CN113492270B - 一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置和方法，涉及激光精密加工领域，装置包括飞秒激光器、

波片、光阑、扩束镜、空间光整形器、扫描振镜、计算机、数控三轴运动平台、吸尘装置、工装夹具、过滤系统、密封管、压力表和抽真空泵；该技术方案原理是采用圆偏振态、平顶光分布的飞秒激光进行喷嘴切向孔的均匀精密加工，通过所述工装夹具中的防护挡块实现切向孔出口处的背伤保护，抽真空泵产生的负压既能监测孔的击穿情况，又能避免产生的等离子体对激光的屏蔽。本发明可以有效提高目前喷嘴切向孔的加工精度，避免重铸层和热影响的缺陷，又为背伤保护提出了解决办法，有助于提高喷嘴产品的液流性能。

Description

一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置和方法

技术领域

本发明属于激光精密加工领域，尤其涉及一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置和方法。

背景技术

喷嘴作为燃烧设备的一种典型重要组件，被广泛应用在化工行业、汽车工业、航空航天等领域中。其中，离心式喷嘴的工作原理是液体在在压力作用下通过切向孔产生旋流运动，最后以锥形液膜的形式旋转喷出。因此，喷嘴切向孔的制造好坏至关重要，切向孔的加工精度和表面质量会显著影响喷嘴的流量特性、雾化特性和使用寿命，从而进一步降低应用产品的性能和质量。尤其在航空航天发动机的应用中，涉及许多精密零部件，喷嘴的性能要求也更高，这对工艺制造水平提出了更苛刻的要求。

目前喷嘴切向孔的工业加工手段主要有机械加工、电火花加工和纳秒激光加工三种，但这些方法都存在一定不足和缺陷。首先，机械钻孔孔口有毛刺，微细钻头刚度差，易偏摆，还存在排屑困难。电火花加工电极丝易扰动，表面有重铸层和飞溅粘附，导致侧壁粗糙度较差。纳秒激光加工也存在熔融飞溅和重铸层，热影响区明显，加工的孔还有明显锥度，出入口直径相差大，同时在加工中难以避免后壁损伤。这些加工质量问题容易导致液流抖动和分叉，雾化性能降低，甚至引发关键部件故障而无法正常工作。

由此可见，现有的工业加工手段制造的喷嘴切向孔都不可避免存在一定不足，这会限制我国有关产品的可靠性和工作性能提升，渐渐难以满足国家对高性能喷嘴的设计使用需求。因此，亟需探索一种新型有效的方法来推动精密喷嘴微孔结构的高质量加工与应用。

发明内容

为解决目前喷嘴切向孔精密加工存在的孔壁重铸、粗糙有毛刺、等离子体屏蔽、后壁损伤、锥度和曲面定位等问题，本发明提供了一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置和方法。

为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，包括飞秒激光器，飞秒激光产生激光的光路上依次放置有

波片、光阑、扩束镜、空间光整形器和扫描振镜；

扫描振镜下方放置有数控运动平台，工装夹具固定在数控运动平台上，一侧放置有吸尘装置并用于对准喷嘴工件加工位置，喷嘴工件一端固定在工装夹具上，另一端连接有密封管，喷嘴工件和过滤系统、压力表、抽真空泵之间依次通过密封管连通；

