CN113199140A

CN113199140A - 一种纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法

Info

Publication number: CN113199140A
Application number: CN202110481286.XA
Authority: CN
Inventors: 徐国建; 徐诺; 王文博; 刘占起; 张国瑜; 井志成; 尚纯; 杭争翔; 郭志强; 郑文涛; 郑黎
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-08-03

Abstract

本发明涉及一种纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，步骤为：将金属增材制造零部件通过逆向工程建模软件建立金属增材制造零部件的数字模型，并通过模型处理软件确定金属增材制造零部件的加工余量；通过CAM路径规划软件将金属增材制造零部件的加工余量路径通过计算机控制系统；通过计算机控制系统启动纳秒激光器、皮秒激光器及飞秒激光器同时发光，光束合三为一形成纳皮飞秒合束激光束，纳皮飞秒合束激光束传输给三维扫描振镜；通过计算机控制系统使纳皮飞秒合束激光束沿着CAM路径规划软件的规划加工路径照射到金属增材制造零部件表面。本方法解决以往加工方法所存在的效率低、质量差及成本高的问题。

Description

一种纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造零部件后续纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法。

背景技术

随着增材制造技术的飞速发展，在航空航天等领域零部件传统制造方法（如铸造、锻造及机加等）逐渐被近净成形的增材制造方法替代。与传统制造方法比较，增材制造结构件的制造周期缩短、质量提高、易实现复杂零部件制造及减重明显等特点，深受航空航天等制造领域的欢迎。但是，金属增材制造零部件后续加工效率低和成本高等瓶颈问题，严重制约了增材制造技术的发展和产业推广应用。

发明内容

发明目的：本发明提供一种纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，其目的是解决以往加工方法所存在的效率低、质量差及成本高的问题。

技术方案：

一种纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，步骤为：

步骤（一）将金属增材制造零部件安装到二轴带装夹工作台上，并整体置于氩气惰性气体密封舱室中，通过逆向工程建模软件建立金属增材制造零部件的数字模型，金属增材制造零部件的数字模型与实际零部件形状尺寸比对做差，并通过模型处理软件确定金属增材制造零部件的加工余量；

步骤（二）通过CAM路径规划软件将金属增材制造零部件的加工余量路径通过计算机控制系统传输给扫描振镜和二轴带装夹工作台；

步骤（三）通过计算机控制系统启动纳秒激光器、皮秒激光器及飞秒激光器同时发光，其各自光束通过各自对应的纳秒激光束整形器、皮秒激光束整形器、飞秒激光束整形器后入射到光束合束器中，通过光束合束器将纳秒激光束、皮秒激光束及飞秒激光束合三为一形成纳皮飞秒合束激光束，纳皮飞秒合束激光束传输给三维扫描振镜；

步骤（四）通过计算机控制系统控制三维扫描振镜和二轴带装夹工作台，使纳皮飞秒合束激光束沿着CAM路径规划软件的规划加工路径照射到金属增材制造零部件表面，纳皮飞秒合束激光对金属增材制造零部件表面加工余量的三维空间进行精整和抛光加工，共循环精整和抛光加工n层，n≥1，直至达到精整深度满足客户技术要求或者金属增材制造零部件的表面粗糙度≤Ra0.4。

步骤（三）中纳秒激光器平均功率≥ 2000W，最大单脉冲能量≥100mJ, 脉冲宽度120-160ns，重复频率20-50kHz，波长1064±5；皮秒激光器激光平均功率≥120W，最大单脉冲能量≥2mJ，脉冲宽度≤15ps，重复频率20kHz，波长1064±0.2nm；飞秒激光器激光平均功率≥40W，最大单脉冲能量≥0.2mJ，脉冲宽度≤350fs，重复频率50-1000kHz，波长1030-1045nm。

