CN116213904A - 一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械钻削‑超快激光复合的微细深小孔加工方法，通过建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，确定工件的深小孔加工坐标值；根据工件的深小孔加工坐标值，采用钻削中心设备加工出深小孔底孔，采用超快激光设备对加工出深小孔底孔的工件进行深孔修孔后，最终加工得到深小孔。本发明采用机械深孔钻削加工底孔(粗加工)+超快激光(飞秒、皮秒)微细深孔修孔(精加工)结合加工方法，对微细深小孔加工解决了现有技术加工方法存在的加工孔径的一致性差，质量低，效率低，且加工工序时间较长的等问题。
Description
技术领域
本发明属于特种加工技术领域，涉及一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法。
背景技术
目前，对于微细深小孔加工多采用传统的机械钻削、电火花打孔、激光打孔或电解打孔的单一加工方式或电火花-电解、激光-电解和超声-电火花等结合加工方式。对于传统的单一深小孔加工方式存在机械钻削飞边、毛刺大，表面完整性差，存在变质硬化层、微裂纹及热影响区且易发生卡钻、断钻的问题；电火花、激光等单一加工，存在重熔层、微裂纹和热影响区的缺陷；电解加工存在效率低、电解液环境污染、前期工艺准备时间长等问题。对于陆续出现的新型结合小孔加工方式(电火花-电解、激光-电解、超声-电火花等)存在工艺不稳定、深小孔加工锥度大、重熔层残留、孔口、孔径一致性差等问题。同时，对于高质量深孔加工，后续还需要采用孔表面后处理工艺(磨粒流等)，进行孔质量提升，工序长，效率低的问题。综上所述，现有技术中的加工方法存在加工孔径的一致性差，质量低，且效率低，加工工序时间较长的等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，解决了现有技术加工方法存在的加工孔径的一致性差，质量低，效率低，且加工工序时间较长的等问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，包括，
S1，在钻削中心设备上通过安装带基准点的快换工装，再装夹工件；
S2，通过建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，确定工件的深小孔加工坐标值；
S3，根据工件的深小孔加工坐标值，采用钻削中心设备加工出深小孔底孔；
S4，通过对加工出深小孔底孔进行孔位二次精确定位后，采用超快激光设备对加工出深小孔底孔的工件进行深孔修孔后，最终加工得到深小孔。
优选的，S2中确定深小孔加工坐标值具体过程为：
建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，提取基准点与工件的气膜孔的位置关系；在钻削中心设备上，通过快换工装上的基准点，确定工件与机床的位置关系，计算出深小孔加工坐标值。
优选的，S3中采用钻削中心设备加工出深小孔底孔的具体过程为：利用钻削中心设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的钻削加工参数，加工出工件的深小孔底孔。
优选的，所述深小孔的底孔直径d＝0.55～0.75Dmm，D为最终加工出的深小孔直径。
优选的，S4中通过对加工出深小孔底孔进行孔位二次精确定位的具体过程为：
将底孔加工完成的工件及带基准点的快换工装一同安装在超快激光设备上，再装夹工装，利用超快激光设备上配备的激光测距及编制的多点定位测量软件，对快换工装上的基准点及工件上关键特征点进行测量，并与数据模型上的特征点进行自动比对计算，直至实际测量值满足在数学模型上测得的理论值的公差范围内后，输出深小孔加工坐标值。
优选的，所述工件上的关键特征点一般选择6-8个点。
优选的，S4中采用超快激光设备对加工出深小孔底孔的工件进行深孔修孔的具体过程为：
根据深小孔加工质量要求，利用超快激光设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的超快激光加工参数，除去工件上深小孔余量，加工出深小孔D。
优选的，除去工件上深小孔余量，可进行1-2次修孔过程。
优选的，若进行2次修孔过程，其中，第一次修孔直径D1＝d+(D-d)/2mm，第二次修孔直径D2＝D mm；D为最终加工出的深小孔直径；d为深小孔底孔直径。
