CN110883424A - 水导激光柔性化微加工系统及方法 - Google Patents

水导激光柔性化微加工系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水导激光柔性化微加工系统及方法，包括光纤传输耦合单元、工作台单元和高压供液单元，光纤传输耦合单元包括光纤固定转接模块和光束耦合传输模块，光束耦合传输模块包括耦合体、上压头和下喷嘴座，光纤固定转接模块将柔性光纤的端头定中于上压头与下喷嘴座之间的液层腔，耦合体上的入水口连通液层腔，于下喷嘴座上设有喷嘴块，喷嘴块上的喷孔与下喷嘴座上的喷口连通；耦合体夹持在机器人的机械手上；高压供液单元输出的无级调压高压水经入水口汇集于液层腔形成低压稳流水；工作台单元包括三轴联动的工作台，工件的装夹固定台板通过水槽设于工作台上。本发明结构简单、紧凑和灵活，可实现工件多维度柔性化微加工。

Description

水导激光柔性化微加工系统及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术，具体为一种水导激光柔性化微加工系统及方法。
背景技术
水导激光技术是利用水束光纤进行激光束的传输来进行加工，综合水射流及激光加工的优良特性，很好地解决了热的问题，加工中不产生热应力，无热影响区、切道干净、无毛刺、无熔渣、无机械应力等优点，能够很好地满足半导体、电子、医疗，航天等高精密器件的加工要求。
水导激光加工过程中，激光与细水束形成的水束光纤进行耦合传输，不会因传统激光光束发散而需要实时调焦，提高了加工工件的深度及深宽比，切槽平行；微水射流具有冷却和冲击作用，可实现微损伤切割；水束冲刷所产生的熔融物及残渣，使加工件没有明显的重铸层，显著提高了加工质量。
现有的水导激光技术中，大多采用光学聚焦元件进行激光束的聚焦耦合后对工件进行加工，存在整体结构庞大和加工柔度欠缺的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种通过柔性化控制而适应曲面微加工的水导激光柔性化微加工系统及方法。
能够解决上述技术问题的水导激光柔性化微加工系统，其技术方案包括光纤传输耦合单元、工作台单元和高压供液单元，其中：
1、所述光纤传输耦合单元包括光纤固定转接模块和光束耦合传输模块，所述光束耦合传输模块包括耦合体、上压头和下喷嘴座，所述上压头同轴旋合于耦合体上部内的螺纹孔，所述下喷嘴座下部的法兰体用圆周均布的螺栓安装于耦合体底部，下喷嘴座上部的座体同轴配合于耦合体下部内的座孔，上压头将压板封闭在螺纹孔底部的座孔上，所述压板与座体顶部之间形成液层腔，于耦合体上圆周均布开设有入水口连通座孔；所述光纤固定转接模块将柔性光纤的端头通过上压头和压板定中于液层腔中，与柔性光纤的端头相对于下喷嘴座的座体顶部同轴嵌设喷嘴块，所述喷嘴块上开设的喷孔与座体及法兰体内开设的喷口连通，柔性光纤、喷孔和喷口三者同轴。
2、入水口上方的耦合体夹持在机器人的机械手上。
3、所述高压供液单元输出的无级调压高压水经各入水口进入耦合体与下喷嘴座两者间形成的间隙流道后向上溢流在液层腔中形成低压稳流液层。
4、所述工作台单元设于喷口下方，包括三轴联动的工作台，工件的装夹固定台板通过水槽设于工作台上，所述水槽承接的射流冲击水回流高压供液单元。
所述光纤固定转接模块的一种结构包括定中头和定中套，所述定中头中部的外螺纹段同轴旋合于上压头上部内的螺纹孔，定中头下部的导向段同轴配合于上压头下部内与螺纹孔连通的导向孔，导向段的前端通过压板的导向孔进入液层腔，所述定中套的内螺纹孔旋合于定中头上部的外螺纹段；所述定中头和定中套上同轴开设有供柔性光纤穿插的穿设孔。
为密闭液层腔，所述上压头与压板之间设有密封圈Ⅰ，所述下喷嘴座的法兰体与耦合体底部之间设有密封圈Ⅱ。
本发明水导激光柔性化微加工方法，其工序步骤为：
1、将工件装夹固定在工作台上。
2、将工作台运行至合适的加工位置。
3、启动高压供液单元，高压供液单元输出的无级调压高压水经过各入水口进入液层腔而形成低压稳流液层。
4、待低压稳流液层从喷嘴块的喷孔射出形成稳定的水射流后，将光纤固定转接模块于光束耦合传输模块上进行安装，开启与柔性光纤连接的激光源，调节光纤固定转接模块直至柔性光纤发出的激光束与水射流耦合成为水束光纤。
