CN111633288B - 一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法，属于特种加工中激光加工与电火花加工复合技术领域，包括：磁场调控单元、皮秒激光诱导等离子体单元和电火花加工单元；磁场调控单元用于在通电后利用磁场调控等离子体羽流与等离子通道外形膨胀与收缩；皮秒激光诱导等离子体单元中皮秒激光器发出的激光经过可调光路转换组件后入射到待加工材料表面诱导产生等离子体；电火花加工单元中通过工作平台用于实现待加工材料沿X轴、Y轴、Z轴平移运动，工作电极在电机驱动下沿Z轴平移和旋转运动，并调节电极间隙，在电极间隙间施加电压触发电火花放电，对待加工材料进行加工。本发明可实现高效低损伤微细加工。

Description

一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法

技术领域

本发明属于特种加工中激光加工与电火花加工复合技术领域，更具体地，涉及一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法。

背景技术

高性能陶瓷材料的精密高效加工是目前国际上竞争最激烈的先进制造领域之一，氧化锆型陶瓷作为一类以纯氧化锆为主要成分的先进功能陶瓷，其具有高熔点、低导热率、低热膨胀系数、耐腐蚀、化学惰性、良好机械强度等特点，在军民领域拥有广阔应用前景。但常温下氧化锆型陶瓷硬度高、脆性大、不导电，因此难以用传统方法加工出航发叶片气膜孔出口、智能终端盖板微孔等复杂三维微结构。

电火花加工是一种非接触式加工方式，在工作电极和导电材料的微小间隙之间施加电压，形成超高电场强度，从而诱导等离子体，通过具有高温等离子体的电-热机制熔化和汽化材料表面。它的工作原理决定了电火花加工不受材料硬度限制，正好避开了陶瓷的脆性缺陷，但其对材料的导电性却提出了一定的要求。氧化锆型陶瓷虽然在常温下不导电，但当温度超过600℃时便具有导电性，随着温度升高，导电性增加，达到1000℃时为良导体，因此，通过采取合适的辅助方法对氧化锆陶瓷进行一定预处理使其达到导电临界温度后，便有利于电火花加工方法的实现。常见的是利用辅助导电电极或在陶瓷材料内部掺杂适量导电相的方式来实现电火花加工，但还存在许多挑战，包括涂层材料和涂层厚度的选择、导电材料有效性等都存在一定局限性。

因此，亟待开发一种更具针对性、通用性的方法，辅助电火花高效加工氧化锆型陶瓷，并解决电火花加工精度易受电极损耗影响、效率低等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法，由此解决现有技术存在电火花加工精度易受电极损耗影响、效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种皮秒激光辅助电火花加工装置，包括：磁场调控单元、皮秒激光诱导等离子体单元和电火花加工单元；

所述磁场调控单元包括多对电磁铁，用于在通电后利用磁场调控等离子体羽流与等离子通道外形膨胀与收缩，使得电火花放电点均匀分布；

所述皮秒激光诱导等离子体单元包括皮秒激光器和可调光路转换组件，皮秒激光器发出的激光经过可调光路转换组件后入射到待加工材料表面诱导产生等离子体；

所述电火花加工单元包括工作平台和工作电极，多对电磁铁均匀分布于工作平台上方，所述工作平台用于实现待加工材料沿X轴、Y轴、z轴平移运动，工作电极用于在电机驱动下沿z轴平移和旋转运动，并调节电极间隙，在电极间隙间施加电压触发电火花放电，对待加工材料进行加工。

进一步地，待加工材料为氧化锆型陶瓷、钛合金或者铝基碳化硅。

进一步地，磁场调控单元还包括直流电源双极性转换器和直流励磁电源，直流电源双极性转换器和直流励磁电源均位于工作平台外部的机箱内，通过电缆与多对电磁铁连接；

所述直流电源双极性转换器用于接收正值或负值信号后控制电磁铁中线圈的电流方向，从而改变电磁铁极性；所述直流励磁电源用于通过调节电流大小，从而改变磁场强度；所述多对电磁铁在极性和磁场强度改变时组合形成单向或互斥磁场，在单向磁场作用下等离子体膨胀，在互斥磁场作用下等离子体收缩。

