CN113579380A - 一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,属于特种加工技术领域,能够解决现有激光与电解复合加工装置结构复杂,加工效率和精度较低的问题。所述装置包括:复合加工头、激光模块、电解液模块和电源;复合加工头包括:输入光纤、准直器、聚焦透镜、工具电极;工具电极包括石英光纤和管状电极;输入光纤用于将激光模块出射的激光束传输至准直器;准直器用于对激光束进行准直处理;聚焦透镜用于将激光束聚焦至石英光纤的入光端面的中心位置;复合加工头还包括电解液腔体,石英光纤位于电解液腔体内;电解液从石英光纤和管状电极之间的缝隙流出、且与石英光纤内的激光束一起射向工件的待加工区域。本发明用于工件加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,属于特种加工技术领域。
背景技术
复合加工(Hybrid Machining Processes,HMPs)工艺综合了不同加工工艺的特点和耦合效应,同时避免单一工艺存在的问题,实现“1+1≥3”的效果。随着难加工材料的广泛应用,对加工表面完整性、加工效率、加工精度等综合要求的提高,复合加工技术在极端精密制造、特种加工制造等领域的应用日益广泛。复合加工工艺已成为先进制造领域的研究热点和重要发展趋势。
电解加工以离子形式去除材料,加工中无热影响及残余应力,具有高表面完整性。激光与电解复合加工(Laser and Electrochemical Machining,LECM)结合了激光加工材料适应性强、加工效率高和电解加工表面质量好的优势。当前的激光与电解复合加工技术直接加工激光作用于浸于电解液中工件加工区,或将激光通过阴极喷口中流出的电解液束流直接聚焦于工件加工区。激光辅助可提高电解加工效率和加工精度,且其加工表面无再铸层和热影响。当激光功率密度超过一定阈值时,激光可直接去除材料,进一步提高激光与电解复合加工技术的材料去除效率,同时电解加工可去除激光加工产生的再铸层和热影响区,提高加工表面的完整性。
由于加工区产物排出困难,喷口和工件之间的间隙较大,导致激光与电解复合加工技术加工深度较小,加工锥度较大,加工精度控制困难。针对激光与电解复合加工存在的以上问题,现有技术中提出了一种激光介入微细电解加工方法,利用制备的特殊工具电极将激光以全反射的方式同步传导至加工区,可实现大深度加工区的激光与电解复合加工。但该工艺仍存在以下问题:1、工具电极结构复杂,制备过程繁琐,直径较大,导致加工小孔直径较大;2、激光传输效率受电解液状态(包括纯净度、离子浓度、流动状态、射流长度等)、加工深度及激光焦点位置的液体击穿等离子体影响较大,能量损耗较大;3、对激光器技术要求较高,需采用波长532nm绿光激光器以减小溶液对激光能量的吸收率,降低能量损耗;4、激光与运动液核光纤管电极的耦合误差与运动系统精度相关,耦合精度和工艺稳定性较差。
发明内容
本发明提供了一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,能够解决现有激光与电解复合加工装置结构复杂,加工效率和精度较低的问题。
本发明提供了一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,其特征在于,包括:复合加工头、激光模块、电解液模块和电源;
所述复合加工头包括:输入光纤,以及依次设置在所述输入光纤的输出光路上的准直器、聚焦透镜、工具电极;所述工具电极包括石英光纤和同轴套设在所述石英光纤上的管状电极;
所述输入光纤与所述激光模块连接,用于将所述激光模块出射的激光束传输至所述准直器;所述准直器用于对所述激光束进行准直处理;所述聚焦透镜用于将所述准直器出射的激光束聚焦至所述石英光纤的入光端面的中心位置;
所述复合加工头还包括电解液腔体,所述石英光纤位于所述电解液腔体内、且其两端分别穿过所述电解液腔体的顶壁和底壁;
所述电解液腔体的侧壁上设置有多个进液口,所述电解液模块通过所述进液口向所述电解液腔体内输送电解液;所述电解液从所述石英光纤和所述管状电极之间的缝隙流出、且与所述石英光纤内的激光束一起射向工件的待加工区域;
所述电源的正极与工件连接,所述电源的负极与所述工具电极连接。
可选的,所述石英光纤位于所述电解液腔体的中心;多个所述进液口均匀分布在所述电解液腔体的侧壁上。
可选的,所述装置还包括CCD视觉模块,所述CCD视觉模块用于实时监控激光束焦点和所述石英光纤的入光端面的相对位置。
可选的,所述CCD视觉模块包括衰减片、成像透镜、CCD镜头和二向色分光镜;
所述二向色分光镜设置在所述准直器与所述聚焦透镜之间,用于将所述准直器出射的激光束反射至所述聚焦透镜,并透射可见光;