优选的，优选的，对加工出的深小孔利用压缩空气风枪吹干净工件表面进行清理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，通过建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，采用钻削中心设备加工出深小孔底孔，采用超快激光设备对加工出深小孔底孔的工件进行深孔修孔后，得到深小孔。本发明采用机械深孔钻削加工底孔(粗加工)+超快激光(飞秒、皮秒)微细深孔修孔(精加工)结合加工方法，对微细深小孔加工解决了现有技术加工方法存在的加工孔径的一致性差，质量低，效率低，且加工工序时间较长的等问题。此外，根据最终加工孔的质量要求，采用飞秒/皮秒超快激光工序进行精加工，去除深小孔余量，因超快激光“冷”加工特性，不产生重熔层、热影响区，可得到无重熔层、无微裂纹、无热影响区的高质量深小孔，实现了机械钻削工艺及钻削中心设备与超快激光(飞秒、皮秒)设备的有效结合，提高设备利用率及加工质量，同时可免除孔表面后处理工艺(磨粒流等)，提高工件整体加工效率。同时，增加了深小孔加工方法工艺选择性，实现深小孔高质量加工。
进一步，本方法加工可提高微细深孔表面完整性，表面粗糙度提高2-3数量级，可去除毛刺、飞边、变质硬化层且可实现无重熔层、无微裂纹、无热影响区，实现20:1深径比的微细深小孔加工。
进一步，本加工方法比单一超快激光(飞秒、皮秒)工艺加工效率提高3-5倍，比单一机械钻削工艺的表面完整性指标提高2-3数量级。
附图说明
图1带基准点的快换工装与气膜孔的位置关系示意图；
图2为实施例中微细深小孔底孔(d)加工示意图；
图3为实施例中激光测距仪测量关键特征点进行气膜孔精确定位示意图；
图4为实施例中微细深小孔(D)加工示意图。
图中：1-基准点；2-气膜孔加工位置3-快换工装；4-工件；5-气膜孔与基准点的位置关系x＝a，y＝b；6-深小孔底孔(d)；7-深小孔最终加工孔径(D)；4-工件；11-深空余量；7-深小孔(D)；8-激光测距仪；9-关键特征点；10-飞秒/皮秒超快激光设备的激光头；12-第一次修孔直径D1；13-第二次修孔直径D2；14-钻削中心设备上的钻头工具。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明创造的目的是提供一种微细深小孔加工方法，采用机械深孔钻削加工底孔(粗加工)+超快激光(飞秒、皮秒)微细深孔修孔(精加工)结合加工方法。本方法可实现机械钻削工艺及设备与超快激光(飞秒、皮秒)工艺及设备的有效结合，提高设备利用率及加工质量，同时可免除孔表面后处理工艺(磨粒流等)，提高工件整体加工效率。同时，增加了深小孔加工方法工艺选择性，实现深小孔高质量加工；
一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法是通过下述的步骤实现的：
(1)安装工件：在钻削中心设备上通过安装带基准点的快换工装，在装夹工件。
(2)确定深小孔加工坐标值：建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，通过把实物模型工件扫描获取或数据UG/三维软件数据建模；提取位置关系用建立好的设计软件匹配提取数据，从而建立数据模型，提取基准点与气膜孔的位置关系；在钻削中心设备上，通过快换工装上的基准点，确定工件与机床的位置关系，计算出深小孔加工坐标值。如图1所示为带基准点的快换工装与气膜孔的位置关系示意图；图中1-基准点(基准点＝工件零点＝程序零点)；2-气膜孔加工位置3-快换工装；4-工件；5-气膜孔与基准点的位置关系x＝a，y＝b；
优选的实施方式之一为：在钻削中心设备上，通过快换工装上的基准点，确定工件与机床的位置关系，工件放置在机床上工件的位置坐标转换为机床的加工坐标；通过机床的自动替换得到，计算出深小孔加工坐标值。
(3)机械深孔钻削加工底孔(粗加工)：利用钻削中心设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的钻削加工参数，加工出工件)深小孔底孔(d)。根据最终加工深小孔孔径(D)大小、质量要求及加工效率综合判断，底孔直径d＝0.55～0.75Dmm；如图2所示，为微细深小孔底孔(d)加工示意图；图中14-钻削中心设备上的钻头工具；4-工件；6-深小孔底孔(d)；7-深小孔最终加工孔径(D)；
优选的实施方式之一为：根据最终加工孔径(D)大小、质量要求及加工效率综合判断，底孔直径d＝0.55～0.75Dmm。
(4)安装底孔加工完成的工件：根据深小孔加工质量要求，将底孔加工完成的工件及带基准点的快换工装一同(不拆卸工件，工件与工装一体装夹)安装在飞秒/皮秒超快激光设备上，装夹工装。
(5)孔位二次精确定位：利用超快激光设备上配备的激光测距仪及编制的多点定位测量软件，对快换工装上的基准点及工件上关键特征点进行测量，并与模型上的特征点进行自动比对计算，直至实际测量值满足在数学模型上测得的理论值的公差范围内后，输出深小孔加工坐标值；如图3所示为激光测距仪测量关键特征点进行气膜孔精确定位示意图；图中8-激光测距仪；3-工装；1-基准点；4-工件；9-关键特征点；
