CN111195783A - 复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备和方法 - Google Patents

复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备和方法 Download PDF

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Abstract

一种复合材料厚板超快激光‑水射流辅助机械耦合打群孔加工装备，包括喷射切割头和激光探头，喷射切割头和激光探头安装在耦合装置上，耦合装置安装在调整装置上；调整装置连接有水射流辅助机械切削系统以及光学系统，水射流辅助机械切削系统连接有CNC数控加工中心，CNC数控加工中心连接工控机，光学系统连接工控机；工控机还连接有光谱仪，光谱仪连接有全息照相机，全系照相机实时摄取被加工处孔洞的光学信息；本装备还包括脉冲发生器，脉冲发生器发出应力波进入加工处孔洞内部以检测打孔情况，所示全息照相机上还安装有应力波传感器，工控机内安装有接收应力波传感器信号的检波器。本发明还包括一种利用上述装备进行打孔的方法。

Description

复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装 备和方法
技术领域
本发明涉及超快激光加工技术领域，具体涉及一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备和方法。
背景技术
复合材料厚板具有强度高、重量轻的特点,在航空航天工业中得到广泛应用。但是,由于复合材料厚板的硬度高、耐磨性好和组织结构的不均匀性，在切削中使切削力增大,刀具容易磨损。用磨损后的刀具切削时，工件容易产生分层，表面划伤以及进出口处产生大量毛刺等问题，无法根据加工材料来确定合理的切削用量，给切削加工带来极大的困难。目前，高强度复合材料钻孔是工业领域，尤其是航空航天工业领域面临的最具挑战性课题之一。以往，钻削复合材料厚板时会出现破裂、分层、烧伤、表面质量差以及同轴度不佳的问题。由于同等刚度前提下,复合材料厚板一般比钢板厚度大得多,在复合材料层合板中,结构失效的主要形式之一是层间局部脱层，但是激光加工具有无刀具磨损，不与工件接触以及加工精度高等特点，因此能克服上述缺点。聚光直径达00.020—0.25mm的激光头可在复合材料制成的薄壁零件上钻孔及切割外形,如加工参数选择合理,亦能切割加工0.025mm厚的薄壁零件。采用传统的激光钻(蚀)孔，由于激光脉冲宽，激光脉冲冲击时持续时间长，其激光脉冲宽度大多数都在纳(10-9)秒级，远大于热扩散或传导所需要的时间，因此会造成对周围区域进行热扩散和热传导必然会形成“热影响区”，其厚度可从几十微米到几百微米，而在这个“热影响区”厚度及其周围区域的界面处能形成热损伤或破坏(如熔化、变形、起皱粗糙、裂缝或分层等)，为了消除这些缺陷和问题，往往要采用后续处理(如研磨、微蚀刻、清洗等措施)才行，否则会带来产品质量、使用寿命问题而带来加工孔的热损伤而形成的缺陷和质量(可靠性)问题。但是，当强大的激光脉冲冲击的时间短到几百飞秒或更短的激光脉冲冲击时、或每秒内多于100万次激光脉冲时，由于碰撞(冲击)时间极短并极快地去除所碰撞材料外，几乎来不及或不可能进行热扩散和热传导的发生，或者说，物质的热扩散或热传导是需要一定时间(一般在皮秒级以内)的，只有当激光脉冲的冲击时间短于所加工材料要求的热扩散时间或热传导时间的情况下，当然就可以避免产生和存在“热影响区”的热破坏问题。超快激光脉冲作用时间短，具有非常高的瞬时功率，能使不同形态的物质瞬间变成等离子体，作用在物质上会产生非常奇特的现象，而且其具有热效应小、加工精度高的优点。另外，对于复合材料厚板粗加工而言，相对于机械加工采用超快激光加工的时间过长。为了提高超快激光在高比强度复合材料厚板打孔加工过程中的加工效率，本文提出一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械切削耦合打群孔方法，可以大大提高复合材料厚板加工效率以及加工精度并且可以避免产生和存在“热影响区”的热破坏问题。