所述飞秒激光器、扫描振镜和数控运动平台与计算机连接进行控制。

本发明进一步的改进在于，所述飞秒激光器能够产生的激光波长为1030nm，平均功率最大为20W，重复频率最大为200kHz，具有指示光斑。

本发明进一步的改进在于，所述数控运动平台能实现x,y,z三个方向上的移动。

本发明进一步的改进在于，所述过滤系统入口和出口处设置有S型气流通道，过滤系统内部装有能吸附加工去除材料碎屑的液体，如水等，液面高度略低于S型气流通道下沿。

本发明进一步的改进在于，所述工装夹具包括底座、角度刻度盘、旋转角度指示盘、螺栓、轴承和对壁防伤挡块；角度刻度盘通过螺纹连接安装在底座上，角度刻度盘一个端面上标有0-360°的刻度，端面中心开有小孔，与轴承外圈通过过盈配合安装，侧面有一个十字定位标记位于中心的平面；旋转角度指示盘的大端端面中心有一个螺纹孔，螺栓中间光杆部分与轴承内圈过盈配合，末端螺纹部分旋入旋转角度指示盘的螺纹孔，将旋转角度指示盘和角度刻度盘连接在一起；旋转角度指示盘的大端侧面有一个刻度标定线；旋转角度指示盘的小端端面上设置有三个周向均匀分布的矩形孔，对壁防伤挡块通过过盈配合安装在矩形孔内；旋转角度指示盘的小端侧面上安装有密封圈，喷嘴工件通过间隙配合安装固定在旋转角度指示盘的小端，小端端面与喷嘴工件内台阶面重合。

本发明进一步的改进在于，所述旋转角度指示盘能够带动喷嘴工件一起相对角度刻度盘转动，同时依靠螺栓的旋紧程度能够使旋转角度指示盘和角度刻度盘之间保持预设压力，从而旋转角度指示盘的刻度标定线能够静止固定在角度刻度盘的任意角度位置处。

本发明进一步的改进在于，所述旋转角度指示盘能够更换，从而适用不同型号的喷嘴工件。

本发明进一步的改进在于，所述对壁防伤挡块为高熔点、高热容和高反射率材料制成，通过间隙配合安装固定在旋转角度指示盘的小端端面上。

本发明进一步的改进在于，所述旋转角度指示盘的刻度标定线停留在0°位置处时，面朝角度刻度盘标有0-360度的刻度的端面，位于喷嘴工件中心轴右下侧的对壁防伤挡块的遮挡面与水平面呈45°。

一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的方法，该方法基于所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，包括以下步骤：

步骤一：将喷嘴工件套在工装夹具的旋转角度指示盘的小端上安装固定，调整旋转角度指示盘上的刻度标定线停留在到0°位置处，喷嘴工件的另一端连接密封管；

步骤二：开启飞秒激光器的指示光斑开关，利用指示光斑将激光的焦点聚焦到工装夹具的角度刻度盘上的十字定位标记中心，然后将工装夹具固定在数控运动平台上；

步骤三：根据喷嘴工件和工装夹具的尺寸计算出喷嘴工件待加工切向孔中心位置和角度刻度盘上的十字定位标记中心位置的空间距离，控制数控运动平台移动相应距离使激光的焦点聚焦到喷嘴工件待加工切向孔中心位置；

步骤四：打开抽真空泵开关，进行抽真空，直到压力表读数达到-0.05MPa，关闭抽真空泵开关，等待5min，压力表读数不发生变化，证明气密性良好；

步骤五：打开吸尘装置，利用计算机扫描振镜控制软件绘制好切向孔的螺旋扫描轨迹，开启飞秒激光器的激光开关，配合数控运动平台的进给运动进行螺旋转孔；

步骤六：当压力表读数开始变大，逐渐回到0MPa时，证明切向孔已经钻穿；此时，调小激光功率到原来的一半，再进行螺旋钻孔约2-3min，然后关闭飞秒激光器的激光开关，关闭吸尘装置；

步骤七：使用硅胶塞塞住刚钻好的切向孔，转动旋转角度指示盘上的刻度标定线到下一个待加工切向孔所对应的角度位置处；

步骤八：重复步骤四-七，直到加工完喷嘴工件的所有切向孔，取下喷嘴工件，关闭所有设备。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

1.本发明采用飞秒激光进行钻孔，并将飞秒激光器出来的线偏振态高斯光束通过

波片和空间光整形器转变成了圆偏振态的平顶光束，可以实现喷嘴切向孔的高精度、高质量、无重铸、无毛刺、无锥度的钻孔。

2.本发明采用辅助吸尘装置，可以避免飞秒激光钻孔过程中产生的等离子体在孔口及孔内的聚集。等离子体在孔口及孔内的聚集会造成对激光能量的屏蔽导致钻孔到一定深度无法继续加工下去，并且等离子体团簇附近会发生显著的热积累造成重铸和热影响，会带来孔的加工质量下降等危害。