5、关闭激光源和高压供液单元，将光纤传输耦合单元于机械手上夹持后开启高压供液单元，待形成的水束光纤稳定后，再开启激光源，调节机械手位置使水束光纤传导到达工件表面。
6、工作台在电控系统的控制下带动工件作平面二维运动或空间三维运动，机械手在电控系统控制下配合工件运动，通过水束光纤导引激光束完成对工件的多维柔性化加工。
7、加工过程中形成的熔融物及射流冲击水经水槽过滤后回流高压供液单元。
本发明的有益效果：
1、本发明水导激光柔性化微加工系统及方法采用柔性光纤传输激光束进行高精度定位、调节后耦合水射流为水束光纤，实现水导激光系统结构的简单和紧凑的设计及灵活的连接。
2、本发明采用柔性光纤传输激光束的耦合水束光纤，利用多维度运动的机械手进行光束耦合传输模块整体性固定、夹持及实时调节，能够实现水导激光柔性化控制。
3、本发明利用柔性化控制的水导激光技术，可以实现复杂曲面工件的多维度微加工，相比传统激光柔性加工熔渣少、无热影响区、微裂纹少，无废气。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图。
图2为图1实施方式中光纤传输耦合单元的主视图。
图3为图1实施方式中光纤传输耦合单元的爆炸图。
图4为图2中的A-A剖视图。
图5为图4中B处的局部放大图。
图号标识：1、光纤传输耦合单元；2、高压供液单元；3、光纤固定转接模块；3-1、定中头；3-2、定中套；4、光束耦合传输模块；4-1、耦合体；4-2、上压头；4-3、下喷嘴座；4-4、压板；4-5、入水口；4-6、喷嘴块；4-7、喷口；5、螺栓；6、液层腔；7、柔性光纤；8、机器人；8-1、机械手；9、工作台；10、工件；11、水槽；12、密封圈Ⅰ；13、低压稳流液层；14、水束光纤；15、密封圈Ⅱ；16、激光束。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明水导激光柔性化微加工系统，包括机器人8、光纤传输耦合单元1、工作台单元和高压供液单元2，所述机器人8、工作台单元和高压供液单元2均为现有的成熟技术，所述光纤传输耦合单元1为本发明的核心，包括组装为一体的光纤固定转接模块3和光束耦合传输模块4，如图1、图2、图3所示。
所述光束耦合传输模块4包括同轴设置的耦合体4-1、上压头4-2、压板4-4和下喷嘴座4-3，所述耦合体4-1的内部开设有同轴连通的上细牙螺纹内孔和下座孔，所述下喷嘴座4-3包括底部的法兰体和上部的座体，下喷嘴座4-3的座体配合于耦合体4-1的座孔内，下喷嘴座4-3的法兰体用圆周均布的螺栓5安装于耦合体4-1底部，法兰体与耦合体4-1底部之间压装有密封圈Ⅱ15，下喷嘴座4-3的座体顶部低于耦合体4-1座孔的上口，下喷嘴座4-3座体顶部中央卡嵌有喷嘴块4-6，喷嘴块4-6的中心开设有喷孔，所述喷孔连通下喷嘴座4-3底部向内同轴开设的喷口4-7；所述上压头4-2的外体为细牙螺纹，上压头4-2旋合于耦合体4-1的细牙螺纹内孔中而将压板4-4居中压紧在细牙螺纹内孔底部的座孔上口上，所述压板4-4与上压头4-2底部之间压装有密封圈Ⅰ12，压板4-4与下喷嘴座4-3的座体顶部之间形成液层腔6，耦合体4-1下部圆周均布开设有2个～8个径向入水口4-5连通座孔，对应于各水口4-5的液体进入耦合体4-1与下喷嘴座4-3的座体两者间形成的间隙流道后向上溢流到液层腔6中形成低压稳流液层13；所述上压头4-2内部开设有同轴连通的上部细牙螺纹内孔和下部导向孔，所述细牙螺纹内孔的孔径大于导向孔的孔径，如图2、图3、图4所示。
所述光纤固定转接模块3包括定中头3-1和定中套3-2，所述定中头3-1包括中部大直径的外细牙螺纹段、下部小直径的导向段和上部中直径的外细牙螺纹段，定中头3-1的导向段配合于上压头4-2的导向孔，定中头3-1的外细牙螺纹段旋合于上压头4-2的细牙螺纹内孔，定中头3-1的导向段下端(倒圆)配合于压板4-4的同轴导向孔并伸入进液层腔6；所述定中套3-2底部的内螺纹细牙孔旋合于定中头3-1的外细牙螺纹段上并位于耦合体4-1顶部的上方，定中头3-1和定中套3-2的中央开设有贯通的穿设孔，连接激光器的柔性光纤7通过穿设孔贯穿定中头3-1和定中套3-2后，柔性光纤7的前端置于液层腔6中，调节定中头3-1的中部外细牙螺纹段可以调节下部导向段进入液层腔6的深度即柔性光纤7的前端进入液层腔6的深度，如图3、图4、图5所示。