因此，提出一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械切削耦合打群孔方法，是本领域急需解决的重大难题。
发明内容
为了高强度复合材料厚板的打孔速率，以及在打孔的过程中避免热损伤而形成的缺陷和质量(可靠性)问题，同时为了实时监测高强度复合材料的材质强度和在打孔的过程中出现的微裂纹与深度之间的耦合，本发明提出了一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备，包括喷射切割头和激光探头，所述喷射切割头和激光探头安装在耦合装置上，所述耦合装置安装在调整装置上；所述调整装置连接有水射流辅助机械切削系统以及光学系统，所述水射流辅助机械切削系统连接有CNC数控加工中心，所述CNC数控加工中心连接工控机，所述光学系统连接有超快激光器，所述超快激光器连接工控机；
所述工控机还连接有光谱仪，所述光谱仪连接有全息照相机，所述全系照相机实时摄取被加工处孔洞的光学信息；
本装备还包括脉冲发生器，所述脉冲发生器发出应力波进入加工处孔洞内部以检测打孔情况，所示全息照相机上还安装有应力波传感器，所述工控机内安装有接收应力波传感器信号的检波器。
进一步地，所述光学系统包括超快激光器、超快激光加工装置、自动调焦对焦装置、超快激光光路装置，超快激光器产生的激光经过超快激光加工装置处理后由自动调焦对焦装置对焦然后通过超快激光光路装置传送至激光头射出，其中所述超快激光器连接工控机。
进一步地，所述水射流辅助机械切削系统包括水射流增压器、控制器、喷嘴、液压泵，控制器控制液压泵产生水射流通过水射流增压器由喷嘴喷出。
本发明还包括利用上述装备进行打孔的方法，包括如下步骤：
步骤一，将复合材料板置于工件台上并装夹好，通过超快激光器的激光探头测量和找准所要打孔部位；
步骤二，获取复合材料厚板的导电材质、绝缘材质、屈服强度，硬度等力学参数以优化超快激光打孔工艺参数，并将优化的工艺参数存储在工控机中；
步骤三，通过工控机发出指令，超快激光器发射出激光，经过光学系统反射传递，通过调整装置穿过耦合装置上设置的光学玻璃窗口传递到激光探头形成激光束作用在复合材料厚板上；
步骤四，针对步骤二的相关参数参考，通过工控机设置针对复合材料厚板的超快激光与水射流辅助机械打孔相关工艺参数并发出指令，经CNC数控加工中心处理，将信号传递给水射流辅助机械切削系统，然后通过调整装置将切削信号和指令传递给耦合装置进而传递给喷射切割头，最后通过喷射切割头对复合材料厚板进行切削加工；
步骤五，在切割的过程中将脉冲发生器放置在要检测并要打孔的复合材料孔洞区域附近,在要检测并要打孔的复合材料厚板的孔洞区域附近装上全息照相机,通过全息照相机摄取复合材料厚板孔洞的光学信息；
检测时,脉冲发生器发出一种应力波进入检测部位通过在复合材料空洞周围的分层及微裂纹缺陷等不连续变化区域内产生折射、漫散射等一系列变化后的波动信号被附带在全息照相机上的应力波传感器所接收并将波动信号传送至工控机并由工控机内所安装的检波器处理，可以实时检测复合材料空洞周围的分层情况；
步骤六，在加工的过程中，当工控机接收到由检波器处理后的波动信号和由光谱仪处理后的光学信号及全息图时，通过判断复合材料厚板加工孔洞的精度要求和复合材料厚板当下层的力学性能来实时调整工控机传送给超快激光器和CNC数控加工中心的加工工艺参数，利用工控机优化工艺参数，从而决定超快激光器和CNC数控加工中心是否停止加工或是使用优化后工艺参数继续对复合材料板继续进行加工打孔，从而通过超快激光和水射流辅助机械切削相互耦合打孔的方式直至打孔至复合材料厚板得到理想深度以及优良力学性能的孔洞。
本发明有益效果：
本发明是一种能够对复合材料厚板打孔实现效率快、精度高并进行原位检测的精密激光加工的装备和方面。
