CN113857657B - 一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置及方法 - Google Patents
一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置及方法，涉及激光制造与加工领域，激光辐照在工件上，工件置于水中，磁场相对工件旋转运动；在旋转磁场的作用下，对工件进行激光切孔。本发明通过在水下制孔，减少了激光制孔过程中的热影响，加入磁场可以削弱制孔过程中等离子体的影响，提高激光打孔效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光制造与加工领域，尤其涉及到一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔方法及装置。
背景技术
在如今的加工制造行业中，激光加工作为新兴的非接触形式的加工手段逐渐被大众熟知接受，而激光打孔作为激光加工中的重要组成部分，随着近代工业与科学技术的迅速发展，各国的专业学者都开始对激光打孔技术开展了广泛的研究，提出了各种现代化的激光打孔技术。
在飞秒激光打孔过程中，工件受热气化，若激光功率较高，工件上方将产生高温等离子体，高温等离子体通过吸收、散射和折射作用对激光产生屏蔽效应，不仅会降低激光的利用率，而且还会影响微孔成形，严重时，等离子体的屏蔽会使打孔过程无法进行。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔方法及装置，本发明技术方案中，通过水下进行加工削弱激光制孔的热影响，通过外加磁场改善激光制孔过程中的等离子体的运动，将磁场进行旋转，进而保证整个装置都处于均匀的磁场中，达到改善激光制孔时成孔质量以及提高打孔效率的目的，同时，层进式螺旋切孔相较于其他制孔方式可以显著降低成孔的锥度。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，激光辐照在工件上，工件置于水中，磁场相对工件旋转运动；在磁场的作用下，对工件进行激光切孔。
进一步的，所述激光对工件逐层螺旋切孔。
进一步的，工件置于加工平台上，所述加工平台置于水箱内，所述水箱设置在移动平台上。
进一步的，所述磁场为旋转磁场，旋转磁场由磁场旋转单元得到，所述磁场旋转单元包括磁铁、第一磁铁固定栏、第二磁铁固定栏、支撑板和转动轴；所述转动轴通过轴承安装在支撑轴上，所述支撑轴安装在水箱内，所述转动轴与从动齿轮固连，主动齿轮与从动齿轮啮合传动，从而带动转动轴旋转；所述转动轴的两侧水平设置有支撑板，两块所述支撑板上分别设置有第一磁铁固定栏和第二磁铁固定栏；所述第一磁铁固定栏和第二磁铁固定栏上设置有磁铁。
进一步的，还包括电路控制器，所述电路控制器通过数控平台调节激光的参数、移动平台的运作和辅助气体的开关；所述电路控制器控制电动机的转速从而调节磁场的旋转速度。
进一步的，所述水箱中间位置设置有亚克力玻璃板。
进一步的，所述主动齿轮与从动锥齿轮均设置在第三传动轴上，第三从动锥齿轮与第三主动锥齿轮啮合传动，所述第三主动锥齿轮设置在第二传动轴上，第二传动轴由支撑块支撑，第二传动轴上还安装有第二从动锥齿轮；所述第二从动锥齿轮与第二主动锥齿轮啮合，所述第二主动锥齿轮与第一从动锥齿轮设置在第一传动轴上，第一从动锥齿轮与第一主动锥齿轮啮合转动，所述第一主动锥齿轮安装在电动机的输出轴上。
进一步的，工件设置在加工平台上，且工件置于磁场中心；所述加工平台设置在支撑轴上。
进一步的，所述支撑板上开设有数个孔，可调节磁铁相对转动轴的距离。
使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置的切孔方法，包括如下步骤：将工件设置在加工平台上，水箱内加水至刚浸没工件；调节磁场以满足加工要求；调整激光头的位置，将激光束聚焦到工件待加工表面，在水介质和旋转磁场辅助下完成激光对工件的螺旋切孔。
本发明的有益效果为：
1. 本发明通过在水下制孔，减少了激光制孔过程中的热影响，加入磁场可以削弱制孔过程中等离子体的影响，提高激光打孔效率。
2. 本发明采用旋转磁场辅助激光打孔，有别于普通的添加磁场，旋转磁场可以使得加工过程中的磁场更加均匀的分布，提高激光制孔的成形质量。
3. 本发明采用传动系统来进行旋转磁场的设计，可以将电动机的高转速，更加便捷的调节降低，避免了过高速度的转动使得实验平台不稳定。
4. 在水箱上添加的亚克力玻璃板，可以在加工工程中，更加直观的观测到激光制孔的全过程，便于调节实验过程中的磁场转速等参数。
5. 支撑板上设有多个孔作为固定点，可调节磁铁固定栏相对转动轴的位置，便于调整磁场强度。
6. 水下中进行激光打孔，可极大程度地减少高温等离子体的产生，改善成孔的成形质量，磁场在打孔过程将产生一种电磁搅拌，从而使得工件上方的等离子体受到电磁力的作用而削弱，提高了入射激光的利用率与激光打孔的效率。