进一步地，可调光路转换组件包括初始反射镜、扩束器、末端反射镜和聚焦棱镜，皮秒激光器发出的激光经过初始反射镜进入扩束器中进行扩大半径，扩大半径的激光抵达末端反射镜后，通过聚焦棱镜从斜上方入射至待加工材料表面，通过控制末端反射镜的角度和聚焦棱镜的方位进而控制激光的入射方向与工作电极的垂直方向形成的角度。

进一步地，所述电火花加工单元还包括流域控制模块，所述流域控制模块包括：射流泵、排放软管和喷嘴，喷嘴位于射流泵下部，

所述射流泵用于通过喷嘴将电介质排放至工作平台上方存放待加工材料的器皿中，排放软管用于将电介质排出以实现电介质的循环，通过调整喷嘴方向和射流泵的内部流道大小，控制射流泵的喷射方向和压强。电介质可采用去离子水、电火花油以及其他电介质，以保证工件成品要求的加工质量和性能。

进一步地，装置还包括多时间尺度加工过程监控单元，所述多时间尺度加工过程监控单元包括ICCD高速相机、纹影系统、触发快门开启模块，触发快门开启模块用于控制ICCD高速相机快门拍摄时刻，纹影系统用于将等离子体能量密度梯度变化转变为平面相对光强变化，使ICCD高速相机拍摄到等离子体能量密度变化图像，实现多时间尺度观测加工的每个发展过程。

进一步地，触发快门开启模块，用于控制ICCD高速相机快门拍摄时刻，实现皮秒-纳秒、纳秒-微秒和微秒-毫秒尺度观测。

进一步地，本发明的等离子体演化过程包含两个方面，激光诱导等离子体与电火花等离子体演化过程，单脉冲激光诱导等离子体存在大约几十皮秒，连续脉冲观测时间跨度一般在十纳秒以内，电火花等离子体在五十纳秒内迅速形成，而后几百纳秒内等离子体都相对稳定，无明显变化，而电火花等离子体演化过程整体时间是微秒级别。所述多时间尺度加工过程监控单元，针对每个过程发展时间存在差异的现象，准确观测等离子体演化过程，ICCD高速相机与非介入式成像纹影系统的柔性配置方便用于多时间尺度观测“磁场-皮秒激光-电火花”复合微细加工过程，清楚追踪等离子体时空演变与待加工材料去除特征，而触发快门开启模块是多时间尺度观测单元最重要的部分，对快门的控制分为两条支路，其中一条支路包括延迟元件和增强模块，激光器发出脉冲激光时，同一时刻向延迟元件发送触发脉冲信号，继而向增强模块传送延迟脉冲，用于实现相机快门拍摄时刻的控制，皮秒-纳秒尺度观测等离子体从产生到衰减过程中的外形与能量分布变化，有助于定性和定量描述磁场-光场-电场耦合作用下激光诱导等离子体时空演化过程。另一条支路包括一个闭口式开环电流传感器和一台示波器、触发快门开启模块，电流传感器用于检测微细电火花作用时回路中的电流，同时触发示波器动作，示波器通过触发快门开启模块迅速向ICCD高速相机发送触发信号，控制相机快门开启与闭合，用于实现纳秒-微秒尺度观测电火花等离子通道从形成到稳定并消散的整个演化过程，以利于定性和定量描述多物理场作用下等离子通道演化过程。

进一步地，针对本发明待加工材料去除过程时间尺度，调整多时间尺度观测单元中两条支路的脉冲触发快门开启策略，改变拍摄间隔时刻，实现微秒-毫秒尺度观测待加工材料熔化、汽化过程、重铸层形成过程以及气泡产生-生长-破裂和等离子体崩塌带来的液体介质回涌导致材料去除的全过程，并且捕捉待加工在流体中运动轨迹和微结构形成过程，用于定性和定量描述磁场-光场-电场耦合作用下的待加工材料去除过程。

进一步地，装置还包括温度监测模块，所述温度监测模块包括红外成像仪和温度传感器，所述红外成像仪用于实时监测与反馈等离子体的温度分布，所述温度传感器用于实时监测与反馈待加工材料的温度分布。

进一步地，装置还包括PC机、高速采集卡和控制箱，

所述PC机一端与ICCD高速相机连接，另一端与红外成像仪连接，用于接收ICCD高速相机拍摄的等离子体能量密度变化图像和红外成像仪反馈的等离子体的温度分布，以此判断加工状态；