具有下列优点：①提高复合材料厚板的打孔效率与打孔精度；②可对所加工复合材料厚板孔洞的深度和强度以及周边裂纹进行原位检测；③避免产生和存在“热影响区”的热破坏问题。
附图说明
图1为本发明装备整体结构示意图；
图中：1-工控机，2-CNC数控加工中心,3-超快激光器，4-水射流辅助机械切削系统，5-光学系统，6-调整装置，7-耦合装置，8—喷射切割头，9—激光探头，10-脉冲发生器，11-全息照相机，12-复合材料厚板，13-光谱仪。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步地说明。
如图1，一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备，包括喷射切割头和激光探头，所述喷射切割头和激光探头安装在耦合装置上，所述耦合装置安装在调整装置上；所述调整装置连接有水射流辅助机械切削系统以及光学系统。所述水射流辅助机械切削系统包括水射流增压器、控制器、喷嘴、液压泵，控制器控制液压泵产生水射流通过水射流增压器由喷嘴喷出。所述水射流辅助机械切削系统连接有CNC数控加工中心，所述CNC数控加工中心连接工控机。所述光学系统包括超快激光器、超快激光加工装置、自动调焦对焦装置、超快激光光路装置，超快激光器产生的激光经过超快激光加工装置处理后由自动调焦对焦装置对焦然后通过超快激光光路装置传送至激光头射出，其中所述超快激光器连接工控机；
所述工控机还连接有光谱仪，所述光谱仪连接有全息照相机，所述全系照相机实时摄取被加工处孔洞的光学信息。所述工控机用于接收、处理、反馈等各种加工信息。所述超快激光器产生和发射飞秒-皮秒-纳秒激光。
本装备还包括脉冲发生器，所述脉冲发生器发出应力波进入加工处孔洞内部以检测打孔情况，所示全息照相机上还安装有应力波传感器所述工控机内安装有接收应力波传感器信号的检波器。
本发明还包括利用上述装备进行打孔的方法，包括如下步骤：
步骤一，将复合材料板置于工件台上并装夹好，通过超快激光器的激光探头测量和找准所要打孔部位；
步骤二，获取复合材料厚板的导电材质、绝缘材质、屈服强度，硬度等力学参数以优化超快激光打孔工艺参数，并将优化的工艺参数存储在工控机中；
步骤三，通过工控机发出指令，超快激光器发射出激光，经过光学系统反射传递，通过调整装置穿过耦合装置上设置的光学玻璃窗口传递到激光探头形成激光束作用在复合材料厚板上；
步骤四，针对步骤二的相关参数参考，通过工控机设置针对复合材料厚板的超快激光与水射流辅助机械打孔相关工艺参数并发出指令，经CNC数控加工中心处理，将信号传递给水射流辅助机械切削系统，然后通过调整装置将切削信号和指令传递耦合装置进而传递给喷射切割头，最后通过喷射切割头对复合材料厚板进行切削加工；
步骤五，在切割的过程中将脉冲发生器放置在要检测并要打孔的复合材料孔洞区域附近,在要检测并要打孔的复合材料厚板的孔洞区域附近装上全息照相机,通过全息照相机摄取复合材料厚板孔洞的光学信息；
同时,脉冲发生器发出一种应力波进入检测部位通过在复合材料空洞周围的分层及微裂纹缺陷等不连续变化区域内产生折射、漫散射等一系列变化后的波动信号被附带在全息照相机上的应力波传感器所接收并将波动信号传送至工控机，并由其内部设置的检波器对波动信号进行处理可以实时检测复合材料空洞周围的分层情况；
将全息照相机所拍摄到的光学信号通过光谱仪处理,并传送到工控机中得到复合材料厚板孔洞的条纹花样，从而实时检测和分析复合材料厚板孔洞不同深度处的条纹花样与微裂纹情况。
步骤七，在加工的过程中，超快激光器发出的激光经过光学系统的一系列整形后辐照到复合材料板的表面，利用该层对应的工艺参数传输至工控机，在打孔的过程中，全息照相机所拍摄到的光学信号通过光谱仪处理,并传送到工控机中得到复合材料厚板孔洞的条纹花样，从而实时检测和分析复合材料厚板孔洞不同深度处的条纹花样，并获得清晰的复合材料空洞裂纹的动态全息图找出缺陷，同时借助应力波传感器将应力波对于空洞周围的缺陷区域的波动信号传送至工控机进行分析和处理，当工控机接收到由检波器处理后的波动信号和由光谱仪处理后的光学信号及全息图时，通过判断复合材料厚板加工孔洞的精度要求和复合材料厚板当下层的力学性能来实时调整工控机传送给超快激光器和CNC数控加工中心的加工工艺参数，利用工控机优化后的工艺参数从而决定超快激光器和CNC数控加工中心是否停止加工或是使用优化后额工艺参数继续对复合材料板继续进行加工打孔，从而通过超快激光和水射流辅助机械切削相互耦合打孔的方式直至打孔至复合材料厚板得到理想深度以及优良力学性能的孔洞。