附图说明
图1为本发明实施例涉及到的水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的结构示意图；
图2为本发明图1中涉及到动力系统的结构示意图；
图3为本发明实施例涉及到的磁场旋转单元的结构示意图；
图4为本发明图3中加工平台及部件的结构示意图；
图5为本发明图3中磁铁固定栏的结构示意图；
图6为图5的C-C剖视图；
图7为本发明所述层进式螺旋切孔的路径示意图。
附图标记如下：
1-机床；2-电动机；3-移动平台；4-激光器；5-聚焦装置；6-激光头；7-水箱；8-数控平台；9-电路控制器；10-第一主动锥齿轮；11-第一从动锥齿轮；12-第一传动轴，13-第二主动锥齿轮；14-第二从动锥齿轮；15-支撑块；16-第二传动轴；17-第三主动锥齿轮；18-第三从动锥齿轮；19-第三传动轴；20-主动齿轮；21-从动齿轮；22-转动轴；23-第一磁铁固定栏；24-第一轴承；25-第二磁铁固定栏；26-门栓；27-加工平台；28-第二轴承；29-螺丝；30-螺母；31-支撑轴；32-支撑板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合附图1所示，一种水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，包括机床1、电动机2、移动平台3、激光器 4、聚焦装置5、激光头6、水箱7、数控平台8和电路控制器9，电路控制器9位于机床1右侧，数控平台8位于机床1右前方，移动平台3在机床1底部可进行x、y方向进行高精密移动，电动机2与水箱7固定在移动平台3上，随着移动平台3的移动而移动，水箱7的正面安置了一块亚克力玻璃板，便于时刻观测实验过程中的具体情况，亚克力玻璃板采用透明环氧树脂粘合，保证整个水箱的密封性。水箱7的底部固定于移动平台3上，水箱7的上方设置了罩子，罩子中央设置了开口，所述加工平台位于开口正下方，所述激光器位于开口正上方。
电路控制器9与电源连接，电动机2与数控平台8与电路控制器9电连接，电动机2带动传动系统的运转，调整不同的转速，数控平台调整实验过程中激光的参数、实验平台的移动以及辅助气体的开关。
结合附图2所示，传动系统包括电动机2、第一主动锥齿轮10、第一从动锥齿轮11、第一传动轴12、第二主动锥齿轮13、第二从动锥齿轮14、支撑块15、第二传动轴16、第三主动锥齿轮17、第三从动锥齿轮18、第三传动轴19、主动齿轮20和从动齿轮21；电动机2为旋转磁场提供动力，电动机2的旋转轴与第一主动锥齿轮10连接，第一主动锥齿轮10与第一从动锥齿轮11齿数不同，两齿轮啮合转动后改变了转速，第一从动锥齿轮11与第二主动锥齿轮13通过第一传动轴12连接保持相同转速，第二主动锥齿轮13与第二从动锥齿轮14齿数不同，两齿轮啮合转动后也改变了转速，第二从动锥齿轮14与第三主动锥齿轮17通过第二传动轴16连接保持相同转速，第三主动锥齿轮17与第三从动锥齿轮18齿数不同，两齿轮啮合转动后改变了转速，第三从动锥齿轮18与主动齿轮20通过第三传动轴19连接保持相同转速，最终主动齿轮20与从动齿轮21啮合，带动了从动齿轮21的中低速旋转，第二传动轴16通过支撑块15固定，保持了整个传动系统的稳定性。电动机的高转速通过锥齿轮传动至水箱内的从动齿轮，可以有效的减小转动速度，调节至适用于实验的磁场旋转速度。
结合附图3所示，从动齿轮21、转动轴22、两个磁铁固定栏以及两个轴承，从动齿轮21与转动轴22固定连接，所述传动系统带动了转动轴22的旋转，通过传动系统可以将电动机2的高转速降低调节至实验需要的磁场旋转速度。转动轴22与所述水箱7之间的轴承采用滚针轴承，轴承套用在水箱7的支撑柱31圆柱上，所述转动轴22可套用在第二轴承28外圈，轴承套用在转动轴22上，提高了运转精度，减小磁场旋转时的摩擦，提高了传动效率。
第一轴承24与第二轴承28保证了转动轴22与水箱7的嵌合，第一轴承24外嵌于转动轴22，第二轴承28内嵌于转动轴22，降低了转动轴旋转时摩擦力的影响。
两个磁铁分别安装于两个磁铁固定栏上，磁铁固定栏均有三个门栓26，保证磁铁在旋转过程中的稳定性，通过螺丝29与螺母30固定门栓26。
结合附图7所示，在激光逐层螺旋切割制孔的同时，激光焦斑沿孔深方向逐层同步下移。
一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的方法，包括以下步骤：
步骤一：将按要求处理好的工件正确安装在工件加工平台27，在水箱7中的加入水，控制水深达到实验要求；
步骤二：将实验中所使用的磁场安装至第一磁铁固定栏23和第二磁铁固定栏25，调整第一磁铁固定栏23、第二磁铁固定栏25在支撑板32的位置；
步骤三：启动电动机2，通过传动系统改变磁场转动的速度，启动激光器4，调整激光头6的位置，保证工件与激光头6之间的加工距离，调整激光束聚焦到工件待加工表面，在激光逐层螺旋切割制孔的同时，激光焦斑沿孔深方向逐层同步下移；使得工件在旋转磁场辅助的水介质中完成激光制孔，在水箱表面的亚克力玻璃板上可以观察整个加工过程。