3.本发明设计的工装夹具包含角度刻度盘和十字定位标记，通过十字定位标记的过渡，计算与喷嘴工件切向孔加工位置的相对距离，然后再利用数控运动平台位移相应距离，可以有效解决喷嘴工件在曲面上的切向孔加工定位问题。

4.本发明设计的工装夹具包含有高熔点、高热容、高反射率的对壁防伤挡块，可以有效避免飞秒激光钻通孔后对后壁的损伤问题。

5.本发明设计的工装夹具中的对壁防伤挡块和旋转角度指示盘都可拆卸更换，可适用于不同型号种类的喷嘴工件切向孔加工，结构简单，操作方便。

6.本发明包含有抽真空泵、压力表、密封管、过滤系统等在内的负压系统，可以对喷嘴工件切向孔是否钻通进行监测，同时可以避免钻通孔时包含去除材料在内的等离子体在切向孔出口处的堆积引起出口质量不佳。其中的过滤系统在出入口处设置有多道S型气流通道结合液体吸附和沉积，可以有效实现对该系统内空气的净化，避免包含有喷嘴工件切向孔去除材料的等离子体颗粒进入抽真空泵引起损坏。

附图说明

图1为本发明所述的飞秒激光加工喷嘴的整体装置的结构示意图；

图2为本发明所述的未加工切向孔的喷嘴工件的结构示意图，图2(b)为图2(a)A-A向剖视图；

图3为本发明所述的加工切向孔后的喷嘴工件的结构示意图，图3(b)为图3(a)B-B向剖视图；

图4为本发明所述的工装夹具的整体结构示意图；

图5为本发明所述的工装夹具在竖直中间平面的剖视图；

图6为本发明所述的图5中所示的工装夹具在C-C剖面上的剖视图；

图7为本发明所述的工装夹具中的对壁防伤挡块和旋转角度指示盘的安装结构示意图。

附图标记如下：

1-飞秒激光器、2-

波片、3-光阑、4-扩束镜、5-空间光整形器、6-扫描振镜、7-计算机、8-吸尘装置、9-数控运动平台、10-工装夹具、11-喷嘴工件、 12-过滤系统、13-水、14-压力表、15-密封管、16-抽真空泵、111-喷嘴工件的切向孔、101-密封圈、102-角度刻度盘、103-轴承、104-螺栓、105-底座、106- 旋转角度指示盘、107-对壁防伤挡块、1071-第一对壁防伤挡块、1072-第二对壁防伤挡块、1073-第三对壁防伤挡块、10711-第一对壁防伤挡块遮挡面、 10712-第一对壁防伤挡块导向面、10721-第二对壁防伤挡块遮挡面、10722-第二对壁防伤挡块导向面、10731-第三对壁防伤挡块遮挡面、10732-第三对壁防伤挡块导向面。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的范围并不仅限于此。

实施例一，以三切向孔的喷嘴工件加工为例。图2为本发明所述的未加工切向孔的喷嘴工件的结构示意图，图3为本发明所述的加工切向孔后的喷嘴工件的结构示意图。

如图1所示，本发明提供的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，包括飞秒激光器1、

波片2、光阑3、扩束镜4、空间光整形器5、扫描振镜6、计算机7、吸尘装置8、数控运动平台9、工装夹具10、过滤系统12、水13、压力表 14、密封管15和抽真空泵16。所述飞秒激光器1水平放置在光学平台上，产生的激光光路上依次通过螺纹连接固定安装