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备，其特征在于：包括喷射切割头和激光探头，所述喷射切割头和激光探头安装在耦合装置上，所述耦合装置安装在调整装置上；所述调整装置连接有水射流辅助机械切削系统以及光学系统，所述水射流辅助机械切削系统连接有CNC数控加工中心，所述CNC数控加工中心连接工控机，所述光学系统连接工控机；
所述工控机还连接有光谱仪，所述光谱仪连接有全息照相机，所述全系照相机实时摄取被加工处孔洞的光学信息；
本装备还包括脉冲发生器，所述脉冲发生器发出应力波进入加工处孔洞内部以检测打孔情况，所示全息照相机上还安装有应力波传感器，所述工控机内安装有接收应力波传感器信号的检波器。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备，其特征在于：所述光学系统包括超快激光器、超快激光加工装置、自动调焦对焦装置、超快激光光路装置，超快激光器产生的激光经过超快激光加工装置处理后由自动调焦对焦装置对焦然后通过超快激光光路装置传送至激光头射出，其中所述超快激光器连接工控机。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备，其特征在于：所述水射流辅助机械切削系统包括水射流增压器、控制器、喷嘴、液压泵，控制器控制液压泵产生水射流通过水射流增压器由喷嘴喷出。
4.一种利用权利要求1、2或3所述的复合材料厚板超快激光-水射流辅助机械耦合打群孔加工装备进行打孔的方法，包括如下步骤：
步骤一，将复合材料板置于工件台上并装夹好，通过超快激光器的激光探头测量和找准所要打孔部位；
步骤二，获取复合材料厚板的导电材质、绝缘材质、屈服强度，硬度等力学参数以优化超快激光打孔工艺参数，并将优化的工艺参数存储在工控机中；
步骤三，通过工控机发出指令，超快激光器发射出激光，经过光学系统反射传递，通过调整装置穿过耦合装置上设置的光学玻璃窗口传递到激光探头形成激光束作用在复合材料厚板上；
步骤四，针对步骤二的相关参数参考，通过工控机设置针对复合材料厚板的超快激光与水射流辅助机械打孔相关工艺参数并发出指令，经CNC数控加工中心处理，将信号传递给水射流辅助机械切削系统，然后通过调整装置将切削信号和指令传递给耦合装置进而传递给喷射切割头，最后通过喷射切割头对复合材料厚板进行切削加工；
步骤五，在切割的过程中将脉冲发生器放置在要检测并要打孔的复合材料孔洞区域附近,在要检测并要打孔的复合材料厚板的孔洞区域附近装上全息照相机,通过全息照相机摄取复合材料厚板孔洞的光学信息；
检测时,脉冲发生器发出一种应力波进入检测部位通过在复合材料空洞周围的分层及微裂纹缺陷等不连续变化区域内产生折射、漫散射等一系列变化后的波动信号被附带在全息照相机上的应力波传感器所接收并将波动信号传送至工控机并由工控机内所安装的检波器处理，可以实时检测复合材料空洞周围的分层情况；
步骤六，在加工的过程中，当工控机接收到由检波器处理后的波动信号和由光谱仪处理后的光学信号及全息图时，通过判断复合材料厚板加工孔洞的精度要求和复合材料厚板当下层的力学性能来实时调整工控机传送给超快激光器和CNC数控加工中心的加工工艺参数，利用工控机优化工艺参数，从而决定超快激光器和CNC数控加工中心是否停止加工或是使用优化后工艺参数继续对复合材料板继续进行加工打孔，从而通过超快激光和水射流辅助机械切削相互耦合打孔的方式直至打孔至复合材料厚板得到理想深度以及优良力学性能的孔洞。
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