一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法，其方法是通过可旋转夹具将工件在第一次激光打孔后绕孔的x方向旋转180°，使得工件刚好浸在水中且不改变小孔的x、y的坐标，再利用激光诱导空化技术进行第二次激光打孔的过程；另外设计一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置，包括电源箱、无盖长方体容器、激光头、导光管、CCD摄像机、激光器、z方向移动机构、固定夹具装置、x‑y移动平台、可旋转夹具装置；本发明专利技术将激光在空气中和水中打孔进行耦合，通过翻转工件完成二次打孔来改善孔锥度，在第二次打孔过程中将激光打孔技术与激光诱导空化技术相结合，利用空化产生的冲击波强化孔内壁。

A laser drilling device and method for improving the hole taper and inner wall quality

The invention discloses a laser perforating device and method for improving the quality of the taper hole and the inner wall, the method is by rotating the workpiece fixture around the hole in the first time after the laser drilling X direction rotate 180 degrees, so that the workpiece coordinate is dipped in the water and just don't change the hole X and y, and using the laser process second laser induced cavitation technology; another laser drilling device to improve the quality of the taper hole and the inner wall of the design, including the power supply box, no cover cuboid, laser head, light pipe, CCD camera, laser, z direction moving mechanism and the fixed clamp device, x y mobile platform, rotary clamp device; the invention of the laser coupling in the air and water drilling, by turning the workpiece two to improve drilling hole taper, second times in the drilling process in laser drilling technology with laser The optical induced cavitation technology is combined to strengthen the inner wall of the hole by using the shock wave produced by the cavitation.