所述衰减片、所述成像透镜和所述CCD镜头依次设置在所述二向色分光镜透射的可见光光路上。
可选的,所述复合加工头还包括光学位移平台,所述光学位移平台用于调整所述石英光纤的位置,以使激光束焦点位于所述石英光纤的入光端面的中心位置。
可选的,所述管状电极为金属毛细管;所述电源的正极与工件连接,所述电源的负极与所述管状电极连接。
可选的,所述金属毛细管的制作材料为不锈钢、黄铜、钛和钛合金中的任意一种。
可选的,所述金属毛细管的直径为0.3mm~1.2mm。
可选的,所述金属毛细管的外壁涂覆有绝缘层。
可选的,所述绝缘层为陶瓷绝缘涂层。
可选的,所述绝缘层的厚度为10μm~30μm。
可选的,所述石英光纤外壁上具有金属涂层。
可选的,所述石英光纤的直径为0.1mm~0.8mm。
可选的,所述石英光纤外壁上具有金属涂层;所述管状电极为石英毛细管;
所述电源的正极与工件连接;所述电源的负极与所述金属涂层连接。
可选的,所述电源为直流电源、直流脉冲电源和双极性脉冲电源中的任意一种。
可选的,所述装置还包括多维运动平台和控制模块,所述工件安装在所述多维运动平台,所述控制模块用于控制所述多维运动平台运动。
可选的,所述装置还包括Z轴运动结构,所述复合加工头安装在所述Z轴运动结构上,所述控制模块还用于控制所述Z轴运动结构运动。
本发明能产生的有益效果包括:
本发明提供的光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,通过采用与金属毛细管或石英毛细管同轴安装石英光纤将激光传导至端面加工间隙,利用激光加工高效去除端面加工间隙材料,同时利用电化学刻蚀效应去除激光加工产生的锥度和侧面间隙材料,保证加工小孔表面的高表面完整性。本发明无需制备结构复杂的工具电极,不需要在工具电极内部安装低折射率约束层。随著工具电极向工件方向的进给,激光能量可同步高效传导至工件材料内部大深度加工区域,实现大深度加工区激光能量场和电化学能量场的同轴同步耦合,利用激光与电解复合加工实现对工件材料的高效、高精、高表面完整性去除。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光纤激光与电解同轴同步复合加工装置示意图一;
图2为本发明实施例提供的带有CCD视觉模块的光纤激光与电解同轴同步复合加工装置示意图;
图3为本发明实施例提供的采用金属毛细管的光纤激光与电解同轴同步复合加工示意图;
图4为本发明实施例提供的采用石英毛细管的光纤激光与电解同轴同步复合加工示意图;
图5为本发明实施例提供的光纤激光与电解同轴同步复合加工装置示意图二。
部件和附图标记列表:
1、输入光纤;2、准直器;3、激光束;4、聚焦透镜;5、石英光纤;6、电解液腔体;7、管状电极;8、进液口;9、电源;10、工件;11、复合加工头进给方向;12、二向色分光镜;13、衰减片;14、成像透镜;15、CCD镜头;16、金属毛细管;17、绝缘层;18、电解液射流;19、石英毛细管。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明,但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,参考图1至图5所示,包括:复合加工头、激光模块、电解液模块和电源9。
复合加工头包括:输入光纤1,以及依次设置在输入光纤1的输出光路上的准直器2、聚焦透镜4、工具电极;工具电极包括石英光纤5和同轴套设在石英光纤5上的管状电极7;输入光纤1与激光模块连接,用于将激光模块出射的激光束传输至准直器2;准直器2用于对激光束进行准直处理;聚焦透镜4用于将准直器2出射的激光束3聚焦至石英光纤5的入光端面的中心位置。
复合加工头还包括电解液腔体6,石英光纤5位于电解液腔体6内、且其两端分别穿过电解液腔体6的顶壁和底壁;电解液腔体6的侧壁上设置有多个进液口8,电解液模块通过进液口8向电解液腔体6内输送电解液;电解液从石英光纤5和管状电极7之间的缝隙流出、且与石英光纤5内的激光束一起射向工件10的待加工区域;电源9的正极与工件10连接,电源9的负极与工具电极连接。
在本发明实施例中,激光束经聚焦透镜4聚焦后与石英光纤5耦合。激光束的焦点位于石英光纤5入口中心位置。
如图1和图2所示,激光束通过输入光纤1和准直器2,经过聚焦透镜4聚焦后耦合进石英光纤5中。其中,石英光纤5从中心穿过电解液腔体6中。管状电极7安装于电解液腔体6的下方,电解液从进液口8流入电解液腔体6中,从石英光纤5和管状电极7之间的间隙流向加工区域,电解液和激光同轴同步作用于工件10的加工区域。如图3所示,电源9的正极、负极分别和工件10、管状电极7连接。