波片2、光阑3、扩束镜4、空间光整形器5和扫描振镜6。所述扫描振镜6正下方设置数控运动平台9，数控运动平台9上通过螺纹连接固定安装工装夹具10。所述喷嘴工件11通过间隙配合嵌套固定安装在工装夹具10上，喷嘴工件11切向孔的加工位置正对着从所述扫描振镜6出来的激光，旁边设置吸尘装置8正对喷嘴工件11切向孔的加工位置。喷嘴工件11的另一端连接密封管15，密封管15的另一端连接过滤系统12的入口。过滤系统12的出口与压力表14通过密封管15相连，压力表14与抽真空泵16通过密封管15相连。计算机7连接并控制飞秒激光器1、扫描振镜6和数控运动平台9，实现对喷嘴工件11切向孔的加工。

如图4所示，所述工装夹具10的旋转角度指示盘106的小端侧面沟槽内套上密封圈101，然后将喷嘴工件11套在所述工装夹具10的旋转角度指示盘106 的小端上，直到喷嘴工件11内台阶面与所述工装夹具10的旋转角度指示盘106 的小端端面重合，通过间隙配合安装固定并保证气密性。所述工装夹具10的角度刻度盘102的侧面有一个十字定位标记的平面，通过所述喷嘴工件11和工装夹具10的尺寸计算可以获得所述十字定位标记与喷嘴工件11切向孔加工位置的相对距离，从而进行准确定位。旋转角度指示盘106的大端侧面上有一个刻度标定线，用以指示喷嘴工件11的转动角度，实现喷嘴工件11多个不同位置处的切向孔的加工。

如图5所示，所述工装夹具10包括密封圈101、角度刻度盘102、轴承103、螺栓104、底座105、旋转角度指示盘106和对壁防伤挡块107。所述底座105 上通过螺纹连接安装固定角度刻度盘102，通过螺栓104的螺纹连接配合轴承 103将角度刻度盘102和旋转角度指示盘106安装到一起，既能相对转动，又能固定在任意角度位置，从而实现多个切向孔加工位置的定位。所述3个对壁防伤挡块107通过间隙配合固定安装在旋转角度指示盘106的小端面上。对壁防伤挡块107为高熔点、高热容、高反射率材料，对飞秒激光的烧蚀阈值应当高于喷嘴工件11，比如钨、石墨、铝等，当发生损坏，很方便进行拆卸更换。

如图6所示，当旋转角度指示盘106的刻度标定线指在角度刻度盘102的 0°位置时，喷嘴工件11的第一个待加工切向孔恰好处于竖直向下的状态，且位于角度刻度盘102中轴的右上侧，当加工完第一个切向孔时，只需将旋转角度指示盘106顺时针转过120°，第二个待加工切向孔就到达了原来第一个切向孔的位置，就可以直接进行相同的加工，直至加工完所有切向孔。

如图7所示，在加工喷嘴工件11的第一个切向孔时，飞秒激光沿第二对壁防伤挡块导向面10722竖直向下入射，恰好与第一对壁防伤挡块遮挡面10711夹 45°，可以增强飞秒激光的反射，削弱第一对壁防伤挡块1071对飞秒激光的能量吸收，有效防止第一对壁防伤挡块1071被飞秒激光轻易烧蚀掉，从而解决切向孔加工中的背面损伤问题，并且可以增强第一对壁防伤挡块1071的使用寿命。同时，第二对壁防伤挡块导向面10722与入射飞秒激光平行，可以不构成遮挡。加工完第一个切向孔，旋转角度指示盘106顺时针转过120°，到达第二个切向孔加工位置，此时飞秒激光恰好沿第三对壁防伤挡块导向面10732竖直向下入射，与第二对壁防伤挡块遮挡面10721夹45°。加工完第二个切向孔，旋转角度指示盘106继续顺时针转过120°，到达第三个切向孔加工位置，此时飞秒激光恰好沿第一对壁防伤挡块导向面10712竖直向下入射，与第三对壁防伤挡块遮挡面10731夹45°，至此完成第三个切向孔的加工。