一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置的工作原理为：
在激光打孔的过程中，随着重复频率以及激光功率的提高，成孔中的热影响区域也会越来越大，同时材料的剧烈气化，会产生大量的光致等离子体，这些光致等离子体会吸收、反射和散射激光束能量，降低激光制孔得的效率和质量，等离子云的运动、膨胀和潜在的爆炸也将影响激光制孔过程的稳定性。为了解决这些问题，提出了在水介质中旋转磁场辅助激光打孔，在水环境中打孔，整个工件都处于水介质中，有效的降低激光制孔时的温度，有利于削弱热影响区的扩大，而磁场可以引导光致等离子体向外运动，对激光束能量的屏蔽效应减弱，更多的激光能量被用于制孔，产生了更多的熔融金属，将磁场进行旋转，可以使得磁场在加工时更加均匀的作用于工件待加工表面，从而改善激光打孔质量如减少打孔缺陷，削弱热影响，改善微孔周边区域的显微组织及力学性能，层进式螺旋切孔是指在激光逐层螺旋切割制孔的同时，激光焦斑沿孔深方向逐层同步下移，克服了激光束本身形状对微孔成形的影响，保证了激光焦斑辐照在材料去除面上，由此很好的解决了传统激光环切制孔时激光焦斑在孔深方向不产生相对位移的问题，减少了成孔的锥度。因此，本发明可以明显改善孔壁的表面质量，减少激光打孔的热影响区，使激光打孔的质量和打孔效率得到有效的提高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，其特征在于，激光辐照在工件上，工件置于水中，磁场相对工件旋转运动；在磁场的作用下，对工件进行激光切孔；所述磁场为旋转磁场，旋转磁场由磁场旋转单元得到，所述磁场旋转单元包括磁铁、第一磁铁固定栏（23）、第二磁铁固定栏（25）、支撑板（32）和转动轴（22）；所述转动轴（22）通过轴承安装在支撑轴（31）上，所述支撑轴（31）安装在水箱（7）内，主动齿轮（20）与第三从动锥齿轮（18）均设置在第三传动轴（19）上，第三从动锥齿轮（18）与第三主动锥齿轮（17）啮合传动，所述第三主动锥齿轮（17）设置在第二传动轴（16）上，第二传动轴（16）由支撑块（15）支撑，第二传动轴（16）上还安装有第二从动锥齿轮（14）；所述第二从动锥齿轮（14）与第二主动锥齿轮（13）啮合，所述第二主动锥齿轮（13）与第一从动锥齿轮（11）设置在第一传动轴（12）上，第一从动锥齿轮（11）与第一主动锥齿轮（10）啮合转动，所述第一主动锥齿轮（10）安装在电动机（2）的输出轴上；所述转动轴（22）与从动齿轮（21）固连，主动齿轮（20）与从动齿轮（21）啮合传动，从而带动转动轴（22）旋转，所述转动轴（22）的两侧水平设置有支撑板（32），两块所述支撑板（32）上分别设置有第一磁铁固定栏（23）和第二磁铁固定栏（25）；所述第一磁铁固定栏（23）和第二磁铁固定栏（25） 上设置有磁铁；工件设置在加工平台（27）上，且工件置于磁场中心；所述加工平台（27）设置在支撑轴（31）上。
2.根据权利要求1所述的使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，其特征在于，所述激光对工件逐层螺旋切孔。
3.根据权利要求1所述的使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，其特征在于，工件置于加工平台（27）上，所述加工平台（27）置于水箱（7）内，所述水箱（7）设置在移动平台（3）上。
4.根据权利要求1所述的使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，其特征在于，还包括电路控制器（9），所述电路控制器（9）通过数控平台（8）调节激光的参数、移动平台（3）的运作和辅助气体的开关；所述电路控制器（9）控制电动机（2）的转速从而调节磁场的旋转速度。
5.根据权利要求1所述的使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，其特征在于， 所述水箱（7）中间位置设置有亚克力玻璃板。
6.根据权利要求1所述的使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置，其特征在于，所述支撑板（32）上开设有数个孔，用于调节磁铁相对转动轴（22）的距离。
7.根据权利要求1-6任一项所述的使用水基旋转磁场辅助飞秒激光层进式螺旋切孔的装置的切孔方法，其特征在于，包括如下步骤：将工件设置在加工平台（27）上，水箱（7）内加水至刚浸没工件；调节磁场以满足加工要求；调整激光头（6）的位置，将激光束聚焦到工件待加工表面，在水介质和旋转磁场辅助下完成激光对工件的螺旋切孔。
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