CN111055010B - 一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法，解决传统消光方式存在的寿命短，易污染镜头、特殊区域无法消光、功能不稳定等问题。具体采用一个长度可调节的非球面反射镜对从聚焦模块出射的光束进行二次聚焦并反射，使得光束法向入射至加工表面，确保了激光微纳加工的精度、一致性，具有长寿命、无污染，且可加工任何表面的优点。

Description

一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法。
背景技术
我国航空航天领域存在大量的大幅面曲面构件，需要对其内壁表面进行消光减反，起到消除外界及系统杂散光，提高航空航天系统战术性能指标的重要作用。例如针对天文望远镜遮光罩内壁消光减反及星敏镜头遮光罩消光减反等，遮光罩消光减反决定卫星抗杂散光能力，影响卫星探测精度，是其稳定运行的关键。
此类构件一般具有幅面大、面型特殊(均为不可展开的非球面)、材料多样(不锈钢、钛合金、镍合金、镁铝合金等金属材料)等性能，因此传统采用喷砂、黑漆氧化、黑丝绒布等消光方式，但均存在寿命短，易污染镜头、特殊区域无法消光、功能不稳定等缺陷。
发明内容
为了解决传统消光方式存在的寿命短，易污染镜头、特殊区域无法消光、功能不稳定等问题，本发明提供一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法，采用飞秒激光在大幅面曲面零件内壁加工微纳结构，实现消光减反，具有简易、精度高、效率高等优点。
飞秒激光由于具有柔性、非接触式冷加工的技术优势，成为在材料上进行功能结构制备的最优选择。因此，本发明考虑利用飞秒激光在大幅面曲面零件内壁加工具有消光减反功能微纳结构。因大幅面曲面零件内壁的功能微纳制造存在激光加工头与构件机械干涉、挡光等问题，使得一些特殊位置不能进行加工。所以有关大曲率内壁表面消光减反微纳结构的研究、制备还鲜有报道。
目前国内外在飞秒激光消光减反功能微纳结构的加工方面，还局限于在片面衬底材料上制备，用于研究飞秒激光与材料的相互作用、减反微纳结构的成形成性机理。
本发明针对构件面积、曲率较大、零件口径较小及焦距受限而造成的激光加工头与构件机械干涉，挡光或者激光无法法向入射至加工表面从而无法进行加工或者加工质量下降等问题，设计了一种激光内壁微纳结构加工方法，具体采用一个长度可调节的非球面反射镜对从聚焦模块出射的光束进行二次聚焦并反射，使得光束法向入射至加工表面，确保了激光微纳加工的精度、一致性。
因此，针对上述目的，提出以下技术解决方案提供一种大幅面曲面零件内壁表面消光减反微纳结构加工方法，包括以下步骤：
S1：测量激光加工系统的后工作距离Lf；
S2：工件定位安装；
采用机械加工平台上的卡状夹具对待加工工件进行定位安装，使得待加工工件开口朝向激光加工头；
S3：测量待加工工件内壁直径；
测量待加工工件内壁直径，获得待加工工件内壁的直径变化区间[D0，Dn]；其中D0为待加工工件内壁的最小直径，Dn为待加工工件内壁的最大直径；
S4：以光学系统焦深为单位划分待加工工件区域；
沿待加工工件的轴向方向，在直径变化区间[D0，Dn]内将待加工工件的内壁划分为多个沿轴向排布的环形加工区域；每个环形加工区域最大直径与最小直径的差值为2Δf；其中2Δf为光学系统焦深；
S5：确定非球面反射镜的安装位置；
S51、将长度可调节的非球面反射镜固定在待加工工件内部并置于聚焦模块的出射光路中；聚焦模块的出射光路与待加工工件的中心轴重合；
S52、根据第一待加工环形区域的轴向坐标，确定非球面反射镜在待加工工件轴向的起始位置z1，使得经长度可调节的非球面反射镜反射的光束直接指向第一待加工环形区域最小直径对应的环形区域；
S53：确定非球面反射镜与聚焦模块之间的轴向安装距离L＝Lf-r1，其中r1为第一待加工环形区域的平均直径；记录此时机床的空间位置坐标(x1，y1，z1)；第一待加工环形区域加工的轴向高度为H1；
S6：设定激光加工参数，开启激光进行第一待加工环形区域的实际加工；其中，激光加工参数主要包括：加工参数功率、重频、单脉冲能量、波长，上述参数的具体值根据所要加工材料有关；
加工第一待加工环形区域具体方式为：非球面反射镜先绕360°完成一个环形线的加工，然后由机床带着聚焦模块沿Z轴上升一个聚焦光斑大小的位置，例如如若激光加工的焦斑尺寸为Φ0，则机床带着聚焦模块沿Z轴上升Φ0，此时的机床空间位置坐标由(x1，y1，z1)变为(x1，y1，z1-Φ0)，再绕360°完成一个环形线的加工，由此通过非球面反射镜的旋转以及聚焦模块沿Z轴的升高最终完成第一待加工环形区域H1的加工；