高速采集卡一端与PC机连接，另一端与控制箱连接，用于PC机与控制箱之间的数据传输；

所述控制箱内置磁场参数控制器、皮秒激光参数控制器和电火花参数控制器，用于根据PC机判断的加工状态，选择最佳磁场参数、最佳皮秒激光参数与最佳电火花参数，调节激光脉冲与电火花放电的时间间隔，获得最佳电火花放电时刻。

按照本发明的另一方面，提供了一种皮秒激光辅助电火花加工方法，其特征在于，所述方法使用一种皮秒激光辅助电火花加工装置对待加工材料进行加工，包括如下步骤：

皮秒激光器发出激光经过可调光路转换组件传输和聚焦，最后相对工作电极以倾斜角度入射到待加工材料表面，引起光学击穿形成等离子体，等离子体进一步吸收入射激光的辐射能膨胀，并持续向加工区域进行热量传递，当待加工材料的温度超过其导电阈值温度时，待加工材料则满足电极特性，在电极间隙间施加电压进而触发电火花放电，提高加工的形位精度和加工效率，磁场调控单元在通电后利用磁场调控等离子体羽流与等离子通道外形膨胀与收缩，使得电火花放电点均匀分布，实现三维微观结构制造。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明装置将磁场调控单元、皮秒激光诱导等离子体加工单元、电火花加工单元有机复合在一起，解决微细电火花加工技术中，难以加工常温不导电氧化锆型陶瓷材料、加工精度和加工效率不够高的问题，有利于将氧化锆型陶瓷推广至高精密制造领域，并应用到更广泛的材料加工中，本发明方法对于常温下不导电但高温下具有导电性的材料均有效，例如氧化锆型陶瓷、钛合金和铝基碳化硅。

(2)本发明激光器产生的皮秒激光束经过可调光路转换组件，传输激光束并聚焦到加工区域，入射方向与电极垂直方向成一定角度，角度可调，可以使激光聚焦在工件不同位置，大功率皮秒激光诱导液体介质或待加工材料产生等离子体触发电火花放电加工，综合了皮秒激光加工高精度和高效率、微细电火花加工高稳定性的优势，同时解决了待加工材料因常温下不导电而无法直接采用电火花加工的问题。

(3)本发明在皮秒激光加工和微细电火花加工的复合工艺过程中，引入磁场方便调控等离子体羽流和等离子通道的外形与能量密度分布，使等离子体膨胀或收缩，提高加工效率，有利于加工形态复杂的三维结构。

(4)本发明ICCD高速相机与非介入式光学成像纹影系统的柔性配置能够捕捉到微弱等离子体能量，所拍摄到的高分辨率图像能更真实反映等离子体羽流与等离子通道能量分布，配合触发快门开启模块，利用脉冲触发机制可以实现多时间尺度监控复合加工过程中的等离子体能量分布与外形演变以及待加工材料在浸液环境下的去除过程。

(5)本发明红外成像仪与无线式温度传感器相互配合，可准确监测工件的温度分布，以保证待加工材料复合加工过程的正常进行，确定加工区域激光脉冲和电脉冲的作用时刻。

(6)本发明将调控磁场、激光、电火花参数的控制箱与高速采集卡连接在一起，结合PC机端口从ICCD高速相机接收到的图像数据，可用于识别和评估加工状态，反馈调节多物理场工艺参数，优化复合加工工艺，提高加工性能和质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种皮秒激光辅助电火花加工装置结构图；

