CN114713970A - 一种波导激光电解复合加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种复合加工领域，更具体地，涉及一种波导激光电解复合加工装置及方法，包括：激光器、CCD相机、脉冲电源以及从上至下依次设置的反射镜、聚焦镜、供液系统、导电喷嘴；CCD相机设于反射镜上方；激光器设于反射镜一侧，发射光线通过反射镜折射后，依次穿过聚焦镜、供液系统、导电喷嘴，并照射在待加工零件表面；脉冲电源的阳极连接在待加工零件上，阴极与导电喷嘴连接；导电喷嘴外表面套设有同步带，导电喷嘴通过同步带与驱动装置的驱动轴连接。本发明利用电解液与低折射率层之间对激光折射率的差别，使激光在电解液与低折射率层之间实现全反射，采用惰性电解液，减少了激光能量在传播过程中的损失，实现激光能量的最大化。

Description

一种波导激光电解复合加工装置及方法

技术领域

本发明属于特种复合加工领域，更具体地，涉及一种波导激光电解复合加工装置及方法。

背景技术

燃油喷嘴在汽车发动机及航空发动机中均属于重要的关键部件，为了满足均匀雾化燃料等设计要求，喷嘴小孔的直径小，深径比大，精度要求高、侧壁质量要求高，对传统的小孔加工方式提出了较大的挑战。机械钻孔方式精度高、质量优，但是进行直径小于1mm的大深径比小孔加工时极易出现刀具断裂的问题，进而造成整个零件报废的严重后果。而电火花加工方式虽然效率较高，但是会产生较厚的重熔层，影响喷嘴小孔的使用性能。传统激光加工方式同样有热影响残留严重的问题，而新发展的短脉冲激光在加工大深径比小孔时存在排屑困难及加工效率低的问题。

而对于工件的减薄修形，目前普遍使用的减薄修形方法包括：镜像铣削技术及化学铣削方式，但是这些技术普遍存在结构复杂、加工效率低、材料去除量难以控制等问题，成为了航空航天精密储箱类零件的加工瓶颈。因此，实现弱刚度储箱类构件在减薄修形过程中无变形、高效率、去除精准可控的难题，对于简化加工流程，提高成品构件的质量与加工效率有重要意义。

发明内容

为解决上述针对大深径比小孔的高精度、高效率、高质量加工难题以及为目前工件减薄修形工序中存在的设备结构复杂、加工效率低、材料去除量难以控制的问题，本发明提出一种波导激光电解复合加工技术，结合了水导激光加工、电火花加工及电解加工的波导激光电解复合加工装置及方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，包括：激光器、CCD相机、脉冲电源以及从上至下依次设置的反射镜、聚焦镜、供液系统、导电喷嘴；

所述CCD相机设于反射镜上方，用于实现对激光光斑及导电喷嘴的成像采集；

所述激光器设于反射镜一侧，发射光线通过反射镜折射后，依次穿过聚焦镜、供液系统、导电喷嘴，并照射在待加工零件表面；

所述脉冲电源的阳极连接在待加工零件上，用于电解及电火花加工；所述脉冲电源的阴极与导电喷嘴连接；

所述导电喷嘴外表面套设有同步带，导电喷嘴通过同步带与驱动装置的驱动轴连接，使得导电喷嘴与驱动轴实现同步转动。

所述反射镜呈45°设置，所述激光器的发射方向与激光进入聚焦镜的入射方向之间的夹角为90°；

所述激光器的发射方向与CCD相机的视场方向之间的夹角为90°。

所述供液系统，包括：供液装置、窗口镜、耦合腔、以及密封圈；

所述耦合腔为封闭腔体结构，所述耦合腔的顶面设有窗口镜，所述窗口镜设于聚焦镜的正下方；

导电喷嘴插设于所述耦合腔的底面上，且设于窗口镜的正下方；导电喷嘴与所述耦合腔的底面的接合处通过密封圈密封；

所述供液装置通过供液管路与耦合腔连接，用于为耦合腔内提供电解液，所述电解液通过导电喷嘴流出。

所述导电喷嘴为中空圆柱体结构，所述导电喷嘴的材质为导电材料；

所述导电喷嘴的内表面上设有低折射率层，所述导电喷嘴外套设有导电滑环，导电滑环随导电喷嘴旋转。所述导电滑环外固设有与其相接触的电刷，所述电刷通过导线与脉冲电源的负极连接。