所述光束耦合传输模块4装夹于机器人8的机械手8-1上(入水口4-5上方的耦合体4-1被夹持在机械手8-1的左、右抓手之间)；所述高压供液单元2输出的无级调压高压水(5MP～50MPa的蒸馏水或去离子水)经各入水口4-5汇集于液层腔6形成低压稳流液层13(0.5mm～2mm)，所述低压稳流液层13的流液水经喷嘴从喷口4-7向下喷出形成稳定的射流水；所述工作台单元设于光束耦合传输模块4的喷口4-7下方，包括三轴联动的工作台9，装夹工件10的固定台板通过水槽11设于工作台9上，水槽11承接的射流冲击水回流高压供液单元2的水箱，如图1、图5所示。
本发明水导激光柔性化微加工系统的加工方法，包括如下工序步骤：
1、将工件10装夹固定在工作台9上。
2、将工作台9运行至合适的加工位置。
3、启动高压供液单元2，高压供液单元2输出的无级调压高压水经过入水口4-5进入液层腔6而形成低压稳流液层13。
4、待低压稳流液层13通过喷嘴块4-6的喷孔和下喷嘴座4-3的喷口4-7射出后形成稳定的水射流，将光纤固定转接块3与光束耦合传输模块4进行安装，开启激光源调节光纤固定转接块3进行水束光纤14的传输实验，在确保柔性光纤7发出的激光束16与水射流耦合成功为水束光纤14后固定光纤固定转接块3的位置。
5、关闭激光源及高压供液单元2，调节机械手8-1位置，确定好机械手8-1夹持光束耦合传输模块4无误后，开启高压供液单元2，待形成的水射流稳定后，再开启激光源，激光束16与水射流在满足全反射条件下形成水束光纤14，水束光纤14经光纤传输耦合单元1喷出后到达工件10的表面。
6、工作台9在电控系统的控制下带动工件10作平面二维运动或空间三维运动，机械手8-1在电控系统的控制下带动光纤传输耦合单元1配合工件10运动，利用水束光纤14导引的激光束完成对工件10的多维柔性化加工。
7、加工过程中形成的熔融物及射流水经过水槽11过滤后回流高压供液单元2中的水箱。
为实现激光束16与水射流在满足全反射条件下形成水束光纤14，相关的技术参数设定如下：
如图5所示，柔性光纤7的纤芯直径dcore范围为30μm～500μm，根据喷嘴直径dnozzle(射流直径，考虑喷嘴缩流，djet≈0.8dnozzle)进行匹配，激光束16的波长可选择532nm或1064nm，优选532nm，脉宽为5ns～50ns，功率10W～100W，频率范围为20kHz～200kHz。
如图5所示，定中头3-1的导向段插入低压稳流液层13中的深度H1可选范围为0.1mm～0.5mm；柔性光纤7前端插入到低压稳流液层13中的深度H2可选范围为0.2mm～0.6mm。
如图5所示，定中头3-1的导向段及柔性光纤7插入低压稳流液层13的深度，需要满足对应的耦合条件进行匹配，要求为：h≤(djet-dcore)/{2tan[arcsin(NA/nw)]}，其中，h为柔性光纤7下端到喷嘴块4-6的喷嘴口距离、djet为水束光纤14的直径、dcore为柔性光纤7的纤芯直径、NA为光纤在空气中的数值孔径、nw为形成水束光纤5的液体的折射率。
喷嘴块4-6(采用不锈钢、工具钢或蓝宝石制作)的喷嘴孔径dnozzle范围为0.05～0.5mm(可根据柔性光纤7纤芯直径、工件10的加工精度及加工效率进行匹配，其中直径越大，加工越快，直径越小，加工精度越高)，喷嘴块4-6的喷孔的入水口尖锐，喷孔段的孔径的长径比小于2，优选1，出口锥度20°～120°，优选60°，以便形成缩流(水射流边界与喷孔内壁分离，可防止烧灼喷嘴)及稳定的水束光纤14；由喷嘴块4-6的喷孔形成的低压高速射流所产生的高动能(动量)能够克服水射流在空气中的表面张力及粘性拖曳阻力，保证形成水束光纤14的稳定。
本发明与现有激光加工技术相比，利用水导激光加工技术，解决了传统激光加工中存在熔渣、热应力、热影响区，废气及需要实时调焦等缺陷。
本发明与现有水导激光技术相比，利用柔性光纤7进行激光束16的传输耦合为水束光纤14比采用光学聚焦镜进行聚焦耦合结构更为简单、紧凑及灵活。