图2为本发明实施例提供的工作平台布控图；

图3为本发明实施例提供的电火花加工单元和流域控制模块的正视图；

图4为本发明实施例提供的电火花加工单元和流域控制模块的三维图；

图5为本发明实施例提供的磁场调控机理示意图；

图6为本发明实施例提供的电磁铁布控俯视图；

图7为本发明实施例提供的一种视角的电磁铁三维图；

图8为本发明实施例提供的另一种视角的电磁铁三维图；

图9为本发明实施例提供的高分辨率观测及相机快门控制流程示意图；

图10为本发明实施例提供的完全捕捉等离子体时间控制原理图；

图11为本发明实施例提供的可调光路转换组件示意图；

图12为本发明实施例提供的多物理场工艺参数控制结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为待加工材料、2为透明高温玻璃器皿、3为电磁铁、4为工作平台、5为皮秒激光器、6为初始反射镜、7为扩束器、8为末端反射镜、9为聚焦棱镜、10为工作电极、11为电极夹具、12为红外成像仪、13为温度传感器、14为PC机、15为闭口式开环电流传感器、16为示波器、17为触发快门开启模块、18为ICCD高速相机、19为高速采集卡、20为控制箱、21为直流电源双极性转换器、22为直流励磁电源、23为纹影系统、24为延迟元件、25为增强模块、26为管壳、27为铰接支座、28为液压杆件、29为温度监测模块、30为射流泵、31为排放软管、32为圆形滑轨、33为直线滑轨、34为电缆孔、35为滑块、36为喷嘴、37为铰接支座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在特种加工中，电火花加工和皮秒激光诱导等离子体加工已在航空航天、3C智能终端等各种领域有广泛应用，其能加工纵深比大的微孔，从而用来制造涡轮叶片的冷却层膜和飞机表面的热防护涂层以及各种类型的模具。但是两种特种加工方法都有各自的优势和局限性，电火花加工时稳定性好，但相对激光诱导等离子体加工其加工精度和效率低，最关键的就是电火花加工的对象需要是较高导电率的材料，皮秒激光诱导等离子体加工则不受材料导电性的限制，效率高、精度高且造成的热影响区小，但其加工过程中易受气泡和杂质影响，稳定性不足。氧化锆型陶瓷是以纯氧化锆(ZrO2)为主要成分的先进功能陶瓷，具有高熔点、低导热率、低热膨胀系数、耐腐蚀、化学惰性、良好机械强度等优良特性，其密度比钛合金等金属小，一旦将其广泛应用于航空航天领域，可大大减轻飞行器的整体重量，该陶瓷在常温下不导电，升温至600℃上呈现导电性。本发明的核心构思是将两种特种加工方法有机地结合在一起，并利用磁场对等离子体羽流和等离子通道外形与能量密度分布的调控能力，充分利用磁场、皮秒激光诱导等离子体以及微细电火花三者优势，提供一种皮秒激光辅助电火花微细加工氧化锆陶瓷工艺及装置，新工艺加工精度高、效率高、稳定性好，同时克服了电火花加工常温下无法加工氧化锆型陶瓷的难题，同时也可以应用于加工于常温下不导电但高温下具有导电性的材料，例如氧化锆型陶瓷、钛合金和铝基碳化硅，可以加工更为复杂的三维结构。

本发明中，皮秒激光束首先利用大功率激光使介质或工件表面诱导产生等离子体，在多脉冲激光作用后，氧化锆型陶瓷材料表面经过热累积温度迅速升温至其导电阈值温度，满足电极导电条件，随后在工具电极和工件表面之间的间隙施加电压，产生放电等离子通道，在连续脉冲放电作用下进一步蚀除材料。加工过程中，利用纹影系统和ICCD高速相机组成的高分辨率观测系统观测加工区域等离子体演变和材料去除情况，配合触发快门策略，实现多时间尺度监控每个加工阶段的变化规律。红外成像仪与无线式温度传感器一同监测加工区域温度分布，以保证加工过程的有效与安全工作。观测系统输出的图像数据与利用高速采集卡获取的工艺参数数据经过PC机内置分析系统评估加工状态，再反馈至控制箱，对磁场参数、激光参数、电火花电参数进行调节，优化工艺过程，提高加工性能和质量。

下面以加工氧化锆型陶瓷为例结合附图进一步详细的说明本发明工艺。

如图1所示，待加工材料(即氧化锆型陶瓷)1放在装有电介质的透明高温玻璃器皿2中，玻璃器皿2中电介质种类可更换，在玻璃器皿外围四周布置有成对电磁铁3，玻璃器皿2与电磁铁3都紧贴工作平台4，工作平台4可在电机驱动下沿X轴、Y轴运动，另外在工作平台上安置流域控制模块，以辅助电介质内部产生不同的流体动力学状态，强化该工艺的冷却和空化冲击作用，皮秒激光器5经过初始反射镜6进入到扩束器7中，扩大半径的激光束抵达末端反射镜8后，通过聚焦棱镜9从斜上方入射至氧化锆型陶瓷表面，激光束入射方向与电火花工作电极10的垂直方向形成一定角度，通过电机控制电极夹具11，从而带动工作电极10沿z轴产生旋转和轴向运动。红外成像仪12与无线式温度传感器13实时监测氧化锆型陶瓷加工区域的温度情况，并将温度数据及时输出给PC机14，由PC机14分析其温度分布，避免温度过高和温度过低的情况出现，温度异常时发出警报。在微细电火花回路中安装闭口式开环电流传感器15，连接示波器16，通过触发快门开启模块17使ICCD高速相机18动作，实现皮秒-纳秒尺度观测等离子体从产生到衰减过程中的外形与能量分布变化，定性和定量描述磁场-光场-电场耦合作用下激光诱导等离子体时空演化过程，高速采集卡19与控制箱20相连接，并将电火花参数、激光参数、磁场参数数据传输至PC机14，PC机14内置智能分析系统对工艺参数数据与从ICCD高速相机18拍摄到的图像数据进行评估和反馈给控制箱20，调控加工工艺参数。

