CN114147304A - 激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，通过作为工具电极的毛细管向待加工区域同时施加电解液及激光实现复合加工，其中：待加工区域与毛细管之间存在电势差。本发明实现激光束在玻璃毛细管中传输并与阴极化的电解液束完全耦合，电解加工与激光束的作用在时间和空间上完全一致，二者可以有效复合，实现直径在0.2～1.2mm范围内的单晶涡轮叶片气膜冷却孔的高效、高精度、高质量加工。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电液束加工领域的技术，具体是一种激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法。
背景技术
现有热蚀除方法(如激光加工、电火花加工、电子束加工等)加工发动机的单晶涡轮叶片气膜冷却孔时，材料受热再冷却过程容易产生晶粒增生和再结晶现象，从而失去原有性能而带来重大安全隐患。改进技术中电解辅助激光加工微小孔以激光能量为主要材料去除机制，用于单晶材料加工时存在因晶粒增生和再结晶导致的材料性能下降风险，因而不适用于单晶涡轮叶片气膜冷却孔的加工。
激光辅助电解加工利用激光的高分辨率来抑制电化学反应的杂散腐蚀，提高加工定域性。同时，激光照射电极后会产生一系列光、热效应及其它非线性效应，加快光照区内的电化学反应速度，提高电解加工的定域性和效率。但如果激光的主要作用区域和电解的最强作用区域在空间上存在不一致时，将显著削弱电解加工和激光的复合效果；此外，金属管电极电解加工过程中，冲刷不利时正离子团吸附和粘结于工具阴极表面，引起阴极的形状与尺寸发生变化，严重时引发短路。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，可以实现激光束在玻璃毛细管中传输并与阴极化的电解液束完全耦合，电解加工与激光束的作用在时间和空间上完全一致，二者可以有效复合，实现直径在0.2～1.2mm范围内的单晶涡轮叶片气膜冷却孔的高效、高精度、高质量加工。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，通过作为工具电极的毛细管向待加工区域同时施加电解液及激光实现复合加工，其中：待加工区域与毛细管之间存在电势差。
所述的同时施加，通过将毛细管一端与电解液腔相连的同时，通过电解液腔外部照射激光并聚焦至毛细管并全反射至另一端输出。
所述的复合加工，通过控制毛细管工具的进给，直至获得所需的目标结构特征。
所述的毛细管为外部设有聚酰亚胺涂层的玻璃毛细管，优选在聚酰亚胺涂层和玻璃毛细管之间设有掺杂二氧化硅保护层。
技术效果
与现有技术相比，本发明的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，激光束在玻璃毛细管中传输并与阴极化的电解液束完全耦合，电解加工与激光束的作用在时间和空间上完全一致，二者可以有效复合；借助纳秒脉宽激光的有利作用来提高电解加工定域性，获得相比于单纯玻璃毛细管电解加工更好的加工精度和更高的加工效率；采用带聚酰亚胺外涂层的玻璃毛细管为工具电极，兼具玻璃的刚性和聚酰亚胺的韧性，在气膜冷却孔加工中不像单纯玻璃管那样容易破裂。本发明的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法实现了直径在0.2～1.2mm范围内的单晶涡轮叶片气膜冷却孔的高效、高精度、高质量加工，具有高效率和制造成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法的示意图；
图2为本发明的激光耦合进入玻璃毛细管电解复合加工示意图；
图中：1激光器、2电源、3计算机、4大理石床身、5反射镜、聚焦透镜、7腔体、8 压力表、9阀、10玻璃毛细管、11加工仓、12电解液泵、13电解液、14X轴平台、15Y轴平台、16Z轴平台、20激光束、21聚焦透镜、22窗口片、23电解液、24导电定位块、25绝缘层、26工件、27电源、28玻璃管、29掺杂二氧化硅过渡层、30聚酰亚胺涂层；
图3为实施例效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种激光辅助玻璃毛细管电解复合加工装置，包括：电解液腔体7和与之相连的作为工具电极的毛细管10、正对毛细管设置的工作仓11以及激光光源 1，其中：电解液腔体和工作仓内均设有电解液且两者之间存在电势差。
所述的毛细管与工作仓之间优选通过三维移动工作台实现可控的相对运动。