S7：观察机床的空间位置坐标由(x1，y1，z1)变为(x1，y1，z1-H1)时；则表示第一待加工环形区域加工完成，关闭激光；
S8：通过调整非球面反射镜导轨距离，在线将非球面反射镜与聚焦模块轴向安装距离调整为L＝Lf-r2；其中r2为第二待加工环形区域的平均直径；第二待加工环形区域的轴向高度为H2；
S9：设定激光加工参数，开启激光进行第二待加工环形区域的实际加工；
加工过程同步骤S6，机床的空间位置坐标由(x1，y1，z1-H1)变为(x1，y1，z1-H1-H2)时表示第二待加工环形区域加工完成，关闭激光；
S10：通过调整非球面反射镜导轨距离，在线将非球面反射镜与聚焦模块的轴向安装距离调整为L＝Lf-r3；其中r3为第三待加工环形区域的平均直径；第三待加工环形区域的轴向高度为H3；
S11：重复步骤S9-S10的操作，直至完成第n待加工环形区域的加工。
进一步地，第一待加工环形区域至第n待加工环形区域的平均直径依次增大，从上到下依次加工。
本发明的有益效果是：
1、本发明内壁加工方式与传统喷砂、黑漆氧化、黑丝绒布等消光方式相比较，解决了其寿命短，易污染镜头、特殊区域无法消光(如星敏镜头内部挡光环，具有0.2mm的尖角形状位置，普通消光方式无法进行处理，从而造成星敏镜头中有亮环)、功能不稳定等缺陷，具有长寿命、无污染，且可加工任何表面的优点。
2、本发明内壁加工方式与普通激光从待加工工件上方斜入射加工方式相比较，解决了激光加工头与构件机械干涉，挡光或者激光无法法向入射至加工表面从而无法进行加工或者加工质量下降等问题。
3、本发明可以通过调整非球面反射镜安装距离L，实现不同内壁口径尺寸零件的内壁加工。
附图说明
图1为本发明加工方法流程图；
图2为现有技术中加工曲面构件的示意图；
图3为本发明加工曲面构件的示意图。
1-聚焦模块，2-非球面反射镜，3-特殊位置；
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
传统利用激光加工曲面构件内壁的方法，如图2，一般是从待加工工件上方斜入射加工，因曲面构件口径较小，因此存在激光加工头与构件机械干涉，挡光或者激光无法法向入射至加工表面等一系列问题，使得一些特殊位置3不能进行加工。本发明采用飞秒激光在大幅面曲面零件内壁加工微纳结构，具体采用一个长度可调节的非球面反射镜对从聚焦模块出射的光束进行二次聚焦并反射，使得光束法向入射至加工表面，确保了激光微纳加工的精度、一致性。与传统激光加工方式相比较，能够实现所有位置的加工，且加工过程简易、精度高、效率高。
结合图1及图3，对本发明加工方法进行详细说明：
步骤1：测量激光加工系统的后工作距离Lf。
步骤2：工件定位安装；
采用机械加工平台上的卡状夹具对待加工工件进行定位安装，使得待加工工件开口朝向激光加工头。
步骤3：测量待加工工件内壁直径；
测量待加工工件内壁直径，获得待加工工件内壁的直径变化区间[D0，Dn]；其中D0为待加工工件内壁的最小直径，Dn为待加工工件内壁的最大直径。
步骤4：以光学系统焦深为单位划分待加工工件区域；
沿待加工工件的轴向方向，将待加工工件的内壁划分为多个沿轴向排布的环形加工区域，每个环形加工区域最大直径与最小直径的差值为2Δf，如图3，轴向高度为Hn的环形加工区域，最大直径与最小直径的差值为2Δf；其中2Δf为光学系统焦深；其中环形加工区域的个数需要根据测量的[D0，Dn]以及焦深计算。
步骤5：确定非球面反射镜的安装位置；
步骤51、将长度可调节的非球面反射镜固定在待加工工件内部并置于聚焦模块的出射光路中；聚焦模块的出射光路与待加工工件的中心轴重合。
步骤52、根据第一待加工环形区域的轴向坐标，确定非球面反射镜在待加工工件轴向的起始位置z1，使得经长度可调节的非球面反射镜反射的光束直接指向第一待加工环形区域最小直径对应的环形区域；本实施例中，如图3，第一待加工环形区域为位于待加工工件最上端的环形加工区域；第一待加工环形区域最小直径对应的环形区域即图中第一待加工环形区域的最上端。
步骤53：确定非球面反射镜与聚焦模块之间的轴向安装距离L＝Lf-r1，其中r1为第一待加工环形区域的平均直径；记录此时机床的空间位置坐标(x1，y1，z1)；第一待加工环形区域的轴向高度为H1。
步骤6：加工第一待加工环形区域；