所述导电喷嘴的内径尺寸不小于窗口镜直径的尺寸。

所述低折射率层的折射率小于电解液的折射率。

所述导电喷嘴的底面与待加工表面的间隙为0.2mm～2mm。所述导电喷嘴在加工时绕中心轴线旋转的转速小于5r/s。

所述激光器为脉冲激光器，其产生的激光波长范围为300-1200nm，平均输出功率小于1000W。

一种波导激光电解复合加工装置的打孔方法，包括以下步骤：

1)待加工零件定位与固定，波导激光复合加工装置运动至待加工孔位置并调整导电喷嘴的轴线与待加工孔同轴，调整导电喷嘴与待加工零件内壁表面的间隙至设定值；

2)供液装置以固定流量供给电解液，导电喷嘴在驱动装置带动下开始同步旋转，打开CCD相机，激光器以小功率出光，确认通过聚焦镜形成的激光光斑与导电喷嘴的电解液耦合，脉冲电源开始输出脉冲电压，激光器按设定功率出光；

3)导电喷嘴正下方的材料被逐渐去除，波导激光电解复合加工装置沿待加工孔轴线运动，保持导电喷嘴与待加工表面间的间隙稳定；

4)待导电喷嘴穿过待加工零件或加工至设定深度后，激光器停止出光，脉冲电源停止输出脉冲电压。

一种波导激光电解复合加工装置的铣削方法，包括以下步骤：

1)待加工零件定位与固定，波导激光复合加工装置运动至待加工工件表面并设置导电喷嘴运行路径，调整导电喷嘴与待加工工件表面的间隙至设定值；

2)供液装置以固定流量供给电解液，导电喷嘴在驱动装置带动下开始同步旋转，打开CCD相机，激光器以小功率出光，确认通过聚焦镜形成的激光光斑与导电喷嘴的电解液耦合，脉冲电源开始输出脉冲电压，激光器按设定功率出光；

3)导电喷嘴正下方的材料被逐渐去除，波导激光电解复合加工装置沿待加工件表面径向运动，保持导电喷嘴与待加工工件表面间的间隙稳定；

4)待完成工件加工余量的加工后，激光器停止出光，同时脉冲电源停止脉冲电压输出，夹持设备带动导电喷嘴运动至待机位置，导电喷嘴停止转动，供液装置停止供液。

在所述导电喷嘴上安装绝缘喷嘴，所述绝缘喷嘴安装于导电喷嘴端部，以避免导电喷嘴与工件间的放电及材料去除；

所述绝缘喷嘴为非金属绝缘材料喷嘴；所述绝缘喷嘴内孔径尺寸不大于搭配使用的导电喷嘴的内径尺寸。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明利用电解液与低折射率层之间对激光折射率的差别，使激光在电解液与低折射率层之间实现全反射，同时采用惰性电解液，极大程度地减少了激光能量在传播过程中的损失，实现了参与材料去除的激光能量的最大化。

2.本发明提出的波导激光电解复合打孔方法结合了水导激光加工、电解加工与电火花加工各自的优势，借助水导激光加工不产生热影响区的优势，并通过激光加工方式使孔底结构更粗糙，增大待加工材料与电解液接触面积，进一步提高综合制孔效率。

3.本发明在水导激光与电解液加工对加工工件的孔底进行加工的同时，导电喷嘴还可以对已加工小孔侧壁的个别凸起进行电火花加工，进一步提高小孔的侧壁质量，最终实现大深径比小孔的高质量、高效率、高精度加工。