本发明提供的光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,具有如下有益效果:1、利用石英光纤5传导激光能量可避免电解液浓度、流动状态等对激光传导效率的影响,解决大深度加工时激光的高效率传导问题;2、激光束直接与石英光纤5耦合,可实现对耦合精度的精确控制,提高耦合稳定性;3、激光加工高效去除端面间隙材料,电解加工可同步去除激光加工产生的锥度,同时去除激光加工的再铸层和热影响区,提高加工精度、深径比和表面完整性;4、石英光纤5和管状电极7可同步深入加工区域,实现在工件材料内部的激光传导,实现在大深度加工区激光与电化学能量场的可控高效耦合;5、采用石英光纤5直接传导激光,有利于提高复合加工头的运动柔性度,避免运动系统精度对耦合精度和稳定性的影响。
进一步的,石英光纤5位于电解液腔体6的中心;多个进液口8均匀分布在电解液腔体6的侧壁上。石英光纤5位于电解液腔体6的中心位置,石英光纤5入光端位于电解液腔体6的外部。通过设置多个进液口8均匀分布,可以减小腔体内电解液压力对石英光纤5位置精度的影响。
参考图2所示,装置还包括CCD视觉模块,CCD视觉模块用于实时监控激光束焦点和石英光纤5的入光端面的相对位置;具体的,CCD视觉模块包括衰减片13、成像透镜14、CCD镜头15和二向色分光镜12;二向色分光镜12设置在准直器2与聚焦透镜4之间,用于将准直器2出射的激光束反射至聚焦透镜4,并透射可见光;衰减片13、成像透镜14和CCD镜头15依次设置在二向色分光镜12透射的可见光光路上。
进一步的,复合加工头还包括光学位移平台,光学位移平台用于调整石英光纤5的位置,以使激光束焦点位于石英光纤5的入光端面的中心位置。
参考图3所示,管状电极7为金属毛细管16;电源9的正极与工件10连接,电源9的负极与管状电极7连接;其中,金属毛细管16的制作材料为不锈钢、黄铜、钛和钛合金中的任意一种;金属毛细管16的直径为0.3mm~1.2mm。
在实际应用中,金属毛细管16的外壁涂覆有绝缘层17;绝缘层17可以为陶瓷绝缘涂层;绝缘层17的厚度为10μm~30μm。
在本发明实施例中,石英光纤5可以为石英裸光纤或高抗弯曲强度金属涂层石英光纤5,其直径可以为0.1mm~0.8mm。
当石英光纤5外壁上具有金属涂层时;管状电极7可以为石英毛细管19;此时,电源9的正极与工件10连接;电源9的负极与金属涂层连接。
本发明实施例的激光模块中包括激光光源和冷水机,冷水机用于对激光光源进行降温;所采用激光光源的波长可为但不限于532nm、1064nm,可通过反射镜或光纤耦合单元将激光传导至复合加工头。
本发明实施例中的电源9可以为直流电源、直流脉冲电源和双极性脉冲电源中的任意一种。
本发明实施例中的电解液可以为酸性、碱性或中性化学溶液,如NaNO3溶液、NaCl溶液、H2SO4溶液等。参考图5所示,电解液经增压系统增压后进入电解液腔体6内,经过管状电极7流向工件10的加工区域。
在实际应用中,装置还包括多维运动平台和控制模块,工件10安装在多维运动平台,控制模块用于控制多维运动平台运动;优选的,装置还包括Z轴运动结构,复合加工头安装在Z轴运动结构上,控制模块还用于控制Z轴运动结构运动。通过工件10与工具电极(包括石英光纤5和同轴安装的管状电极7)相对运动轨迹的数字化控制,可实现小孔、槽、三维结构等的激光与电解复合加工。
采用上述光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,利用石英光纤5传导激光能量可避免电解液浓度、纯净度、流动状态等对激光传导效率的影响,解决大深度加工时激光的高效率传导问题,且激光束直接与石英光纤5耦合,可实现对耦合精度的精确控制,提高耦合稳定性。激光加工高效去除端面间隙材料,电解加工可同步去除激光加工产生的锥度,同时去除激光加工产生的再铸层和热影响区,提高加工精度、深径比和表面完整性,实现高品质深小孔等结构的高效、高品质加工。
以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置,其特征在于,包括:复合加工头、激光模块、电解液模块和电源;
所述复合加工头包括:输入光纤,以及依次设置在所述输入光纤的输出光路上的准直器、聚焦透镜、工具电极;所述工具电极包括石英光纤和同轴套设在所述石英光纤上的管状电极;
所述输入光纤与所述激光模块连接,用于将所述激光模块出射的激光束传输至所述准直器;所述准直器用于对所述激光束进行准直处理;所述聚焦透镜用于将所述准直器出射的激光束聚焦至所述石英光纤的入光端面的中心位置;
所述复合加工头还包括电解液腔体,所述石英光纤位于所述电解液腔体内、且其两端分别穿过所述电解液腔体的顶壁和底壁;