设定激光加工参数，开启激光进行第一待加工环形区域的实际加工。
其中，激光加工参数主要包括：加工参数功率、重频、单脉冲能量、波长，上述参数的具体值根据所要加工材料有关；
加工第一待加工环形区域具体方式为：非球面反射镜2先绕360°完成一个环形线的加工，然后由机床带着聚焦模块1沿Z轴上升一个聚焦光斑大小的位置，例如如若激光加工的焦斑尺寸为Φ0，则机床带着聚焦模块1沿Z轴上升Φ0，此时的机床空间位置坐标由(x1，y1，z1)变为(x1，y1，z1-Φ0)，再绕360°完成一个环形线的加工，由此通过非球面反射镜2的旋转以及聚焦模块1沿Z轴的升高最终完成第一待加工环形区域H1的加工；
步骤7：第一待加工环形区域加工完成后，机床的空间位置坐标由(x1，y1，z1)变为(x1，y1，z1-H1)；因此，当机床的空间位置坐标由(x1，y1，z1)变为(x1，y1，z1-H1)时，认为第一待加工环形区域已加工完成，进入步骤8。
步骤8：通过调整非球面反射镜电动导轨距离，在线将非球面反射镜与聚焦模块轴向安装距离调整为L＝Lf-r2；其中r2为第二待加工环形区域的平均直径；第二待加工环形区域的轴向高度为H2。
步骤9：设定激光加工参数，开启激光进行第二待加工环形区域的实际加工；第二待加工环形区域加工完成后，机床的空间位置坐标由(x1，y1，z1-H1)变为(x1，y1，z1-H1-H2)。
步骤10：通过调整电动导轨/气动导轨距离，在线将非球面反射镜与聚焦模块的轴向安装距离调整为L＝Lf-r3；其中r3为第三待加工环形区域的平均直径；第三待加工环形区域的轴向高度为H3。
步骤11：重复步骤8-步骤10的操作，直至完成第n待加工环形区域的加工。

Claims (2)

1.一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：测量激光加工系统的后工作距离Lf；
S2：工件定位安装；
采用机械加工平台上的卡状夹具对待加工工件进行定位安装，使得待加工工件开口朝向激光加工头；
S3：测量待加工工件内壁直径；
测量待加工工件内壁直径，获得待加工工件内壁的直径变化区间[D0，Dn]；其中D0为待加工工件内壁的最小直径，Dn为待加工工件内壁的最大直径；
S4：以光学系统焦深为单位划分待加工工件区域；
沿待加工工件的轴向方向，在直径变化区间[D0，Dn]内将待加工工件的内壁划分为多个沿轴向排布的环形加工区域；每个环形加工区域最大直径与最小直径的差值为2Δf；其中2Δf为光学系统焦深；
S5：确定非球面反射镜的安装位置；
S51、将长度可调节的非球面反射镜固定在待加工工件内部并置于聚焦模块的出射光路中；聚焦模块的出射光路与待加工工件的中心轴重合；
S52、根据第一待加工环形区域的轴向坐标，确定非球面反射镜在待加工工件轴向的起始位置z1，使得经长度可调节的非球面反射镜反射的光束直接指向第一待加工环形区域最小直径对应的环形区域；
S53：确定非球面反射镜与聚焦模块之间的轴向安装距离L＝Lf-r1，其中r1为第一待加工环形区域的平均直径；记录此时机床的空间位置坐标(x1，y1，z1)；第一待加工环形区域的轴向高度为H1；
S6：加工第一待加工环形区域；
设定激光加工参数，开启激光进行第一待加工环形区域的实际加工；
S7：第一待加工环形区域加工完成后，机床的空间位置坐标由(x1，y1，z1)变为(x1，y1，z1-H1)；
S8：通过调整非球面反射镜导轨距离，在线将非球面反射镜与聚焦模块轴向安装距离调整为L＝Lf-r2；其中r2为第二待加工环形区域的平均直径；第二待加工环形区域的轴向高度为H2；
S9：设定激光加工参数，开启激光进行第二待加工环形区域的实际加工；第二待加工环形区域加工完成后，机床的空间位置坐标由(x1，y1，z1-H1)变为(x1，y1，z1-H1-H2)；
S10：通过调整非球面反射镜导轨距离，在线将非球面反射镜与聚焦模块的轴向安装距离调整为L＝Lf-r3；其中r3为第三待加工环形区域的平均直径；第三待加工环形区域的轴向高度为H3；
S11：重复步骤S9-S10的操作，直至完成第n待加工环形区域的加工。
2.根据权利要求1所述的一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法，其特征在于：第一待加工环形区域至第n待加工环形区域的平均直径依次增大。
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