困难，反射装置的反射表面结构要求极高，工作效率较低，且不适用于加工深径比大的孔。中国专利“一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法”，公开号CN107486640A提出：通过可旋转夹具将工件在第一次激光打孔后绕孔的x方向旋转180°，使得工件刚好浸在水中且不改变小孔的x、y的坐标，再利用激光诱导空化技术进行第二次激光打孔的过程，从而来改善锥度。该方法对工作台的要求精度极高，必须保证工件的翻转精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法。利用高压氮气制冷系统制得的化学腐蚀冰层与工件上表面紧密贴合，在加工过程中不会有空气进入孔内，能够保证冰层融化后的液面上升高度，激光就可以直接照射在加工表面，而采用水溶液的时候，激光照射会使水高温气化产生气泡，影响激光能量的传输，从而影响加工的质量。当通孔完成后，化学腐蚀冰层溶解后的腐蚀液顺着孔的内壁流下，液面会产生一定的波纹状且两边高度高于中间，能够保证激光的反射和折射范围，随着液面的上升反射折射的能量逐渐的减弱，只需要控制加工参数，能够保证自下到上的改善锥度以及化学溶液处理孔内壁的效果更好，同时未溶解的冰层可以循环利用。利用化学腐蚀冰层将激光作用和化学作用结合起来，还能降低热影响区。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，包括工件加工系统、制冷系统和控制系统；所述工件加工系统包括激光器、反射镜、聚焦透镜和X-Y-Z工作台；所述反射镜将激光器发出的激光束反射，反射后的激光束经聚焦透镜的聚焦后辐照在待加工工件上；工作腔设置在X-Y-Z工作台上；待加工工件由夹具定位，待加工工件设置在工作腔内，工作腔内有化学腐蚀溶液，激光加工前，制冷系统将化学腐蚀液变成化学腐蚀冰层；所述控制系统用于控制激光器和X-Y-Z工作台的工作。

进一步的，所述控制系统包括计算机和控制柜；所述计算机通过连接端口分别与控制柜和激光器相连接；所述控制柜通过连接端口与X-Y-Z工作台相连接。

进一步的，所述制冷系统为高压氮气制冷系统，高压氮气制冷系统将氮气通过管道通入工作腔，从而使得工作腔内的化学腐蚀液变成化学腐蚀冰层。

进一步的，待加工工件厚度小于3mm。

进一步的，化学腐蚀冰层高出待加工工件的高度略大于待加工工件厚度。

进一步的，所述夹具材料为高熔点材料，如陶瓷或者碳纤维。

一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的方法，包括如下步骤：

激光加工之前，将待加工工件通过夹具固定位置，夹具固定于工作腔底部，工作腔设置在X-Y-Z工作台上；

将化学腐蚀溶液倒入工作腔中，控制其高度使得成冰后高出待加工工件的高度略大于待加工工件厚度；

通入高压氮气进行冷冻，使得化学腐蚀冰层下表面与加工工件紧密贴合；调整X-Y-Z工作台并通过高倍影像，将激光聚焦在待加工工件上表面；根据加工要求调节激光器的激光参数，如激光能量、重复频率、元素次数、图层次数；将X-Y-Z工作台移到加工中心，进行加工，随着加工的进行，焦点不断向下移动；

激光能量大从而使得孔的加工比较快，通孔加工完成后，经过一段时间，小部分溶解的化学腐蚀液会贴着孔内壁流入到孔内，此时会对加工孔的内壁上的残渣进行腐蚀处理，激光会部分反射以及折射作用到内壁上；

调整激光焦点的进给方向和进给速度，使得焦点的上升速度略等于液面上升的速度，从而完成对已加工工件孔的腐蚀清洗，降低微孔锥度。

本发明的技术优势和有益效果如下：

1.本发明利用高压氮气将化学腐蚀液制成化学腐蚀冰层，且与工件上表面紧密贴合，加工过程中不会有空气进入孔内，能够保证冰层融化后的液面上升高度。通孔完成后，腐蚀液进入孔内，可以清除激光产生的熔渣，改善孔内壁的表面质量，且未溶解的化学腐蚀冰层可以循环利用，降低了成本。