本发明提供的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的方法，包括以下步骤：

步骤一：如图4所示，将工装夹具10的旋转角度指示盘106的小端侧面沟槽内套上密封圈101，然后将喷嘴工件11套在所述工装夹具10的旋转角度指示盘106的小端上，直到喷嘴工件11内台阶面与所述工装夹具10的旋转角度指示盘106的小端端面重合，通过间隙配合安装固定，调整旋转角度指示盘106上的刻度标定线停留在到角度刻度盘102的0°位置处，喷嘴工件11的另一端连接密封管15。

步骤二：如图1和4所示，开启飞秒激光器1的指示光斑开关，利用指示光斑将激光的焦点聚焦到工装夹具10的角度刻度盘102上的十字定位标记中心，然后将工装夹具10固定在数控运动平台9上。

步骤三：如图1和4所示，根据喷嘴工件11和工装夹具10的尺寸计算出喷嘴工件11待加工切向孔中心位置相对角度刻度盘102上的十字定位标记中心位置的空间坐标(14.3,2.7)，控制数控运动平台9移动相应距离使激光的焦点聚焦到喷嘴工件11第一个待加工切向孔中心位置，位于角度刻度盘102中轴的右上侧，如图6。

步骤四：如图1所示，打开抽真空泵16开关，进行抽真空，直到压力表读数达到-0.05MPa，关闭抽真空泵16开关。等待5min，压力表读数不发生变化，证明气密性良好。此时，喷嘴工件11内部连通密封管15的一系列装置形成了一个真空负压系统。

步骤五：如图1所示，打开吸尘装置8，利用计算机7扫描振镜控制软件绘制好切向孔的螺旋扫描轨迹，开启飞秒激光器1的激光开关，配合数控运动平台9的进给运动进行螺旋转孔。其中，加工工艺参数为：飞秒激光聚焦光斑直径约22μm，离焦量-2mm，单脉冲能量200μJ，重频33.3kHz，螺旋扫描轨迹外径 400μm，螺旋间距10μm，扫描速度15mm/s。飞秒激光器1发出的线偏振态高斯光束首先经过光轴与线偏振方向夹45°的

波片2后会变成圆偏振态高斯光束，然后经过空间光整形器5可以转变为圆偏振态平顶光束，从而可以避免钻孔过程中的烧蚀速率不均产生锥度。

步骤六：当压力表读数开始变大，逐渐回到0MPa时，证明切向孔已经钻穿，此时真空负压系统通过钻穿的切向孔发生泄漏。此时，调小激光功率到原来的一半，能量密度小于对壁防伤挡块107的烧蚀阈值，避免损伤。再进行螺旋钻孔约 2-3min，对切向孔出口进行高质量修形，然后关闭飞秒激光器1的激光开关，关闭吸尘装置8。

步骤七：使用硅胶塞塞住刚钻好的切向孔，顺时针转动旋转角度指示盘106 角度为120°，使旋转角度指示盘106上的刻度标定线到达下一个加工位置。

步骤八：重复步骤四-七，直到加工完喷嘴工件11的三个切向孔，取下喷嘴工件11，关闭所有设备。获得三个切向孔的入口孔径为φ460μm，无毛刺、重铸层、对壁损伤等缺陷，加工质量高。

实施例二，当加工四切向孔的喷嘴工件11时，可以更换相应带有四个安装孔的旋转角度指示盘106和四个对应尺寸的对壁防伤挡块107，以用于加工四切向孔的喷嘴工件11。每加工完一个位置的切向孔，顺时针转动旋转角度指示盘 106角度为90°，其余加工方法基本同实施例一所述。

Claims (9)

1.一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，包括飞秒激光器，飞秒激光产生激光的光路上依次放置有

波片、光阑、扩束镜、空间光整形器和扫描振镜；

扫描振镜下方放置有数控运动平台，工装夹具固定在数控运动平台上，一侧放置有吸尘装置并用于对准喷嘴工件加工位置，喷嘴工件一端固定在工装夹具上，另一端连接有密封管，喷嘴工件和过滤系统、压力表、抽真空泵之间依次通过密封管连通；