图2为本发明实施例中加工工作平台布控图，由图可知，工作平台4表面内层安装有抗高温透明圆形器皿2，外围安装有圆形滑轨32和直线滑轨33，六个电磁铁3分别安装在六个直线滑轨33上，工作平台4上部安装有电火花加工单元和流域控制模块。

图3和图4分别为本发明实施例中电火花加工单元和流域控制模块正视图和三维图，由图可知，活动式电极夹具11用于紧固电火花工作电极10，电极种类可随意更换，只需要符合电极夹具11的尺寸要求，在电火花加工单元旁边还有一个流域控制模块，射流泵30上部为其内部流道，下部的喷嘴36可在铰接支座37的带动下在半平面内旋转，旋转式喷嘴36和射流泵30的压强控制协同作用改变材料加工所处流域状态，射流泵30喷射出的电介质再从排放软管31中排出，以实现电介质的循环。

图5为本发明实施例中磁场调控机理示意图，图6为本发明实施例中电磁铁布控俯视图，图7和图8为本发明实施例中电磁铁三维图，由图可知，该工艺的磁场参数控制包括磁场强度和磁场方向，磁场方向的控制有两条路径，其一为控制直流电源双极性转换器21，其二为改变电磁铁3安装方位，磁场强度的控制也有两条路径，一是调节直流励磁电源22，从而改变电磁铁线圈电流值，产生不同大小的磁场强度，二是控制电磁铁距离加工区域的距离。电磁铁3安装在滑块35上，滑块35可在直线滑轨33上前后移动，直线滑轨33安装在圆形滑轨32上，六个直线滑轨33可绕着圆形滑轨32的圆心转动，电磁铁背面有电缆孔34，用于连接外部直流励磁电源22。磁场强度和磁场方向的复合形成不同磁场位形，当形成单向二维磁场时，等离子体膨胀；当形成封闭互斥磁场时，等离子体受到压缩，该工艺的磁场调控技术使等离子体外形结构发生改变，产生球形、椭球形、月牙形、槽状、环状等不同形态，可加工复杂三维结构。此外，ICCD高速相机18和纹影系统23组成高分辨率观测系统，配合触发相机快门控制策略，实现ps-ns时间尺度观测等离子体外形与能量分布演变。

图9为本发明实施例中高分辨率观测及相机快门控制流程示意图，图10为本发明实施例中完全捕捉等离子体时间控制原理图，由图可知，皮秒激光器5产生的激光诱导产生等离子体羽流，等离子体羽流经过高速纹影系统23，将等离子体能量密度梯度变化转变为平面相对光强变化，使等离子体羽流处于远离相机侧，有效成像精度集中在羽流区域，可捕捉微弱等离子体能量，并最终成像于ICCD高速相机18上，真实反映加工区域的状态变化。在皮秒激光器5发出激光脉冲的时刻，同时向延迟元件24发送触发脉冲，紧接着延迟元件24向增强模块25发送延迟脉冲，从而控制ICCD高速相机18快门的开启或闭合。通过控制延迟元件24改变延迟时间，保证ICCD高速相机18能完全捕捉到等离子体羽流的峰值强度，实现纳秒-微秒尺度观测电火花等离子体从形成到稳定并消散的整个演化过程。

图1和图9中分别呈现了观测微细电火花放电等离子体通道和激光诱导等离子体羽流时的触发快门控制支路，通过调节多时间尺度观测单元中电火花支路中触发快门开启模块和激光诱导等离子体加工支路中延迟元件24，改变拍摄间隔时刻，用于实现微秒-毫秒尺度观测氧化锆型陶瓷在热能或机械能作用下的材料去除过程，并且捕捉陶瓷颗粒在流体中运动轨迹和微结构形成过程。