4.本发明提出的铣削方法结合了电解加工与激光加工各自的优势，借助激光扫描加工方法去除区域自由度高的优势，实现了近似矩形材料去除截面的高精度材料去除。

5.采用铣削方法时，在导电喷嘴外加装绝缘喷嘴，在提高电解加工区域自由度的基础上避免了电极放电加工，提高了加工精准度。

6.本发明通过结合电解加工与高自由度激光扫描加工方式实现了近似矩形去除区的弱刚度结构修型减薄，可以有效提高弱刚度零件修型加工效率与精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种波导激光电解复合打孔装置示意图；

其中，1为激光器，2为反射镜，3为聚焦镜，4为窗口镜，5为耦合腔，6为密封圈，7为低折射率层，8为导电喷嘴，9为CCD相机，10为供液装置，11为脉冲电源，12为激光光线，13为电解液，14为驱动装置

图2是本发明实施例提供的一种波导激光电解复合打孔方法流程图；

图3是本发明实施例提供的一种波导激光电解复合铣削装置示意图；

图4是本发明实施例提供的一种波导激光电解复合铣削方法流程图；

图5是本发明实施例提供的电解加工去除截面与激光加工去除截面叠加为矩形材料去除截面的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，包括：激光器1、CCD相机9、脉冲电源11以及从上至下依次设置的反射镜2、聚焦镜3、供液系统、导电喷嘴8；

CCD相机9设于反射镜2上方，用于实现对激光光斑及导电喷嘴8的成像采集；

激光器1设于反射镜一侧，发射光线通过反射镜2折射后，依次穿过聚焦镜3、供液系统、导电喷嘴8，并照射在待加工零件表面；

脉冲电源11的阳极连接在待加工零件上，用于电解及电火花加工；脉冲电源11的阴极与导电喷嘴8连接；

导电喷嘴8外表面套设有同步带，导电喷嘴8通过同步带与驱动装置的驱动轴连接，使得导电喷嘴8与驱动轴实现同步转动。

反射镜2呈45°设置，所述激光器1的发射方向与激光进入聚焦镜3的入射方向之间的夹角为90°；

激光器1的发射方向与CCD相机9的视场方向之间的夹角为90°。

供液系统，包括：供液装置10、窗口镜4、耦合腔5、以及密封圈6；

耦合腔5为封闭腔体结构，所述耦合腔5的顶面设有窗口镜4，所述窗口镜4设于聚焦镜3的正下方；

导电喷嘴8插设于所述耦合腔5的底面上，且设于窗口镜4的正下方；导电喷嘴与所述耦合腔5的底面的接合处通过密封圈6密封；

供液装置10通过供液管路与耦合腔5连接，用于为耦合腔5内提供电解液13，所述电解液13通过导电喷嘴8流出。

导电喷嘴8为中空圆柱体结构，导电喷嘴8的材质为导电材料；

导电喷嘴8的内表面上设有低折射率层7，所述导电喷嘴外套设有导电滑环，导电滑环随导电喷嘴8旋转。导电滑环外固设有与其相接触的电刷，电刷通过导线与脉冲电源11的负极连接。

导电喷嘴8的内径尺寸不小于窗口镜4直径的尺寸。

低折射率层7的折射率小于电解液13的折射率。

导电喷嘴8的底面与待加工表面的间隙为0.2mm～2mm。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种波导激光电解复合打孔方法流程图，本发明的方法包括以下步骤：

1)待加工零件定位与固定，波导激光复合加工装置运动至待加工孔位置并调整导电喷嘴8的轴线与待加工孔同轴，调整导电喷嘴8与待加工零件内壁表面的间隙至设定值；

2)供液装置10以固定流量供给电解液13，导电喷嘴8在驱动装置带动下开始同步旋转，打开CCD相机9，激光器1以小功率出光，确认通过聚焦镜3形成的激光光斑与导电喷嘴8的电解液耦合，脉冲电源11开始输出脉冲电压，激光器1按设定功率出光；