所述飞秒激光器、扫描振镜和数控运动平台与计算机连接进行控制；

所述工装夹具包括底座、角度刻度盘、旋转角度指示盘、螺栓、轴承和对壁防伤挡块；角度刻度盘通过螺纹连接安装在底座上，角度刻度盘一个端面上标有0-360°的刻度，端面中心开有小孔，与轴承外圈通过过盈配合安装，侧面有一个十字定位标记位于中心的平面；旋转角度指示盘的大端端面中心有一个螺纹孔，螺栓中间光杆部分与轴承内圈过盈配合，末端螺纹部分旋入旋转角度指示盘的螺纹孔，将旋转角度指示盘和角度刻度盘连接在一起；旋转角度指示盘的大端侧面有一个刻度标定线；旋转角度指示盘的小端端面上设置有三个周向均匀分布的矩形孔，对壁防伤挡块通过过盈配合安装在矩形孔内；旋转角度指示盘的小端侧面上安装有密封圈，喷嘴工件通过间隙配合安装固定在旋转角度指示盘的小端，小端端面与喷嘴工件内台阶面重合。

2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，所述飞秒激光器能够产生的激光波长为1030nm，平均功率最大为20W，重复频率最大为200kHz，具有指示光斑。

3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，所述数控运动平台能实现x,y,z三个方向上的移动。

4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，所述过滤系统入口和出口处设置有S型气流通道，过滤系统内部装有能吸附加工去除材料碎屑的液体，液面高度略低于S型气流通道下沿。

5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，所述旋转角度指示盘能够带动喷嘴工件一起相对角度刻度盘转动，同时依靠螺栓的旋紧程度能够使旋转角度指示盘和角度刻度盘之间保持预设压力，从而旋转角度指示盘的刻度标定线能够静止固定在角度刻度盘的任意角度位置处。

6.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，所述旋转角度指示盘能够更换，从而适用不同型号的喷嘴工件。

7.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，所述对壁防伤挡块为高熔点、高热容和高反射率材料制成，通过间隙配合安装固定在旋转角度指示盘的小端端面上。

8.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，其特征在于，所述旋转角度指示盘的刻度标定线停留在0°位置处时，面朝角度刻度盘标有0-360度的刻度的端面，位于喷嘴工件中心轴右下侧的对壁防伤挡块的遮挡面与水平面呈45°。

9.一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至8中任一项所述的一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，包括以下步骤：

步骤一：将喷嘴工件套在工装夹具的旋转角度指示盘的小端上安装固定，调整旋转角度指示盘上的刻度标定线停留在到0°位置处，喷嘴工件的另一端连接密封管；

步骤二：开启飞秒激光器的指示光斑开关，利用指示光斑将激光的焦点聚焦到工装夹具的角度刻度盘上的十字定位标记中心，然后将工装夹具固定在数控运动平台上；

步骤三：根据喷嘴工件和工装夹具的尺寸计算出喷嘴工件待加工切向孔中心位置和角度刻度盘上的十字定位标记中心位置的空间距离，控制数控运动平台移动相应距离使激光的焦点聚焦到喷嘴工件待加工切向孔中心位置；

步骤四：打开抽真空泵开关，进行抽真空，直到压力表读数达到-0.05MPa，关闭抽真空泵开关，等待5min，压力表读数不发生变化，证明气密性良好；

步骤五：打开吸尘装置，利用计算机扫描振镜控制软件绘制好切向孔的螺旋扫描轨迹，开启飞秒激光器的激光开关，配合数控运动平台的进给运动进行螺旋转孔；

步骤六：当压力表读数开始变大，逐渐回到0MPa时，证明切向孔已经钻穿；此时，调小激光功率到原来的一半，再进行螺旋钻孔2-3min，然后关闭飞秒激光器的激光开关，关闭吸尘装置；

步骤七：使用硅胶塞塞住刚钻好的切向孔，转动旋转角度指示盘上的刻度标定线到下一个待加工切向孔所对应的角度位置处；

步骤八：重复步骤四-七，直到加工完喷嘴工件的所有切向孔，取下喷嘴工件，关闭所有设备。

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