2.激光照射部分的化学腐蚀冰层会随着加工过程的进行逐渐溶解，当溶液进入孔内，只需要简单的调节激光的进给方向和进给速度，使得焦点的移动速度和液面上升的速度尽量相等，当化学腐蚀冰层溶解后腐蚀液顺着孔的内壁流下，液面会产生一定的波纹状且两边高度高于中间，保证激光的反射和折射范围。

3.整个加工过程中利用化学腐蚀冰层将传统的先激光加工后化学腐蚀的两步加工法合二为一，简化了操作且产生了更有益的效果，在加工过程中，焦点自下往上移动时，整个孔内壁会受到激光折射和反射的作用，随着焦点的上升，折射和反射到内壁上的作用越来越小，从而能够改善整个孔内壁的锥度。

4.激光加工时化学腐蚀冰层可以有效的减少产生的热影响区，加工时，控制参数可以实现一次加工多孔。

附图说明

图1装置结构示意图；

图2(a)夹具结构侧视图；

图2(b)夹具结构俯视图；

图3(a)开始加工时示意图；

图3(b)加工过程中化学腐蚀示意图；

图4激光反射折射加工示意图。

附图标记如下：

1.计算机；2.控制柜；3.X-Y-Z工作台；4.工作腔；5.夹具；6.加工工件；7.化学腐蚀冰层；8.高压氮气制冷系统；9.聚焦透镜；10.反射镜；11.激光器；

具体实施方式

下面结合附图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。

一种以冰为约束层的激光电化学复合加工装置，结合附图1所示，计算机1分别与激光器11和控制柜2相连接；反射镜10置于激光器11水平方向，聚焦透镜9置于反射镜10正下方；控制柜2与X-Y-Z工作台3相连接，X-Y-Z工作台3置于工作腔4下方；高压氮气制冷系统8通过氮气管道与化学腐蚀冰层7相连；化学腐蚀冰层7、加工工件6和夹具5紧密贴合，待加工工件6由夹具5上下两部分夹紧，用螺钉连接固定，夹具5上半部分中间呈封闭型用于化学腐蚀冰层7的制备。结合附图2(a)和(b)所示，夹具5为耐高温制得的一种专用夹具，高熔点材料为陶瓷、碳纤维等。

一种以冰为约束层的激光电化学复合加工的方法，具体实施过程如下：

结合附图1所示，激光加工之前，将待加工工件6固定于夹具5，夹具5固定于工作腔4底部，工作腔4固定在X-Y-Z工作台3上，将用于制备化学腐蚀冰层7的化学腐蚀溶液倒入夹具中，控制其高度使得成冰后的厚度与加工工件6的厚度相差不大。通入高压氮气制冷系统8通入氮气使得化学腐蚀溶液变成化学腐蚀冰层7，从而使得化学腐蚀冰层7下表面与加工工件6紧密贴合。

如图3(a)所示，调整工作台并通过高倍影像，将激光聚焦在加工工件6上表面，根据加工要求调节激光参数，如激光能量、重复频率、元素次数、图层次数等。将工作台移到加工中心，进行加工，随着加工的进行，焦点不断向下移动。如图3(b)所示，激光能量大从而使得孔的加工比较快，通孔加工完成后，经过一段时间，小部分溶解的化学腐蚀液会贴着孔内壁流入到孔内，此时会对加工孔的内壁上的残渣进行腐蚀处理，与此同时，激光会部分反射以及折射作用到已加工工件孔内壁上。

调整激光器11，从而调整激光焦点的进给方向和进给速度，使得焦点的上升速度略等于液面上升的速度，使得溶液自下而上对整个孔内壁进行腐蚀处理，同时，激光自下而上的反射，能够降低整个孔内壁的锥度。