所述电解液腔体的侧壁上设置有多个进液口,所述电解液模块通过所述进液口向所述电解液腔体内输送电解液;所述电解液从所述石英光纤和所述管状电极之间的缝隙流出、且与所述石英光纤内的激光束一起射向工件的待加工区域;
所述电源的正极与工件连接,所述电源的负极与所述工具电极连接。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述石英光纤位于所述电解液腔体的中心;多个所述进液口均匀分布在所述电解液腔体的侧壁上。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述装置还包括CCD视觉模块,所述CCD视觉模块用于实时监控激光束焦点和所述石英光纤的入光端面的相对位置;
优选的,所述CCD视觉模块包括衰减片、成像透镜、CCD镜头和二向色分光镜;
所述二向色分光镜设置在所述准直器与所述聚焦透镜之间,用于将所述准直器出射的激光束反射至所述聚焦透镜,并透射可见光;
所述衰减片、所述成像透镜和所述CCD镜头依次设置在所述二向色分光镜透射的可见光光路上。
4.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述复合加工头还包括光学位移平台,所述光学位移平台用于调整所述石英光纤的位置,以使激光束焦点位于所述石英光纤的入光端面的中心位置。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述管状电极为金属毛细管;所述电源的正极与工件连接,所述电源的负极与所述管状电极连接;
优选的,所述金属毛细管的制作材料为不锈钢、黄铜、钛和钛合金中的任意一种;
优选的,所述金属毛细管的直径为0.3mm~1.2mm。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述金属毛细管的外壁涂覆有绝缘层;
优选的,所述绝缘层为陶瓷绝缘涂层;
优选的,所述绝缘层的厚度为10μm~30μm。
7.根据权利要求1或5所述的装置,其特征在于,所述石英光纤外壁上具有金属涂层;
优选的,所述石英光纤的直径为0.1mm~0.8mm。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述石英光纤外壁上具有金属涂层;所述管状电极为石英毛细管;
所述电源的正极与工件连接;所述电源的负极与所述金属涂层连接。
9.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电源为直流电源、直流脉冲电源和双极性脉冲电源中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括多维运动平台和控制模块,所述工件安装在所述多维运动平台,所述控制模块用于控制所述多维运动平台运动;
优选的,所述装置还包括Z轴运动结构,所述复合加工头安装在所述Z轴运动结构上,所述控制模块还用于控制所述Z轴运动结构运动。
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CN202110804804.7A CN113579380A (zh) | 2021-07-16 | 2021-07-16 | 一种光纤激光与电解同轴同步复合加工装置 |
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CN114346339A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-04-15 | 江苏大学 | 超声辅助激光与电化学复合多能场协同加工系统及方法 |
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2021
- 2021-07-16 CN CN202110804804.7A patent/CN113579380A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114346339A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-04-15 | 江苏大学 | 超声辅助激光与电化学复合多能场协同加工系统及方法 |
CN114346339B (zh) * | 2022-01-28 | 2024-01-30 | 温州大学激光与光电智能制造研究院 | 超声辅助激光与电化学复合多能场协同加工系统及方法 |
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