3)导电喷嘴8正下方的材料被逐渐去除，波导激光电解复合加工装置沿待加工孔轴线运动，保持导电喷嘴8与待加工表面间的间隙稳定；

4)待导电喷嘴8穿过待加工零件或加工至设定深度后，激光器1停止出光，脉冲电源11停止输出脉冲电压。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种波导激光电解复合铣削方法流程图，对于一种波导激光电解复合加工装置的铣削方法，包括以下步骤：

首先，在导电喷嘴8上安装绝缘喷嘴，绝缘喷嘴安装于导电喷嘴8端部，以避免导电喷嘴8与工件间的放电及材料去除；

绝缘喷嘴为非金属绝缘材料喷嘴；绝缘喷嘴内孔径尺寸不大于搭配使用的导电喷嘴8的内径尺寸。

1)待加工零件定位与固定，波导激光复合加工装置运动至待加工工件表面并设置导电喷嘴8运行路径，调整导电喷嘴8与待加工工件表面的间隙至设定值；

2)供液装置10以固定流量供给电解液13，导电喷嘴8在驱动装置带动下开始同步旋转，打开CCD相机9，激光器1以小功率出光，确认通过聚焦镜3形成的激光光斑与导电喷嘴8的电解液耦合，脉冲电源11开始输出脉冲电压，激光器1按设定功率出光；

3)导电喷嘴8正下方的材料被逐渐去除，波导激光电解复合加工装置沿待加工孔径向运动，保持导电喷嘴8与待加工表面间的间隙稳定；

4)待完成工件加工余量的加工后，激光器1停止出光，同时脉冲电源停止脉冲电压输出，夹持设备带动激光电解复合加工头运动至待机位置，导电喷嘴8停止转动，供液装置10停止供液。

实施例1：针对工件的打孔，此时导电喷嘴8不设有绝缘喷嘴；

本实施例中，针对工件的打孔方法，采用激光器1，其可以产生波长532nm、脉宽150纳秒的激光，激光输出功率0-250W可调。

反射镜2，其与聚焦镜3配合可以将激光器1产生的激光聚焦为小直径光斑。

窗口镜4，可以允许波长为532nm的激光透过。

耦合腔5、其可以与窗口镜4、密封圈6及导电喷嘴8共同形成密闭空腔，并允许电解液13从供液系统10流入，从导电喷嘴8喷出。

导电喷嘴8，使用铜合金材质，内孔直径0.6mm，外圆直径1mm，通过导电滑环与所述脉冲电源11相连接，同时可以绕中心轴旋转。

低折射率层7，为氟化物涂层，涂层厚度100um，经蒸镀方式涂覆与导电喷嘴8内表面。

CCD相机9，可以实现对激光光斑及导电喷嘴的成像；

供液系统可以提供经钝化的电解液，电解液流量100L/H.

脉冲电源11,阳极连接在弱刚度构件上，阴极连接在导电喷嘴，所加的脉冲电压为30-40V。

具体实施方式如下：

(1)利用夹具实现待加工零件的定位与固定，加工设备夹持机构带动波导激光复合加工头运动至待加工孔位置并调整导电喷嘴轴线与待加工孔同轴，调整导电喷嘴8与待加工表面间隙至300um。

(2)供液装置10开始以5L/H流量供给钝化电解液13，导电喷嘴8在驱动装置14带动下以2r/s的速度开始旋转，脉冲电源11开始输出高频脉冲电压，激光器1出光，波导激光电解复合加工开始。

(3)随着水导激光、电火花、电解加工的进行，导电喷嘴8正下方的材料被逐渐去除，夹持机构带动波导激光电解复合加工头沿待加工孔轴线运动，保持导电喷嘴与待加工表面间的间隙稳定在300um。

(4)待导电喷嘴8穿过待加工材料后，激光器1停止出光，脉冲电源11停止输出脉冲电压。

(5)夹持机构带动波导激光电解复合加工头沿孔轴线退出已加工孔，开始下一孔加工，重复步骤(2)至(4)，所有孔加工完毕后，导电喷嘴停止旋转，供液装置停止供液，完成加工。

实施例2：针对工件的铣削，此时导电喷嘴8外端部套设一个绝缘喷嘴；具体如图3所示。本实施例中，针对工件减薄修形的铣削方法，本发明采用如下参数：

激光器1，其可以产生波长532nm、脉宽200纳秒的激光，激光输出功率0-200W可调。

反射镜2，其与聚焦镜3配合可以将激光器1产生的激光聚焦为小直径光斑，并光斑扫描范围为直径10mm的圆，最大扫描速度50mm/s.