优选的实施方式之一为：工件上的关键特征点一般选择6-8个点。
(6)超快激光(飞秒、皮秒)深孔修孔(精加工)：根据深小孔加工质量要求，利用飞秒/皮秒超快激光设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的超快激光加工参数，除去工件上深小孔余量，加工出深小孔(D)。根据最终加工孔径(D)大小、质量要求及加工效率综合判断，精加工除去深小孔余量，可分为1-2次修孔过程。修孔直径D1＝d+(D-d)/2mm，修孔直径D2＝Dmm；如图4所示为微细深小孔(D)加工示意图；图中：10-飞秒/皮秒超快激光设备的激光头；4-工件；11-深空余量；7-深小孔(D)12-修孔直径D1；13-修孔直径D2；
优选的实施方式之一为：根据最终加工孔径(D)大小、质量要求及加工效率综合判断，精加工除去工件上深小孔余量，可分为1-2次修孔过程。修孔直径D1＝d(底孔)+(D-d)/2mm，修孔直径D2＝Dmm。
优选的实施方式之一为：深小孔余量中存在上道机械钻削工序中残留的毛刺、飞边、变质硬化层、微裂纹、热影响区、重熔层等影响表面质量物质因素，需要及时去除，提高孔壁表面质量。
优选的实施方式之一为：根据最终加工孔的质量要求，采用飞秒/皮秒超快激光工序进行精加工，去除深小孔余量，因超快激光“冷”加工特性，不产生重熔层、热影响区，可得到无重熔层、无微裂纹、无热影响区的高质量深小孔。
深小孔余量中存在上道机械钻削工序中残留的毛刺、飞边、变质硬化层、微裂纹、热影响区、重熔层等影响表面质量物质因素，需要及时去除，提高孔壁表面质量。根据最终加工孔的质量要求，采用飞秒/皮秒超快激光工序进行精加工，去除深小孔余量，因超快激光“冷”加工特性，不产生重熔层、热影响区，可得到无重熔层、无微裂纹、无热影响区的高质量深小孔。
(7)工件表面清理：利用压缩空气风枪吹干净工件表面水渍及污染物。
(8)工件深小孔检查：检查微孔加工质量。
本方法可实现机械钻削工艺及设备与超快激光(飞秒、皮秒)工艺及设备的有效结合，提高设备利用率及加工质量，同时可免除孔表面后处理工艺(磨粒流等)，提高工件整体加工效率。同时，增加了深小孔加工方法工艺选择性，实现微细深小孔高质量加工。
本方法加工可提高微细深孔表面完整性，表面粗糙度提高2-3数量级，可去除毛刺、飞边、变质硬化层且可实现无重熔层、无微裂纹、无热影响区，实现20:1深径比的微细深小孔加工。此加工方法比单一超快激光(飞秒、皮秒)工艺加工效率提高3-5倍，比单一机械钻削工艺的表面完整性指标提高2-3数量级。
实施例1，
以一种叶片类微细深孔气膜孔加工为例：一种叶片类微细深孔气膜孔为孔径是φ0.4mm大倾角空间角度气膜孔，深度达到15-18mm，深经比超过20:1，要求无毛刺、无飞边，变质硬化层且孔表面粗糙度及金相组织要求较高(无重熔层、无微裂纹、无热影响区)。
现采用一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法是通过下述的步骤实现的：
(1)安装工件：在钻削中心设备上通过安装带基准点的快换工装，装夹工件。
(2)确定深小孔加工坐标值：建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，提取基准点与气膜孔的位置关系；在钻削中心设备上，通过快换工装上的基准点，确定工件与机床的位置关系，计算出深小孔加工坐标值。(如图1所示)
(3)机械深孔钻削加工底孔(粗加工)：利用钻削中心设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的钻削加工参数，加工出工件深小孔底孔(d)(图2-3所示)。根据最终加工孔径(D)大小、质量要求及加工效率综合判断，底孔直径d＝0.55～0.75Dmm。(如图2所示)
(4)安装底孔加工完成的工件：根据深小孔加工质量要求，将底孔加工完成的工件及带基准点的快换工装一同(不拆卸工件，工件与工装一体装夹)安装在飞秒/皮秒超快激光设备上，装夹工装。
(5)孔位二次精确定位：利用超快激光设备上配备的激光测距仪及编制的多点定位测量软件，对工装上的基准点及工件上关键特征点进行测量，并与模型上的特征点进行自动比对计算，直至实际测量值满足在数学模型上测得的理论值的公差范围内后，输出深小孔加工坐标值。(如图3所示)工件上的关键特征点一般选择8个点。
(6)超快激光(飞秒、皮秒)深孔修孔(精加工)：根据深小孔加工质量要求，利用飞秒/皮秒超快激光设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的超快激光加工参数，除去工件上深小孔余量，加工出深小孔(D)。根据最终加工孔径(D)大小、质量要求及加工效率综合判断，精加工除去深小孔余量，可分为1-2次修孔过程。修孔直径D1＝d+(D-d)/2mm，修孔直径D2＝Dmm(如图4所示)
