CN113290386B - 稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置属于精密特种加工技术领域，该装置包括：底座、工件装夹滑台单元、激光器单元、射流枪单元和上位机；所述工件装夹运动单元、激光器单元和射流枪单元设置在所述底座上；工件装夹在所述工件装夹运动单元上；所述激光器单元发出的激光的光轴处于水平状态，并垂直于工件表面，激光光斑在垂直于光轴方向实现高频微位移修饰和宏观加工轨迹耦合；所述高压水射流参与高频往复运动的激光同时作用在所述工件表面，在降低热影响区以及重铸层的同时，剥离已加工工件表面的附着物。本发明实时剥离已加工表面重铸层，清洁已加工表面的附着物，提高已加工表面质量及亚表面性能。
Description
技术领域
本发明属于精密特种加工技术领域，具体涉及稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置及方法。
背景技术
随着微型零件在国防、生物技术、医疗等领域的需求与日俱增，其加工技术成为制造领域研究的重点内容。激光刻蚀提供了一种高效、高精度及易操作的加工方法，并且对于激光能量输入和激光光束传播可灵活控制，因此广泛应用于微加工领域。传统激光加工工艺是通过工件表面吸收大量的热产生相变(熔融、汽化)来达到去除材料的目的，然而，由于临近激光作用区域的工件材料也会吸收一部分热量而产生热影响区及重铸层，导致微小零件加工性能降低，因此传统激光加工难以满足微细加工要求；传统激光加工过程，也会产生严重的粉尘污染，严重影响了操作人员的健康，污染了工作环境，因此液体辅助激光加工应运而生，包括水导激光加工、水下激光加工等。液体辅助激光可以吸收加工区域额外的热量以及带走切屑，液体辅助激光加工可以降低热影响区及重铸层的产生，提高加工质量。但是水导激光加工过程中水束垂直于工件表面入射，水轴与激光轴一致，由于激光加工过程剧烈，切削液及碎屑飞溅，激光能量会受到衰减、干扰，而且设备昂贵并且维护成本较高。水下激光加工过程中，悬浮在液体中的的碎屑以及剧烈加工产生的气泡会参与二次加工，影响加工质量；同时，剧烈反应产生的空泡也会干扰激光束的传播，削弱激光能量，这些问题使其难以满足高精度加工要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置及方法，解决了现有技术中难以满足微细加工的要求，产生污染等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，该装置包括：底座、工件装夹滑台单元、激光器单元、射流枪单元和上位机；所述工件装夹运动单元、激光器单元和射流枪单元设置在所述底座上；工件装夹在所述工件装夹运动单元上；所述激光器单元发出的激光的光轴处于水平状态，并垂直于工件表面，激光光斑在垂直于光轴方向实现高频微位移修饰和宏观加工轨迹耦合；所述射流枪单元发射分高压水射流与所述工件表面呈锐角；所述高压水射流参与高频往复运动的激光同时作用在所述工件表面，在降低热影响区以及重铸层的同时，剥离已加工工件表面的附着物。
优选的，还包括设置在所述底座、工件装夹滑台单元、激光器单元和射流枪单元外的防护罩。
优选的，所述底座包括：大理石和设置在所述大理石上的安装板；所述安装板四周装配周边挡板；位于所述工件下方设有废液槽；废液通过废液槽和排水管经由所述大理石排出加工装置外部。
优选的，所述工件装夹滑台单元包括：第一弯板、xy位移单元、薄型旋转台、工件夹板和滑台驱动器；所述第一弯板安装在安装板上，xy位移单元设置在所述第一弯板垂直激光光轴的平面上；所述薄型旋转台设置在所述xy位移单元垂直激光光轴的平面上，所述工件夹具装配在所述薄型旋转台的旋转面上；所述上位机通过滑台驱动器控制所述xy位移单元和薄型旋转台的运动。
优选的，所述工件通过压钉固定在所述薄型旋转台的旋转面上。
优选的，所述xy位移单元采用斜45度布局。
优选的，所述激光器单元包括：反射镜装夹座、激光器、第二弯板、激光器滑台、柔性支撑梁、换能器、第一反射镜、第二反射镜、出射筒和激光器单元控制器；所述激光器安装在所述反射镜装夹座外，所述第一反射镜通过水平设置的所述柔性支撑梁固定在所述反射镜装夹座内，所述柔性支撑梁上设有换能器；所述反射镜装夹座安装在所述第二弯板上，所述第二弯板在所述激光器滑台上沿激光光轴往复运动；所述第二弯板内设有第二反射镜；所述激光器单元为离轴两反系统，激光从出射筒出射；所述激光器单元控制器控制激光的发射，所述换能器通过控制所述柔性支撑梁振动，从而带动第一反射镜上下往复运动，实现激光在工件上竖直方向高频微位移加工。
优选的，所述出射筒出射面的外环设有气体防护环，与外部气管连接；所述气体防护环垂直光轴的面和圆周均布气孔；所述垂直光轴的面和圆周上的气孔一一对应，其相互连通。