纳皮飞秒合束激光束焦点直径为3.5-4.5mm。

密封舱室中氧和水含量≤50ppm。

通过调整三维扫描振镜使纳皮飞秒合束激光束的激光束焦点置于金属增材制造零部件表面的制高点。

优点效果：

解决金属增材制造零部件后续加工效率低、成本高及质量差这一问题，就需要引入新的加工装置和方法。本发明专利采用一种金属增材制造零部件后续纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，在后续加工过程中具有以下优势：通过激光参数和加工工艺参数的优化确定最佳加工工艺参数，金属增材制造零部件通过逆向工程建模软件、模型处理软件及CAM路径规划软件系统，确定加工余量和加工路径；加工过程中是将纳秒激光束、皮秒激光束及飞秒激光束合三为一形成一束纳皮飞秒合束激光束照射到金属增材制造零部件表面，能够大幅度地提高加工点激光能量密度；将纳皮飞秒合束激光束焦点聚焦到金属增材制造零部件加工余量表面制高点，使表面制高点处金属蒸发和熔化，第一层完成后，循环进行第二层，以此类推循环进行到第n层，即可实现金属增材制造零部件表面的精整和抛光加工。在整个过程中各层加工时均将纳皮飞秒合束激光束焦点聚焦到金属增材制造零部件表面的制高点，即保证在焦点处（零离焦条件下）进行加工；在最佳加工工艺参数条件下，金属增材制造零部件后续纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工的一次加工厚度≥50μm、加工效率≥10cm²/min及表面粗糙度≤Ra0.4，其加工效率和质量均得到了较大程度提高，达到了提高金属增材制造零部件后续精整和抛光加工效率和质量及降低加工成本的目的。

附图说明

图1 为纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法示意图；

图2 为纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工示意图；

图中标注：1-纳秒激光器、2-皮秒激光器、3-飞秒激光器、4-纳秒激光束、5-皮秒激光束、6-飞秒激光束、7-纳皮飞秒合束激光束、8-纳秒激光束的光束整形器、9-皮秒激光束的光束整形器、10-飞秒激光束的光束整形器、11-光束合束器、12-反射镜、13-三维扫描振镜、14-金属增材制造零部件、15-二轴带装夹工作台、16-CCD相机、17-逆向工程建模软件、18-模型处理软件、19-计算机控制系统、20-CAM路径规划软件、21-纳皮飞秒合束激光束焦点、22-金属增材制造零部件表面制高点、23-加工过区域、24-等待加工区域、25-三维扫描振镜运动方向。

具体实施方式

以下结合说明书附图更详细的说明本发明。

本发明提出了利用纳秒激光、皮秒激光及飞秒激光并行发光方式对金属增材制造零部件表面进行后续精整和抛光加工，以达到提高金属增材制造零部件后续加工效率和质量，降低加工成本。与常规超声波金属抛光效率（约0.1cm²/min）比较，本发明加工效率（约10cm²/min）提高了100倍，与单光束（CN201711113469.6）加工效率（约1cm²/min）比较提高了10倍、一次加工厚度（30μm）提高了1.7倍以上及表面粗糙度（Ra0.735）降低了1.84倍。由此可见，金属增材制造零部件后续纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法能够大幅度地提高加工效率和加工质量。

本发明能够解决金属增材质制造零部件传统的后续机加、磨粒流、电化学腐蚀、超声波冲击处理、电火花放电及单一激光束加工等效率低及难以加工的瓶颈问题，达到提高金属增材制造零部件后续加工效率、加工质量及加工柔性，降低加工成本，促进增材制造技术的推广应用。

针对目前金属增材制造零部件后续加工效率低和成本高的瓶颈问题，本发明提出了利用纳秒激光、皮秒激光及飞秒激光并行方式对金属增材制造零部件进行后续精整和抛光加工，以达到提高金属增材制造零部件后续加工效率和质量，降低加工成本。

如图1所示，一种纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，步骤为：

步骤（一）：将金属增材制造零部件14安装到二轴带装夹工作台15上，并整体置于氩气惰性气体密封舱室中，密封舱室中氧和水含量≤50ppm，目的是为了防止金属增材制造零部件14的氧化和空气污染。通过逆向工程建模软件17建立金属增材制造零部件14的数字模型，金属增材制造零部件14的数字模型与实际零部件形状尺寸比对做差，并通过模型处理软件18确定金属增材制造零部件14的加工余量；

逆向工程建模软件：是三维扫描（非接触式扫描）软件，软件利用了激光与物体表面发生互相作用的物理现象，来获取物体表面三维坐标信息的工具。其基本工作原理主要是通过光学的反射，利用科学计算方法获取物体表面的空间坐标值。它可以直接将大型复杂的、不规则的物体三维点云数据采集到电脑中，快速重构出所需的三维模型。其具体工作原理：1)仪器上的两组相机可以分别获得投影到被扫描对象上的激光，该激光随对象形状发生变形，由于这两组相机事先经过准确标定，就可以通过计算获得激光线所投影的线状三维信息；2)仪器根据固定在被检测物体表面的视觉标记点来确定扫描仪在扫描过程中的空间位置，这些空间位置被用于空间位置转换；3)利用第1步获得的线状三维信息和第2步的扫描仪空间相对位置，当扫描仪移动时，不断获取激光所经过位置的三维信息，从而形成连续的三维数据。