窗口镜4，可以允许波长为532nm的激光透过。

耦合腔5、其可以与窗口镜4、密封圈6及导电喷嘴8共同形成密闭空腔，并允许电解液12从供液系统9流入，从导电喷嘴8喷出。

导电喷嘴8，使用铜合金材质，内孔直径5mm，通过导电滑环与所述脉冲电源10相连接，同时可以绕中心轴旋转。

绝缘喷嘴，使用尼龙材质，经螺纹安装于导电喷嘴8上，内孔直径5mm，端部与待加工表面间距0.3mm。

供液装置10可以提供经钝化的电解液，电解液流量最大500L/H。

脉冲电源11,阳极连接在弱刚度构件上，阴极连接在导电喷嘴，所加的脉冲电压为30-40V。

针对于本实施例，如图4所示，其方法如下：

(1)使用随形夹具实现工件的固定，并将加工余量分布数据导入加工轨迹生成软件，轨迹生成软件根据加工余量及单次扫描去除截面积生成铣削轨迹。

(2)供液装置10按300L/H流量提供电解液13，导电喷嘴8带动绝缘喷嘴按1r/s的速度开始旋转，夹持设备带动本装置运动至轨迹起点。

(3)脉冲电源11在导电喷嘴8与待加工工件之间加载脉冲电压，同时，打开CCD相机9、激光器1、激光器1出光，确认通过聚焦镜3形成的激光光斑与导电喷嘴8的电解液耦合，如图3所示。

4)导电喷嘴8正下方的材料被逐渐去除，波导激光电解复合加工装置沿待加工工件表面径向运动，保持导电喷嘴8与待加工工件表面间的间隙稳定；

将激光去除截面16与电解加工去除截面15之和调整为矩形材料去除截面，实现对待加工工件的高精度可控去除，加工效果如图5所示(此处省略绝缘喷嘴)；

5)待完成工件加工余量的加工后，激光器1停止出光，同时脉冲电源停止脉冲电压输出，夹持设备带动激光电解复合加工头运动至待机位置，导电喷嘴8停止转动，供液装置10停止供液。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，包括：激光器(1)、CCD相机(9)、脉冲电源(11)以及从上至下依次设置的反射镜(2)、聚焦镜(3)、供液系统、导电喷嘴(8)；

所述CCD相机(9)设于反射镜(2)上方，用于实现对激光光斑及导电喷嘴(8)的成像采集；

所述激光器(1)设于反射镜一侧，发射光线通过反射镜(2)折射后，依次穿过聚焦镜(3)、供液系统、导电喷嘴(8)，并照射在待加工零件表面；

所述脉冲电源(11)的阳极连接在待加工零件上，用于电解及电火花加工；

所述脉冲电源(11)的阴极与导电喷嘴(8)连接；

所述导电喷嘴(8)外表面套设有同步带，导电喷嘴(8)通过同步带与驱动装置的驱动轴连接，使得导电喷嘴(8)与驱动轴实现同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，所述反射镜(2)呈45°设置，所述激光器(1)的发射方向与激光进入聚焦镜(3)的入射方向之间的夹角为90°；

所述激光器(1)的发射方向与CCD相机(9)的视场方向之间的夹角为90°。

3.根据权利要求1所述的一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，所述供液系统，包括：供液装置(10)、窗口镜(4)、耦合腔(5)、以及密封圈(6)；