图11为本发明实施例中可调光路转换组件示意图，由图可知，皮秒激光器5与可调光路转换组件都封装在同一方形外壳中，可调光路转换组件由反射镜6和8、扩束器7、聚焦棱镜9组成，初始反射镜6和扩束器都固定在壳体内，聚焦棱镜9固定在圆柱形管壳26中，反射镜8为末端反射镜，安装在铰接支座27上，通过控制箱20控制反射镜8的角度θ，同时控制液压杆件28动作，带动管壳26中的聚焦棱镜9也发生方位变化，保证从反射镜8上出射的激光始终通过聚焦棱镜9并从斜上方入射至工件加工区域，使激光得以定位在不同位置。

图12为本发明实施例中多物理场工艺参数控制结构图，由图所知，磁场参数控制器、皮秒激光参数控制器和电火花参数控制器都封装在同一个控制箱20中，控制箱20和温度监测模块29都与高速采集卡19相连接，高速采集卡19同时与PC机14相连，PC机14的另一端连接ICCD高速相机18，PC机14用于接收ICCD高速相机19拍摄到的等离子体能量演变和材料去除的图像数据，高速采集卡19用于采集控制箱20中的磁场参数、激光参数、电火花参数及外部参数中的数据，并传送至PC机14，PC机首先根据用户加工要求设置初始加工工艺参数，随着加工过程的持续进行，PC机14内置智能分析系统会对温度监测模块29中的温度数据进行分析，以防出现温度过高或过低的情况，出现故障时PC机14及时报警，还会对收到的工艺参数数据和图像数据进行评估，判断当前的加工状态是否为最佳加工状态，并反馈至控制箱20，控制箱20中的各工艺参数控制器驱动下级执行机构，如电火花工作平台4、皮秒激光器5、液压推杆28等迅速动作，从而选择最佳磁场参数、皮秒激光参数与电火花参数以及辅助参数，根据分析结果调节激光脉冲与电火花放电的时间间隔，获得最佳电火花放电时刻，实时状态的监测和反馈机制保证加工始终处于高效工作状态，工艺参数处于最佳水平。

本发明加工氧化锆型陶瓷时，在磁场对等离子体调控作用下，利用激光诱导等离子体，能有效减少电极间隙的击穿电压，高温等离子体热传导使氧化锆型陶瓷材料局部达到导电阈值温度，随后在电极间隙间施加电压触发电极放电，使微细电火花加工可以有效动作，从而提高加工性能与质量，比起在氧化锆型陶瓷表面加辅助电极或添加导电相，这种工艺方法更具针对性、普遍性、通用性，提高了整体加工效率。

本发明基于氧化锆型陶瓷高温导电特性，解决了电火花加工技术无法用于直接加工常温态氧化锆型陶瓷的难题，综合了微细电火花加工稳定性好、皮秒激光诱导等离子体加工精度和效率高的优势，同时利用磁场对等离子体外形和能量密度分布的良好调控能力，能提高工件表面质量、加工精度以及加工效率，可用于加工外形复杂的三维结构，在航空航天领域有广泛的应用前景，该工艺的多时间尺度加工过程监控装置实现了多时间尺度观测等离子体羽流与等离子通道演变以及氧化锆型陶瓷材料去除过程，通过一套参数反馈控制机制，对多工艺参数进行调控，优化了加工工艺，进一步提高加工性能和质量，温度检测模块的引入也保证了加工氧化锆型陶瓷的有效性和安全性，另外除了加工氧化锆型陶瓷外，该发明工艺也可以应用于加工其他材料，能获得很好的加工质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，包括：磁场调控单元、皮秒激光诱导等离子体单元和电火花加工单元；

所述磁场调控单元包括多对电磁铁(3)，用于在通电后利用磁场调控等离子体羽流与等离子通道外形膨胀与收缩，使得电火花放电点均匀分布；

所述皮秒激光诱导等离子体单元包括皮秒激光器(5)和可调光路转换组件，皮秒激光器(5)发出的激光经过可调光路转换组件后入射到待加工材料(1)表面诱导产生等离子体；

所述电火花加工单元包括工作平台(4)和工作电极(10)，多对电磁铁(3)均匀分布于工作平台(4)上方，所述工作平台(4)用于实现待加工材料(1)沿X轴、Y轴、Z轴平移运动，工作电极(10)用于在电机驱动下沿Z轴平移和旋转运动，并调节电极间隙，在电极间隙间施加电压触发电火花放电，对待加工材料(1)进行加工；