优选的，所述射流枪单元包括：第三弯板、射流调整台、射流枪底板、高压射流枪、储水罐、稳压罐、压力指示器和压缩机；所述第三弯板安装在安装板上，所述射流调整台设置在所述安装板上；所述高压射流枪通过射流枪底板安装在所述射流调整台上；所述压力指示器采集所述储水罐和稳压罐内的压力，将采集数据传送至上位机，所述上位机计算出适合的压力值，通过控制压缩机，分别控制稳压罐和储水罐的压力，从而控制高压射流枪的出水压力。
稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置的加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：激光器单元运行自动调焦程序后，在上位机中设定工件的运动程序、激光器单元的振幅、高压射流枪喷射的压力和角度；
步骤二：将加工工件通过压钉固定在工件夹板上，上位机开始按照设定程序执行命令，激光器开始工作，在换能器和柔性支撑梁的带动下第一反射镜在垂直光轴方向往复运动，实现激光器对工件宏观加工轨迹耦合运动；同时压缩机按照上位机发送的压力参数给稳压罐提供既定压力，高压射流枪喷射出一定压力的水流，利用超高压微射流参与激光已加工表面二次修整，剥离已加工表面重铸层，清洁已加工表面附着物；
步骤三：当压力指示器显示压力不能达到设定值时，将控制信号传送至上位机，上位机通过控制压缩机为稳压罐和储水罐提供设定压力值；
步骤四：在加工过程中，废液通过安装板上的废液槽和排水管排出装置外部。
本发明的有益效果是：本发明利用高压水射流参与激光加工表面的二次修整，在降低热影响区的同时，实时剥离已加工表面重铸层，清洁已加工表面的附着物，提高已加工表面质量及亚表面性能，降低二次加工损伤；利用弱刚度结构引入超声振动，在垂直于光轴方向实现高频微位移修饰—宏观加工轨迹耦合运动，在原理上满足复杂微结构高效制备需求；激光微作用区高频微位移作用下，也会实现表面微结构二次修饰，实现表面强化，提高微结构性能。同时，机床采用卧式布局，光轴水平放置，使已参与加工的液体、加工产生的切屑以及加工过程中产生的气泡更快远离加工区域，不参与二次加工，降低环境对激光的干扰，提高了激光能量输出的稳定性，进一步提高加工质量，保证加工精度；工件位移执行机构采用斜45度布局，降低自身负载对位移稳定性的影响，提高运动机构的执行精度，保证加工过程稳定、高效进行；利用激光出射筒内部气体防护环清除激光输出端射流飞溅残液，进一步减小射流对激光传输的干扰，保证加工稳定运行。
附图说明
图1本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置结构示意图。
图2本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置中底座、工件装夹滑台单元、激光器单元和射流枪单元结构示意图。
图3本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构激光器单元结构示意图。
图4本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构激光器单元原理示意图。
图5本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构工件装夹滑台单元xy位移单元示意图。
图6本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构激光器单元气体防护环示意图。
图7本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构激光器单元气体防护环剖视图。
图8本发明稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构原理示意图。
图中：1、防护罩，2、底座，3、微调地脚，4、工件装夹滑台单元，5、激光器单元，6、安装板，7、大理石，8、周边挡板，9、废液槽，10、排水管，11、第一弯板，12、xy位移单元，13、薄型旋转台，14、工件夹板，15、工件，16、第三弯板，17、射流调整台，18、射流枪底板，19、高压射流枪，20、射流枪安装架，21、换能器散热片，22、反射镜装夹座，23、激光器，24、第二弯板，25、激光器防护罩，26、激光器滑台，27、激光器滑台安装板，28、激光器出射筒，29、柔性支撑梁，30、换能器，31、第一反射镜，32、第二反射镜，33、压钉，34、气管，35、气体防护环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，该装置包括：底座2、工件装夹滑台单元4、激光器单元5、射流枪单元和上位机；所述工件装夹滑台单元4、激光器单元5和射流枪单元均设置在所述底座2上；所述工件装夹滑台单元4的下方，位于所述底座2上设有废液槽9；其中工件15装夹在所述工件装夹滑台单元4上；本实施例中，工件15的材料为弱刚度材料。所述激光器单元5发出的激光的光轴处于水平状态，垂直于工件15表面，在加工过程中激光器23完成对焦后，通过反射镜反射的光在垂直于所述光轴方向在工件表面以光轴为中心点呈周期性振动；所述射流枪单元发射高压水射流与所述工件15表面呈锐角；所述高压水射流参与高频往复运动的激光同时作用在所述工件15表面，在降低热影响区以及重铸层的同时，剥离已加工工件15表面的附着物。