所述的电势差通过分别施加于电解液腔体和工作仓的直流电源2实现。
所述的激光光源输出的激光正对毛细管一端，毛细管另一端输出全反射后的激光。
所述的电解液腔体优选为透明材质制成以透射激光光源输出的激光，优选电解液腔体为曲面形状以提高聚焦效果。
本实施例涉及上述装置的复合加工方法，具体步骤包括：
a.电解液泵将电解液从电解液槽中抽出进入腔体，由玻璃毛细管喷射出，其中毛细管的内径为0.01mm～5mm，电解液泵的流量为1mL/min～10L/min；
b.光器发射激光束，经反射镜、聚焦透镜和窗口片，激光束聚焦到玻璃毛细管内激光在玻璃毛细管波导工具内壁发生全反射到达加工区域，其中激光束的功率为1W～100W；
c.玻璃毛细管由导电定位块夹持，导电定位块接电源负极，加工工件接电源正极，其中电源的输出电压10V～1000V；
d.接通电源后实现激光辅助玻璃毛细管电解复合加工，玻璃毛细管工具进给，直至获得所需的目标结构特征，其中进给速率为0mm/min～50mm/min。
本实施例通过激光束在玻璃毛细管中传输并与阴极化的电解液束完全耦合，电解加工与激光束的作用在时间和空间上完全一致，二者可以有效复合，解决了现有激光与电解加工复合技术存在的加工能力不足以满足气膜冷却孔在孔径、深径比等方面的全部要求的不足。
经过具体实际实验，在电解质为10％NaCl溶液的具体环境设置下，以无进给加工30s，电源电压100V，5W激光功率，外径0.4mm，内径0.3mm的玻璃毛细管参数运行上述方法，如图3所示，相比于纯电解加工，激光辅助玻璃毛细管加工定域性明显提升，减小了杂散腐蚀，提高了加工精度。
与现有技术相比，本方法激光束在玻璃毛细管中传输并与阴极化的电解液束完全耦合，电解加工与激光束的作用在时间和空间上完全一致，二者可以有效复合，解决了现有激光与电解加工复合技术存在的加工能力不足以满足气膜冷却孔在孔径、深径比等方面的全部要求的不足。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种基于激光辅助玻璃毛细管电解复合加工装置的复合加工方法，其特征在于，该装置，包括：电解液腔体和与之相连的作为工具电极的毛细管、正对毛细管设置的工作仓以及激光光源，其中：电解液腔体和工作仓内均设有电解液且两者之间存在电势差；
所述的复合加工方法，通过作为工具电极的毛细管向待加工区域同时施加电解液及激光实现复合加工，其中：待加工区域与毛细管之间存在电势差；
所述的同时施加，通过将毛细管一端与电解液腔相连的同时，通过电解液腔外部照射激光并聚焦至毛细管并全反射至另一端输出；
所述的毛细管为外部设有聚酰亚胺涂层的玻璃毛细管，在聚酰亚胺涂层和玻璃毛细管之间设有掺杂二氧化硅保护层。
2.根据权利要求1所述的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，其特征是，所述的毛细管与工作仓之间通过三维移动工作台实现可控的相对运动。
3.根据权利要求1所述的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，其特征是，所述的电势差通过分别施加于电解液腔体和工作仓的直流电源实现。
4.根据权利要求1所述的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，其特征是，所述的激光光源输出的激光正对毛细管一端，毛细管另一端输出全反射后的激光。
5.根据权利要求1所述的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，其特征是，所述的电解液腔体为透明材质制成以透射激光光源输出的激光，电解液腔体为曲面形状以提高聚焦效果。
6.根据权利要求1～5中任一所述的激光辅助玻璃毛细管电解复合加工方法，其特征是，具体包括：
a.电解液泵将电解液从电解液槽中抽出进入腔体，由玻璃毛细管喷射出，其中毛细管的内径为0.01mm～5mm，电解液泵的流量为1mL/min～10L/min；
b.光器发射激光束，经反射镜、聚焦透镜和窗口片，激光束聚焦到玻璃毛细管内激光在玻璃毛细管波导工具内壁发生全反射到达加工区域，其中激光束的功率为1W～100W；
c.玻璃毛细管由导电定位块夹持，导电定位块接电源负极，加工工件接电源正极，其中电源的输出电压10V～1000V；
d.接通电源后实现激光辅助玻璃毛细管电解复合加工，玻璃毛细管工具进给，直至获得所需的目标结构特征，其中进给速率为0mm/min～50mm/min。
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