所述工件厚度小于3mm，使得化学腐蚀冰层7溶解的速度略等于通孔完成的速度，这样可使得通孔在化学腐蚀冰层7未溶解之前完成；

考虑激光能量的分布以及对化学腐蚀冰层7溶解速度的影响，化学腐蚀冰层7厚度和待加工工件6厚度不能相差太大，可取化学腐蚀冰层高出待加工工件的高度略大于待加工工件厚度，化学腐蚀冰层7温度在-5℃以下；

所述透明冰层是用化学腐蚀液通过高压氮气制冷系统8制成。所述化学腐蚀冰层7与待加工工件6上表面紧密贴合，能够有效降低表面热影响区；化学腐蚀冰层7溶解后变成液体，紧贴孔内壁流入孔内，液面会产生一定的波纹状且两边高度高于中间，保证激光的反射和折射范围；所述激光焦点移动速度尽可能的与液面上升速度相等，保证激光反射折射的能量能够去除材料，从而有效改善锥度；在加工过程中，焦点自下往上移动时，孔内壁会受到激光折射和反射的作用，随着焦点的上升，折射和反射到内壁上的作用越来越小。所述加工方法，可以控制参数一次加工多孔。

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 (7)

1.一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，其特征在于，包括工件加工系统、制冷系统和控制系统；所述工件加工系统包括激光器(11)、反射镜(10)、聚焦透镜(9)和X-Y-Z工作台(3)；所述反射镜(10)将激光器(11)发出的激光束反射，反射后的激光束经聚焦透镜(9)聚焦后辐照在待加工工件(6)上；工作腔(4)设置在X-Y-Z工作台(3)上；待加工工件(6)由夹具(5)定位，待加工工件(6)设置在工作腔(4)内，工作腔(4)内有化学腐蚀溶液，激光加工前，制冷系统将化学腐蚀溶液变成化学腐蚀冰层(7)；所述控制系统用于控制激光器(11)和X-Y-Z工作台(3)的工作。

2.根据权利要求1所述的利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，其特征在于，所述控制系统包括计算机(1)和控制柜(2)；所述计算机(1)通过连接端口分别与控制柜(2)和激光器(11)相连接；所述控制柜(2)通过连接端口与X-Y-Z工作台(3)相连接。

3.根据权利要求1所述的利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，其特征在于，所述制冷系统为高压氮气制冷系统(8)，高压氮气制冷系统(8)将氮气通过管道通入工作腔(4)，从而使得工作腔(4)内的化学腐蚀溶液变成化学腐蚀冰层(7)。

4.根据权利要求1所述的利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，其特征在于，待加工工件(6)厚度小于3mm。

5.根据权利要求4所述的利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，其特征在于，化学腐蚀冰层(7)高出待加工工件(6)的高度略大于待加工工件(6)厚度。

6.根据权利要求1所述的利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，其特征在于，所述夹具(5)材料为高熔点材料，如陶瓷或者碳纤维。

7.一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

激光加工之前，将待加工工件(6)通过夹具(5)固定位置，夹具(5)固定于工作腔(4)底部，工作腔(4)设置在X-Y-Z工作台(3)上；

将化学腐蚀溶液倒入工作腔(4)中，控制其高度使得成冰后高出待加工工件(6)的高度略大于待加工工件(6)厚度；

通入高压氮气进行冷冻，使得化学腐蚀冰层(7)下表面与加工工件(6)紧密贴合；调整X-Y-Z工作台(3)并通过高倍影像，将激光聚焦在待加工工件(6)上表面；根据加工要求调节激光器(11)的激光参数，如激光能量、重复频率、元素次数、图层次数；将X-Y-Z工作台(3)移到加工中心，进行加工，随着加工的进行，焦点不断向下移动；

激光能量大从而使得孔的加工比较快，通孔加工完成后，经过一段时间，小部分溶解的化学腐蚀溶液会贴着孔内壁流入到孔内，此时会对加工孔的内壁上的残渣进行腐蚀处理，激光会部分反射以及折射作用到内壁上；

调整激光焦点的进给方向和进给速度，使得焦点的上升速度略等于液面上升的速度，从而完成对已加工工件孔的腐蚀清洗，降低微孔锥度。