其中，所述底座2包括：大理石7和设置在所述大理石7上的安装板6；所述安装板6四周装配周边挡板8，位于所述工件15下方设有废液槽9；所述周边挡板8防止废液溅射到所述安装板6外部，使废液和附着物顺着废液槽9经由排水管10排出加工装置外部。所述大理石7上开有孔洞，排水管10穿过所述孔洞将废液排至废液收集装置。
所述工件装夹滑台单元4包括：第一弯板11、xy位移单元12、薄型旋转台13、工件夹板14和滑台驱动器；所述第一弯板11固定在安装板6上，xy位移单元12设置在所述第一弯板11垂直激光光轴的平面上；所述薄型旋转台13设置在所述xy位移单元12垂直激光光轴的平面上，所述工件夹具14通过压钉33装配在所述薄型旋转台13的旋转面上；所述上位机通过滑台驱动器控制所述xy位移单元12沿X轴和Y轴的运动，和薄型旋转台13的转动。本实施例中，所述xy位移单元12采用斜45度布局，通过降低自身负载对位移稳定性的影响，提高运动机构的执行精度，保证加工过程稳定、高效进行。所述激光器单元5包括：换能器散热片21、反射镜装夹座22、激光器23、第二弯板24、激光器防护罩25、激光器滑台26、激光器滑台安装板27、激光器出射筒28、柔性支撑梁29、换能器30、第一反射镜31、第二反射镜32和激光器单元控制器；所述激光器23安装在所述反射镜装夹座22外，所述第一反射镜31通过水平设置的所述柔性支撑梁29固定在所述反射镜装夹座22内，所述柔性支撑梁29上设有换能器30；所述换能器30外设有换能器散热片21，使换能器30产生的热量尽快的散发；所述反射镜装夹座22安装在所述第二弯板24上表面，所述第二弯板24在所述激光器滑台26上沿激光光轴往复运动；所述第二弯板24内设有第二反射镜32，所述激光器防护罩25与激光器滑台安装板27形成防护空间，所述激光器防护罩25上表面开槽，所述激光器滑台26设置在所述激光器滑台安装板27上，所述激光器单元5为离轴两反系统，激光经由第一反射镜31和第二反射镜32反射后，从激光器出射筒28出射；所述激光器单元控制器控制激光的发射，所述换能器30通过控制所述柔性支撑梁29垂直方向振动，从而带动第一反射镜31垂直方向往复运动，实现激光在工件15上竖直方向高频微位移加工。为了清除激光输出端射流飞溅残液，进一步减小射流对激光传输的干扰，在所述激光器单元5的激光器出射筒28出射端设有气体防护环35，与外部气管连接；所述气体防护环35圆周和端面均布一一对应的气孔，且对应气孔之间相互导通。所述射流枪单元包括：第三弯板16、射流调整台17、射流枪底板18、高压射流枪19、储水罐、稳压罐、压力指示器和压缩机；所述第三弯板16安装在安装板6上，所述射流调整台17设置在所述第三弯板16上；所述高压射流枪19通过射流枪底板18安装在所述射流调整台17上，可以沿水流方向调整高压射流枪19与工件15之间的距离；所述压力指示器采集所述储水罐和稳压罐内的压力，将采集数据传送至上位机，所述上位机根据设定压力值，计算出压力差，通过控制压缩机，调整控制稳压罐和储水罐的压力，从而控制高压射流枪19的出水压力。
为了使稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置处于水平状态，所述大理石底部设有微调地脚3，根据微调地脚3的伸缩调平。为了保护外部环境，在所述底座1、工件装夹滑台单元4、激光器单元5和射流枪单元外部设置了透明防护罩1，既可以防止废液外溅，也可以随时观测加工装置的工作状态。
稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置的加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：激光器单元运行自动调焦程序后，在上位机中设定工件15的运动程序、激光器单元的振幅、高压射流枪19喷射的压力和角度；
步骤二：将加工工件15通过压钉33固定在工件夹板14上，上位机开始按照设定程序执行命令，激光器23开始工作，在换能器30和柔性支撑梁29的带动下第一反射镜31在垂直光轴方向往复运动，实现激光器23对工件15宏观加工轨迹耦合运动；同时压缩机按照上位机发送的压力参数为稳压罐提供既定压力，高压射流枪19喷射出一定压力的水流，利用超高压微射流参与激光已加工表面二次修整，剥离已加工表面重铸层，清洁已加工表面附着物；
步骤三：当压力指示器显示压力不能达到设定值时，将信号传送至上位机，上位机通过控制压缩机为稳压罐和储水罐提供设定压力值；