模型处理软件：利用逆向工程建模软件（非接触式三维扫描仪），对缺损零件进行快速扫描后，反求其三维数字模型，再对所获得的三维数字模型与原始数字模型进行对比求差，得到金属增材制造零部件14加工余量的数字模型。

步骤（二）：通过CAM路径规划软件20将金属增材制造零部件14的加工余量路径由计算机控制系统19传输给三维扫描振镜13和二轴带装夹工作台15；

CAM路径规划软件功能：对金属增材制造零部件14加工余量的三维数字模型能够实现智能分区、自适应分层及动态路径规划。CAM路径规划软件可以导入STL、PLY、OBJ等三种三维网格曲面文件格式；具有自动、手动两种截面分区功能；具有方向平行填充、轮廓平行填充、混合填充、直骨架填充四种截面扫描填充加工路径。

三维扫描振镜：三维扫描振镜主要由Z轴直线电机、Z轴直线电机带动的聚焦镜、X轴和Y轴旋转电机、X轴和Y轴旋转电机带动的X轴和Y轴反射镜（扫描振镜）、均场镜、保护镜及激光焦点运动轨迹控制软件组成。工作原理是加工过程中由计算机控制系统发出指令，三维扫描振镜系统根据激光焦点运动轨迹控制软件控制激光焦点沿Z轴在直线电机带动下使激光焦点在Z轴方向前后（高度方向上下）移动，控制X轴和Y轴旋转电机摆动并带动X轴和Y轴反射镜摆动实现激光焦点在XY平面上的运动，由上述X轴、Y轴及Z轴的合成运动，即可实现三维空间的精整和抛光加工。均场镜的作用是使激光焦点在同一XY平面运动时始终保证激光焦点落在这一XY平面上。保护镜作用主要是保护聚焦镜和均场镜免受加工过程中烟雾、金属蒸汽及飞溅等的污染。

通过步骤（一）和步骤(二)中逆向工程建模软件17、模型处理软件18及CAM路径规划软件20系统，确定金属增材制造零部件14的加工余量和加工路径。

步骤（三）：步骤（二）的同时通过计算机控制系统19启动纳秒激光器1、皮秒激光器2及飞秒激光器3同时发光，纳秒激光器1的光束通过纳秒激光束整形器8，皮秒激光器2的光束通过皮秒激光束整形器9，飞秒激光器3的光束通过飞秒激光束整形器10后，三束光入射到光束合束器11中，通过光束合束器11将纳秒激光束4、皮秒激光束5及飞秒激光束6合三为一形成纳皮飞秒合束激光束7，纳皮飞秒合束激光束7经过反射镜12将纳皮飞秒合束激光束7传输给三维扫描振镜13；纳皮飞秒合束激光束7传输给三维扫描振镜13后照射到金属增材制造零部件14表面。

通过调整三维扫描振镜13使纳皮飞秒合束激光束7的激光束焦点21置于金属增材制造零部件14表面的制高点22。通过三维扫描振镜中Z轴直线运动电机带动聚焦镜沿着高度方向上下移动，实现纳皮飞秒合束激光束焦点聚焦到金属增材制造零部件14表面的制高点。

激光器系统由纳秒激光器1、皮秒激光器2及飞秒激光器3组成，并且三种激光器同时发光。三种激光器特点是纳秒激光器1平均功率≥ 2000W，最大单脉冲能量≥100mJ, 脉冲宽度 120-160ns，重复频率20-50kHz，波长1064±5；皮秒激光器2激光平均功率≥120W，最大单脉冲能量≥2mJ，脉冲宽度≤15ps，重复频率20kHz，波长1064±0.2nm；飞秒激光器3激光平均功率≥40W，最大单脉冲能量≥0.2mJ，脉冲宽度≤350fs，重复频率50-1000kHz，波长1030-1045nm。上述激光器均为脉冲激光输出，按着纳秒、皮秒及飞秒激光的顺序，对增材制造零部件表面的熔化效果逐渐降低，而对金属加工过程的表面金属蒸发效果逐渐提高，加工过程的熔化和蒸发的相互结合，最终达到了金属增材制造零部件表明的精整和抛光的目的。