本发明采用柔性光纤7传输耦合进行水导激光技术的实施，并借助机器人8的机械手8-1进行光纤固定转接模块3与光束耦合传输模块4的装夹和固定，配合工作台9而实现工件10的多维度柔性化加工，拓宽了水导激光技术在柔性化微加工方面的应用潜能。

Claims (4)

1.水导激光柔性化微加工系统，包括光纤传输耦合单元(1)、工作台单元和高压供液单元(2)，其特征在于：
所述光纤传输耦合单元(1)包括光纤固定转接模块(3)和光束耦合传输模块(4)，所述光束耦合传输模块(4)包括耦合体(4-1)、上压头(4-2)和下喷嘴座(4-3)，所述上压头(4-2)同轴旋合于耦合体(4-1)上部内的螺纹孔，所述下喷嘴座(4-3)的下部法兰体用圆周均布的螺栓(5)安装于耦合体(4-1)底部，下喷嘴座(4-3)的上部座体同轴配合于耦合体(4-1)下部内的座孔，上压头(4-2)将压板(4-4)封闭在螺纹孔底部的座孔上，所述压板(4-4)与座体顶部之间形成液层腔(6)，于耦合体(4-1)上圆周均布开设有入水口(4-5)连通座孔；所述光纤固定转接模块(3)将柔性光纤(7)的端头通过上压头(4-2)和压板(4-4)定中于液层腔(6)中，与柔性光纤(7)的端头相对于下喷嘴座(4-3)的座体顶部同轴嵌设喷嘴块(4-6)，所述喷嘴块(4-6)上开设的喷孔与座体及法兰体内开设的喷口(4-7)连通，柔性光纤(7)、喷孔和喷口(4-7)三者同轴；
入水口(4-5)上方的耦合体(4-1)夹持在机器人(8)的机械手(8-1)上；
所述高压供液单元(2)输出的无级调压高压水经各入水口(4-5)进入耦合体(4-1)与下喷嘴座(4-3)两者间形成的间隙流道后向上溢流在液层腔(6)中形成低压稳流液层(13)；
所述工作台单元设于喷口(4-7)下方，包括三轴联动的工作台(9)，工件(10)的装夹固定台板通过水槽(11)设于工作台(9)上，水槽(11)承接的射流冲击水回流高压供液单元(11)。
2.根据权利要求1所述的水导激光柔性化微加工系统，其特征在于：所述光纤固定转接模块(3)包括定中头(3-1)和定中套(3-2)，所述定中头(3-1)中部的外螺纹段同轴旋合于上压头(4-2)上部内的螺纹孔，定中头(3-1)下部的导向段同轴配合于上压头(4-2)下部内与螺纹孔连通的导向孔，导向段前端通过压板(4-4)的导向孔进入液层腔(6)，所述定中套(3-2)的内螺纹孔旋合于定中头(3-1)上部的外螺纹段；所述定中头(3-1)和定中套(3-2)上同轴开设有供柔性光纤(7)穿插的穿设孔。
3.根据权利要求1所述的水导激光柔性化微加工系统，其特征在于：所述上压头(4-2)与压板(4-4)之间设有密封圈Ⅰ(12)，所述下喷嘴座(4-3)的法兰体与耦合体(4-1)底部之间设有密封圈Ⅱ(15)。
4.水导激光柔性化微加工方法，其特征在于采用了如权利要求1～3中任意一项所述的水导激光柔性化微加工系统，其工序步骤为：
①、将工件(10)装夹固定在工作台(9)上；
②、将工作台(9)运行至合适的加工位置；
③、启动高压供液单元(2)，高压供液单元(2)输出的无级调压高压水经过各入水口(4-5)进入液层腔(6)而形成低压稳流液层(13)；
④、待低压稳流液层(13)从喷嘴块(4-6)的喷孔射出形成稳定的水射流后，将光纤固定转接模块(3)于光束耦合传输模块(4)上进行安装，开启与柔性光纤(7)连接的激光源，调节光纤固定转接模块(3)直至柔性光纤(7)发出的激光束(16)与水射流耦合成为水束光纤(14)；
⑤、关闭激光源和高压供液单元(2)，将光纤传输耦合单元(1)于机械手(8-1)上夹持后开启高压供液单元(2)，待形成的水束光纤(14)稳定后，再开启激光源，调节机械手(8-1)位置使水束光纤(14)传导到达工件(10)表面；
⑥、工作台(9)在电控系统的控制下带动工件(10)作平面二维运动或空间三维运动，机械手(8)的抓手在电控系统控制下配合工件(10)运动，通过水束光纤(14)导引激光束完成对工件(10)的多维柔性化加工；
⑦、加工过程中形成的熔融物及射流冲击水经水槽(11)过滤后回流高压供液单元(2)。
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