步骤四：在加工过程中，废液通过安装板6上的废液槽9和排水管10排出装置外部。
Claims (9)
1.稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，该装置包括：底座、工件装夹滑台单元、激光器单元、射流枪单元和上位机；所述工件装夹运动单元、激光器单元和射流枪单元设置在所述底座上；工件装夹在所述工件装夹运动单元上；所述激光器单元发出的激光的光轴处于水平状态，并垂直于工件表面，激光光斑在垂直于光轴方向实现高频微位移修饰和宏观加工轨迹耦合；高压水射流参与高频往复运动的激光同时作用在所述工件表面，在降低热影响区以及重铸层的同时，剥离已加工工件表面的附着物；所述激光器单元包括：反射镜装夹座、激光器、第二弯板、激光器滑台、柔性支撑梁、换能器、第一反射镜、第二反射镜、出射筒和激光器单元控制器；所述激光器安装在所述反射镜装夹座外，所述第一反射镜通过水平设置的所述柔性支撑梁固定在所述反射镜装夹座内，所述柔性支撑梁上设有换能器；所述反射镜装夹座安装在所述第二弯板上，所述第二弯板在所述激光器滑台上沿激光光轴往复运动；所述第二弯板内设有第二反射镜；所述激光器单元为离轴两反系统，激光从出射筒出射；所述激光器单元控制器控制激光的发射，所述换能器通过控制所述柔性支撑梁振动，从而带动第一反射镜上下往复运动，实现激光在工件上竖直方向高频微位移加工。
2.根据权利要求1所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，还包括设置在所述底座、工件装夹滑台单元、激光器单元和射流枪单元外的防护罩。
3.根据权利要求1所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，所述底座包括：大理石和设置在所述大理石上的安装板；所述安装板四周装配周边挡板；位于所述工件下方设有废液槽；废液通过废液槽和排水管经由所述大理石排出加工装置外部。
4.根据权利要求1所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，所述工件装夹滑台单元包括：第一弯板、xy位移单元、薄型旋转台、工件夹板和滑台驱动器；所述第一弯板安装在安装板上，xy位移单元设置在所述第一弯板垂直激光光轴的平面上；所述薄型旋转台设置在所述xy位移单元垂直激光光轴的平面上，所述工件夹具装配在所述薄型旋转台的旋转面上；所述上位机通过滑台驱动器控制所述xy位移单元和薄型旋转台的运动。
5.根据权利要求4所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，所述工件通过压钉固定在所述薄型旋转台的旋转面上。
6.根据权利要求4所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，所述xy位移单元采用斜45度布局。
7.根据权利要求1所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，所述出射筒出射面的外环设有气体防护环，与外部气管连接；所述气体防护环圆周和端面均布一一对应的气孔，且对应气孔之间相互导通。
8.根据权利要求1所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置，其特征在于，所述射流枪单元包括：第三弯板、射流调整台、射流枪底板、高压射流枪、储水罐、稳压罐、压力指示器和压缩机；所述第三弯板安装在安装板上，所述射流调整台设置在所述安装板上；所述高压射流枪通过射流枪底板安装在所述射流调整台上；所述压力指示器采集所述储水罐和稳压罐内的压力，将采集数据传送至上位机，所述上位机计算出适合的压力值，通过控制压缩机，分别控制稳压罐和储水罐的压力，从而控制高压射流枪的出水压力。
9.基于权利要求1-8任意一项所述的稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：激光器单元运行自动调焦程序后，在上位机中设定工件的运动程序、激光器单元的振幅、高压射流枪喷射的压力和角度；
步骤二：将加工工件通过压钉固定在工件夹板上，上位机开始按照设定程序执行命令，激光器开始工作，在换能器和柔性支撑梁的带动下第一反射镜在垂直光轴方向往复运动，实现激光器对工件宏观加工轨迹耦合运动；同时压缩机按照上位机发送的压力参数给稳压罐提供既定压力，高压射流枪喷射出一定压力的水流，利用超高压微射流参与激光已加工表面二次修整，剥离已加工表面重铸层，清洁已加工表面附着物；
步骤三：当压力指示器显示压力不能达到设定值时，将控制信号传送至上位机，上位机通过控制压缩机为稳压罐和储水罐提供设定压力值；
步骤四：在加工过程中，废液通过安装板上的废液槽和排水管排出装置外部。
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