纳皮飞秒合束激光束7焦点直径约为3.5-4.5mm。优选为4mm，该焦点直径范围有利于纳皮飞秒合束激光束的熔化和蒸发，能够保证精整和抛光的加工效率和质量。

步骤（四）：通过计算机控制系统19控制三维扫描振镜13和二轴带装夹工作台15，使纳皮飞秒合束激光束7沿着CAM路径规划软件20的规划加工路径照射到金属增材制造零部件14表面，纳皮飞秒合束激光束7对金属增材制造零部件14表面加工余量的三维空间进行精整和抛光加工，共循环精整和抛光加工n层，n≥1，直至达到精整深度满足客户技术要求及表面粗糙度≤Ra0.4。

纳皮飞秒合束激光束7并行精整和抛光加工是利用纳皮飞秒合束激光束7的高能量密度，使金属蒸发和熔化相结合原理，将纳皮飞秒合束激光束7焦点照射到金属增材制造零部件14加工余量表面制高点，使表面制高点处金属蒸发和熔化，第一层完成后，循环进行第二层，以此类推循环进行到第n层，即可实现金属增材制造零部件14表面的精整和抛光加工。

通过计算机控制系统19控制三维扫描振镜13和二轴带工装夹具工作台15进行联动，使纳皮飞秒合束激光束7沿着CAM路径规划软件20的规划加工路径，实现金属增材制造零部件14表面加工余量的三维空间纳皮飞秒合束激光束7并行精整和抛光加工。

如图2所示，纳皮飞秒合束激光束7通过三维扫描振镜13过程中，由三维扫描振镜13中Z轴聚焦镜、X轴和Y轴的反射镜（扫描振镜）及均场镜，将聚焦的纳皮飞秒合束激光束焦点21置于金属增材制造零部件表面的等待加工区域24的制高点22，制高点22在纳皮飞秒合束激光束焦点21作用下发生蒸发和熔化，使等待加工区域24的制高点22经过一次加工后得到加工过区域23的制高点22的高度均获得降低，一次精整深度（加工厚度）≥50μm和加工效率≥10cm²/min，循环往复进行到第n层，最终金属增材制造零部件表明表面粗糙度可实现≤Ra0.4。

实施例1

1.将TC4合金的金属增材制造零部件14安装到二轴带装夹工作台15上，并将整体装置放到氩气惰性气体密封舱室中，密封舱室中氧和水含量≤50ppm，目的是为了防止金属的氧化和被空气污染；通过逆向工程建模软件建立TC4合金的金属增材制造零部件14数字模型，并与实际金属增材制造零部件14的三维模型形状尺寸比对，通过模型处理软件确定TC4合金的金属增材制造零部件14的加工余量，加工余量确定约为800μm；

2.通过CAM路径规划软件20将TC4合金的金属增材制造零部件14的加工余量路径传输给三维扫描振镜13和二轴带装夹工作台15；

3.步骤2的同时通过计算机控制系统19启动纳秒激光器1、皮秒激光器2及飞秒激光器3同时发光，其各自光束通过各自光束整形器后入射到光束合束器11中，通过光束合束器11将纳秒激光束4、皮秒激光束5及飞秒激光束6合三为一形成纳皮飞秒合束激光束7，并传输给三维扫描振镜13。激光参数采用了纳秒激光器1平均功率= 2000W，单脉冲能量=100mJ, 脉冲宽度=120ns，重复频率=20kHz，波长=1064±5；皮秒激光器2激光平均功率=120W，单脉冲能量=2mJ，脉冲宽度=8ps，重复频率=20kHz，波长=1064±0.2nm；飞秒激光器3激光平均功率=40W，单脉冲能量=0.2mJ，脉冲宽度=300fs，重复频率50kHz，波长=1040nm，纳皮飞秒合束激光束7焦点直径约为4mm；

4.步骤3的同时通过计算机控制系统19控制三维扫描振镜13沿着CAM路径规划软件20的规划加工路径将纳皮飞秒合束激光束7照射到TC4合金的金属增材制造零部件14表面；

同时通过计算机控制系统19控制三维扫描振镜13和二轴带装夹工作台15，实现TC4合金金属增材制造零部件14表面加工余量的三维空间纳皮飞秒合束激光束7并行精整和抛光加工。三维扫描振镜13的扫描速度=100m/min；