所述装置还包括多时间尺度加工过程监控单元，所述多时间尺度加工过程监控单元包括ICCD高速相机(18)、纹影系统(23)、触发快门开启模块(17)，触发快门开启模块(17)用于控制ICCD高速相机(18)快门拍摄时刻，纹影系统(23)用于将等离子体能量密度梯度变化转变为平面相对光强变化，使ICCD高速相机(18)拍摄到等离子体能量密度变化图像，实现多时间尺度观测加工的每个发展过程。

2.如权利要求1所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，所述待加工材料为氧化锆型陶瓷、钛合金或者铝基碳化硅。

3.如权利要求1或2所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，所述磁场调控单元还包括直流电源双极性转换器和直流励磁电源，直流电源双极性转换器和直流励磁电源均位于工作平台外部的机箱内，通过电缆与多对电磁铁连接；

所述直流电源双极性转换器用于接收正值或负值信号后控制电磁铁中线圈的电流方向，从而改变电磁铁极性；所述直流励磁电源用于通过调节电流大小，从而改变磁场强度；所述多对电磁铁在极性和磁场强度改变时组合形成单向或互斥磁场，在单向磁场作用下等离子体膨胀，在互斥磁场作用下等离子体收缩。

4.如权利要求1或2所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，所述可调光路转换组件包括初始反射镜(6)、扩束器(7)、末端反射镜(8)和聚焦棱镜(9)，皮秒激光器(5)发出的激光经过初始反射镜(6)进入扩束器(7)中进行扩大半径，扩大半径的激光抵达末端反射镜(8)后，通过聚焦棱镜(9)从斜上方入射至待加工材料(1)表面，通过控制末端反射镜(8)的角度和聚焦棱镜(9)的方位进而控制激光的入射方向与工作电极(10)的垂直方向形成的角度。

5.如权利要求1或2所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，所述电火花加工单元还包括流域控制模块，所述流域控制模块包括：射流泵、排放软管和喷嘴，喷嘴位于射流泵下部，

所述射流泵用于通过喷嘴将电介质排放至工作平台(4)上方存放待加工材料(1)的器皿中，排放软管用于将电介质排出以实现电介质的循环，通过调整喷嘴方向和射流泵的内部流道大小，控制射流泵的喷射方向和压强。

6.如权利要求1所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，所述触发快门开启模块(17)，用于控制ICCD高速相机(18)快门拍摄时刻，实现皮秒-纳秒、纳秒-微秒和微秒-毫秒尺度观测。

7.如权利要求1所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，所述装置还包括温度监测模块，所述温度监测模块包括红外成像仪(12)和温度传感器(13)，所述红外成像仪(12)用于实时监测与反馈等离子体的温度分布，所述温度传感器(13)用于实时监测与反馈待加工材料(1)的温度分布。

8.如权利要求7所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置，其特征在于，所述装置还包括PC机(14)、高速采集卡(19)和控制箱(20)，

所述PC机(14)一端与ICCD高速相机(18)连接，另一端与红外成像仪(12)连接，用于接收ICCD高速相机(18)拍摄的等离子体能量密度变化图像和红外成像仪(12)反馈的等离子体的温度分布，以此判断加工状态；

高速采集卡(19)一端与PC机(14)连接，另一端与控制箱(20)连接，用于PC机(14)与控制箱(20)之间的数据传输；

所述控制箱(20)内置磁场参数控制器、皮秒激光参数控制器和电火花参数控制器，用于根据PC机(14)判断的加工状态，选择最佳磁场参数、最佳皮秒激光参数与最佳电火花参数，调节激光脉冲与电火花放电的时间间隔，获得最佳电火花放电时刻。

9.一种皮秒激光辅助电火花加工方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-8任一所述的一种皮秒激光辅助电火花加工装置对待加工材料进行加工，包括如下步骤：

皮秒激光器发出激光经过可调光路转换组件传输和聚焦，最后相对工作电极以倾斜角度入射到待加工材料表面，引起光学击穿形成等离子体，等离子体进一步吸收入射激光的辐射能膨胀，并持续向加工区域进行热量传递，当待加工材料的温度超过其导电阈值温度时，待加工材料则满足电极特性，在电极间隙间施加电压进而触发电火花放电，提高加工的形位精度和加工效率，磁场调控单元在通电后利用磁场调控等离子体羽流与等离子通道外形膨胀与收缩，使得电火花放电点均匀分布，实现三维微观结构制造。

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