所述耦合腔(5)为封闭腔体结构，所述耦合腔(5)的顶面设有窗口镜(4)，所述窗口镜(4)设于聚焦镜(3)的正下方；

导电喷嘴(8)插设于所述耦合腔(5)的底面上，且设于窗口镜(4)的正下方；导电喷嘴与所述耦合腔(5)的底面的接合处通过密封圈(6)密封；

所述供液装置(10)通过供液管路与耦合腔(5)连接，用于为耦合腔(5)内提供电解液(13)，所述电解液(13)通过导电喷嘴(8)流出。

4.根据权利要求1所述的一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，所述导电喷嘴(8)为中空圆柱体结构，所述导电喷嘴(8)的材质为导电材料；

所述导电喷嘴(8)的内表面上设有低折射率层(7)，所述导电喷嘴外套设有导电滑环，导电滑环随导电喷嘴(8)旋转；所述导电滑环外固设有与其相接触的电刷，所述电刷通过导线与脉冲电源(11)的负极连接。

5.根据权利要求4所述的一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，所述导电喷嘴(8)的内径尺寸不小于窗口镜(4)直径的尺寸。

6.根据权利要求4所述的一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，所述低折射率层(7)的折射率小于电解液(13)的折射率。

7.根据权利要求4所述的一种波导激光电解复合加工装置，其特征在于，所述导电喷嘴(8)的底面与待加工表面的间隙为0.2mm～2mm；

所述导电喷嘴(8)在加工时绕中心轴线旋转的转速小于5r/s。

8.根据权利要求1所述的一种波导激光电解复合加工装置的打孔方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)待加工零件定位与固定，波导激光复合加工装置运动至待加工孔位置并调整导电喷嘴(8)的轴线与待加工孔同轴，调整导电喷嘴(8)与待加工零件内壁表面的间隙至设定值；

2)供液装置(10)以固定流量供给电解液(13)，导电喷嘴(8)在驱动装置带动下开始同步旋转，打开CCD相机(9)，激光器(1)以小功率出光，确认通过聚焦镜(3)形成的激光光斑与导电喷嘴(8)的电解液耦合，脉冲电源(11)开始输出脉冲电压，激光器(1)按设定功率出光；

3)导电喷嘴(8)正下方的材料被逐渐去除，波导激光电解复合加工装置沿待加工孔轴线运动，保持导电喷嘴(8)与待加工表面间的间隙稳定；

4)待导电喷嘴(8)穿过待加工零件或加工至设定深度后，激光器(1)停止出光，脉冲电源(11)停止输出脉冲电压。

9.根据权利要求1所述的一种波导激光电解复合加工装置的铣削方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)待加工零件定位与固定，波导激光复合加工装置运动至待加工工件表面并设置导电喷嘴(8)运行路径，调整导电喷嘴(8)与待加工工件表面的间隙至设定值；

2)供液装置(10)以固定流量供给电解液(13)，导电喷嘴(8)在驱动装置带动下开始同步旋转，打开CCD相机(9)，激光器(1)以小功率出光，确认通过聚焦镜(3)形成的激光光斑与导电喷嘴(8)的电解液耦合，脉冲电源(11)开始输出脉冲电压，激光器(1)按设定功率出光；

3)导电喷嘴(8)正下方的材料被逐渐去除，波导激光电解复合加工装置沿待加工件表面径向运动，保持导电喷嘴(8)与待加工工件表面间的间隙稳定；

4)待完成工件加工余量的加工后，激光器(1)停止出光，同时脉冲电源停止脉冲电压输出，夹持设备带动导电喷嘴(8)运动至待机位置，导电喷嘴(8)停止转动，供液装置(10)停止供液。

10.根据权利要求9所述的一种波导激光电解复合加工装置的铣削方法，其特征在于，在所述导电喷嘴(8)上安装绝缘喷嘴，所述绝缘喷嘴安装于导电喷嘴(8)端部，以避免导电喷嘴(8)与工件间的放电及材料去除；

所述绝缘喷嘴为非金属绝缘材料喷嘴；所述绝缘喷嘴内孔径尺寸不大于搭配使用的导电喷嘴(8)的内径尺寸。

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