利用纳皮飞秒合束激光束7的高能量密度，使金属发生蒸发和熔化相结合原理，将纳皮飞秒合束激光束7的焦点照射到TC4合金的金属增材制造零部件14加工余量表面制高点，使表面制高点处金属蒸发和熔化，第一层完成后，循环进行第二层，以此类推循环进行了第十层，实现了TC4合金的金属增材制造零部件后续纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工的一次加工厚度（深度）≈80μm、加工效率≈24cm²/min及表面粗糙度≈Ra0.39。

实施例2

实施例1中的TC4合金替换为镍基高温合金，方法同实施例1。三维扫描振镜13的扫描速度=120m/min；利用纳皮飞秒合束激光束7的高能量密度，使金属发生蒸发和熔化相结合原理，将纳皮飞秒合束激光束7的焦点照射到镍基高温合金的金属增材制造零部件14加工余量表面制高点，使表面制高点处金属蒸发和熔化，第一层完成后，循环进行第二层，以此类推循环进行了第十二层，实现了镍基高温合金的金属增材制造零部件后续纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工的一次加工厚度（深度）≈50μm、加工余量确定约为600μm；加工效率≈10cm²/min，表面粗糙度≈Ra0.4。

本实施例1中的TC4合金也可以为其他合金，比如铝合金、高强钢及铜合金等金属材料，同样能够达到一次加工厚度≥50μm、加工效率≥10cm²/min及表面粗糙度≤Ra0.4，加工效率和质量均得到了较大程度提高，达到了提高金属增材制造零部件后续精整和抛光加工效率和质量及降低加工成本的目的。

Claims

1.一种纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，其特征在于：步骤为：

步骤（一）将金属增材制造零部件（14）安装到二轴带装夹工作台（15）上，并整体置于氩气惰性气体密封舱室中，通过逆向工程建模软件（17）建立金属增材制造零部件（14）的数字模型，金属增材制造零部件（14）的数字模型与实际零部件形状尺寸比对做差，并通过模型处理软件（18）确定金属增材制造零部件（14）的加工余量；

步骤（二）通过CAM路径规划软件（20）将金属增材制造零部件（14）的加工余量路径通过计算机控制系统（19）传输给扫描振镜（13）和二轴带装夹工作台（15）；

步骤（三）通过计算机控制系统（19）启动纳秒激光器（1）、皮秒激光器（2）及飞秒激光器（3）同时发光，其各自光束通过各自对应的纳秒激光束整形器（8）、皮秒激光束整形器（9）、飞秒激光束整形器（10）后入射到光束合束器（11）中，通过光束合束器（11）将纳秒激光束（4）、皮秒激光束（5）及飞秒激光束（6）合三为一形成纳皮飞秒合束激光束（7），纳皮飞秒合束激光束（7）传输给三维扫描振镜（13）；

步骤（四）通过计算机控制系统（19）控制三维扫描振镜（13）和二轴带装夹工作台（15），使纳皮飞秒合束激光束（7）沿着CAM路径规划软件（20）的规划加工路径照射到金属增材制造零部件（14）表面，纳皮飞秒合束激光（7）对金属增材制造零部件（14）表面加工余量的三维空间进行精整和抛光加工，共循环精整和抛光加工n层，n≥1，直至达到精整深度满足客户技术要求或者金属增材制造零部件（14）的表面粗糙度≤Ra0.4。

2.根据权利要求1所诉的纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，其特征在于：步骤（三）中纳秒激光器（1）平均功率≥ 2000W，最大单脉冲能量≥100mJ，脉冲宽度 120-160ns，重复频率20-50kHz，波长1064±5；皮秒激光器（2）激光平均功率≥120W，最大单脉冲能量≥2mJ，脉冲宽度≤15ps，重复频率20kHz，波长1064±0.2nm；飞秒激光器（3）激光平均功率≥40W，最大单脉冲能量≥0.2mJ，脉冲宽度≤350fs，重复频率50-1000kHz，波长1030-1045nm。

3.根据权利要求1所诉的纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，其特征在于：纳皮飞秒合束激光束（7）焦点直径为3.5-4.5mm。

4.根据权利要求1所诉的纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，其特征在于：密封舱室中氧和水含量≤50ppm。

5.根据权利要求1所诉的纳皮飞秒合束激光并行精整和抛光加工方法，其特征在于：通过调整三维扫描振镜（13）使纳皮飞秒合束激光束（7）的激光束焦点（21）置于金属增材制造零部件（14）表面的制高点（22）。