深小孔余量中存在上道机械钻削工序中残留的毛刺、飞边、变质硬化层、微裂纹、热影响区、重熔层等影响表面质量物质因素，需要及时去除，提高孔壁表面质量。根据最终加工孔的质量要求，采用飞秒/皮秒超快激光工序进行精加工，去除深小孔余量，因超快激光“冷”加工特性，不产生重熔层、热影响区，可得到无重熔层、无微裂纹、无热影响区的高质量深小孔。
(7)工件表面清理：利用压缩空气风枪吹干净工件表面水渍及污染物。
(8)工件深小孔检查：检查微孔加工质量。
术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，包括，
S1，在钻削中心设备上通过安装带基准点的快换工装，再将工件装夹在快换工装上；
S2，通过建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，确定工件的深小孔加工坐标值；
S3，根据工件的深小孔加工坐标值，采用钻削中心设备加工出深小孔底孔；
S4，通过对加工出深小孔底孔进行孔位二次精确定位后，采用超快激光设备对加工出深小孔底孔的工件进行深孔修孔后，最终加工得到深小孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，S2中确定深小孔加工坐标值具体过程为：
建立工件与带基准点的快换工装的数据模型，提取基准点与工件的气膜孔的位置关系；在钻削中心设备上，通过快换工装上的基准点，确定工件与机床的位置关系，计算出深小孔加工坐标值。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，S3中采用钻削中心设备加工出深小孔底孔的具体过程为：利用钻削中心设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的钻削加工参数，加工出工件的深小孔底孔。
4.根据权利要求3所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，所述深小孔的底孔直径d＝0.55～0.75Dmm，D为最终加工出的深小孔直径。
5.根据权利要求1所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，S4中通过对加工出深小孔底孔进行孔位二次精确定位的具体过程为：
将底孔加工完成的工件及带基准点的快换工装一同安装在超快激光设备上，再装夹工装，利用超快激光设备上配备的激光测距及编制的多点定位测量软件，对快换工装上的基准点及工件上关键特征点进行测量，并与数据模型上的特征点进行自动比对计算，直至实际测量值满足在数学模型上测得的理论值的公差范围内后，输出深小孔加工坐标值。
6.根据权利要求5所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，所述工件上的关键特征点选择6-8个点。
7.根据权利要求1所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，S4中采用超快激光设备对加工出深小孔底孔的工件进行深孔修孔的具体过程为：
根据深小孔加工质量要求，利用超快激光设备，输入深小孔加工坐标值，选择合适的超快激光加工参数，除去工件上深小孔余量，加工出深小孔D。
8.根据权利要求1所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，除去工件上深小孔余量，可进行1-2次修孔过程。
9.根据权利要求8所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，若进行2次修孔过程，其中，第一次修孔直径D1＝d+(D-d)/2mm，第二次修孔直径D2＝D mm；D为最终加工出的深小孔直径；d为深小孔底孔直径。
10.根据权利要求1所述的一种基于机械钻削-超快激光复合的微细深小孔加工方法，其特征在于，对加工出的深小孔利用压缩空气风枪吹干净工件表面进行清理。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113829078A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-12-24 | 沈阳航空航天大学 | 一种激光打孔辅助钻削装置及方法 |
-
2023
- 2023-03-28 CN CN202310315588.9A patent/CN116213904A/zh active Pending
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