【技术实现步骤摘要】
一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法
本专利技术涉及激光打孔
，具体涉及到一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法。
技术介绍
目前激光打孔技术已经被应用到了汽车工业、船舶制造、航空航天、仪器仪表以及医疗技术等诸多行业之中。比起传统机械钻孔的方法，激光打孔技术具有精度高、速度快、效率高、经济效益好、无刀具损耗、深径比大等优点,已经成为激光加工的主要应用领域之一。激光诱导空化技术是用透镜将激光聚焦到水内部，水被电离，就会形成等离子体腔体，等离子体继续强吸收激光能量，腔体迅速膨胀，形成空泡，空泡溃灭产生了冲击波。但是针对高精密的仪器上打孔，需要打出高质量的群孔，例如航空发动机涡轮叶片上气膜冷却孔，对孔的锥度和内壁质量要求很高，锥度太大会严重影响涡轮叶片上的气膜孔中空气的流动速率，降低了气膜孔的冷却性能。针对上述情况，中国专利技术专利CN201610350992提出在工件下方放置反射装置和反射调节机构设置，激光束穿过通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁，以此来消除锥度，但是，激光束经过聚焦透镜之后，焦点位置的能量密度最大，焦点的上下空间的激光束是呈现发散状态，所以当激光束到达下方的反射装置的反射平面镜上时激光束的能量密度已经很小的，再经过反射平面镜的反射作用到达工件的激光束可能无法使材料汽化消除，如果激光束的能量还能使工件汽化去除，其中的消融去除量也无法保证，此外小孔下方喷射出来的材料熔渣会落在反射平面镜上，对装置产生不利影响。中国专利技术专利CN201310284493提出利用化学溶液与铝合金发生化学反应以消除通孔锥度，从而获得无锥度的通孔。但是该化学溶液的配比只是针对铝合金，其他材料需要再配比化学溶液，比较麻烦且腐蚀过程耽误时间，此外化学反应过程是对孔内壁所有部分进行腐蚀，并不是只腐蚀孔内多余铝合金材料，所以锥度改善可能不明显。
技术实现思路
本专利技术的针对上述现有技术的不足，提出一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔方法,该方法是先让工件在空气中在激光束的作用下形成通孔，此时通孔有锥度，然后利用可旋转夹具装置绕小孔的x轴线旋转180°，由于此时工件处在有水的无盖长方体容器中，利用激光诱导空化技术进行第二次打孔，现在下孔旋转到上面，第二次脉冲激光产生的热量传递到孔周围，从而去除多余部分的材料而改善孔锥度，同时z方向移动机构以缓慢的速度向下进给，做焦点向下移动的激光打孔，脉冲激光的焦点聚焦在孔中心轴线的水中，形成空泡，空泡溃灭产生了冲击波，冲击波作用到孔的内壁上，对孔内壁起到强化作用。同时本专利技术还提供了一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置。本专利技术的技术方案如下：一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置，包括电源箱、无盖长方体容器、激光头、导光管、CCD摄像机、激光器、z方向移动机构、固定夹具装置、x-y移动平台和可旋转夹具装置；所述电源箱安装在机床底座的左侧竖直面上，机床的底座上表面上安装有x-y移动平台；所述x-y移动平台上的L型工作台的水平面上安装有无盖长方体容器、工作台的竖直面上安装有可旋转夹具装置；所述固定夹具装置通过连接板直接安装在机床的后侧竖直面上；所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构；所述z方向移动机构上安装有激光器；所述激光器通过导光管与激光头相连接；所述激光头的正上方上安装有CCD摄像机；所述激光头包括平面反射镜和聚焦透镜；所述激光器发射的激光束通过导光管照射到45°设置的反光平面镜上，经反光平面镜反射到聚焦透镜上聚焦后打到工件上；所述可旋转夹具装置包括第二控制单元、驱动电机、旋转轴、第二气动夹具、滚动轴承；所述驱动电机固定在L型工作台的竖直侧板上，旋转轴穿过滚动轴承与驱动电机相连接，旋转轴上下都设有第二气动夹具，第二控制单元用来控制驱动电机的旋转和两个第二气动夹具的夹紧与松开；所述固定夹具装置包括第一控制单元、第一气动夹具、连接杆、连接板，所述第一控制单元用来控制连接杆上下对称安装的第一气动夹具对工件进行装夹与拆卸；所述x-y移动工作台包括L型工作台、y方向的导轨、丝杠支撑架、联轴器、第一伺服电机、第一电机支撑块、y方向的导轨支撑架、y方向的丝杠、x方向的底板、x方向的导轨支撑架、第二伺服电机、x方向的导轨、第二电机支撑块、x方向的丝杠和y方向的底板；所述x-y移动工作台的最下方为x方向的底板，x方向的底板上设置有x方向的丝杠，x方向的丝杠通过联轴器与第二伺服电机相连接，第二伺服电机通过第二电机支撑块来支撑，x方向的底板上表面上平行于x方向的丝杠的左右两侧平行设置有x方向的导轨，y方向的底板下表面可沿x方向的导轨滑动，y方向的底板上表面通过丝杠支撑架支撑y方向的丝杠，所述y方向的丝杠通过联轴器与第一伺服电机相连接，第一伺服电机通过第一电机支撑块支撑，y方向的底板的上表面上平行于y方向的丝杠的左右两侧平行方向上设置有y方向的导轨，y方向的导轨上连接有工作台。进一步的，所述固定夹具装置是直接通过连接板与机床床身相连接，不能移动，只装夹工件。进一步的，所述可旋转夹具装置是通过L型工作台的竖直侧板安装在x-y移动平台上，实现可旋转夹具装置在x-y方向的移动。进一步的，所述无盖长方体容器里面装的是水，水的高度与工件的上表面平行。进一步的，所述激光器、导光管、激光头和CCD摄像机可随z方向移动机构一起上下移动。进一步的，所述可旋转夹具装置上的第二气动夹具的高度不同，当驱动电机驱动旋转轴旋转180°时，工件在z方向的高度不一样，但是需要二次打孔的孔中心x、y坐标没有改变。进一步的，所述可旋转夹具装置上的第二气动夹具是关于旋转轴的轴线上下对称的。进一步的，所述第二控制单元和第一控制单元均与数控电脑相连接。基于一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置的方法，包括如下步骤：步骤1：将工件(3.3)装夹在固定工件夹具装置的第一气动夹具上，此时工件是置于空气中的；步骤2：开始激光打孔，打开激光器的泵浦，z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，当激光头到距离工件的位置恰好使其焦点在工件表面，即离焦量为0时，激光器发出脉冲激光，激光光束经反射平面镜和聚焦透镜后，光束聚焦在工件表面，随着脉冲个数的增加，直至工件上的孔打通，该通孔为孔A；步骤3：通过x-y移动平台使得可旋转工件夹具装置的旋转轴线在工件上的孔A中心坐标x方向的正下方，即y坐标相同，可旋转工件夹具装置通过第二气动夹具将工件夹紧，通过第一控制单元松开固定工件夹具装置的第一气动夹具，通过第二控制单元控制驱动电机使得工件绕孔A坐标的x方向旋转180°，此时孔A的x-y坐标没有变化，只是z方向上工件下降一端位移，让工件处在无盖长方体容器中，此时无盖长方体容器的水面正好与工件的上表面平齐，此时孔A被水充满；步骤4：同样再次开始激光打孔，打开激光器的泵浦，z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，当激光头到距离工件的位置恰好使其焦点在工件表面，即离焦量为0时，激光器发出脉冲激光，激光光束经反射平面镜和聚焦透镜后，光束聚焦在孔A中心的水表面，此时z方向移动机构开始以缓慢的速度向下进给，进给量为工件的厚度。本专利技术的具有益效果是：一、本专利技术中激光照射到孔中心的水中，产生的热量传递到孔周围，由于第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置，其特征在于，包括电源箱(1)、无盖长方体容器(2)、激光头(3)、导光管(4)、CCD摄像机(5)、激光器(6)、z方向移动机构(7)、固定夹具装置(8)、x‑y移动平台(9)和可旋转夹具装置(10)；所述电源箱(1)安装在机床底座的左侧竖直面上，机床的底座上表面上安装有x‑y移动平台(9)；所述x‑y移动平台(9)上的L型工作台(9.1)的水平面上安装有无盖长方体容器(2)、工作台(9.1)的竖直面上安装有可旋转夹具装置(10)；所述固定夹具装置(8)通过连接板(8.4)直接安装在机床的后侧竖直面上；所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构(7)；所述z方向移动机构(7)上安装有激光器(6)；所述激光器(6)通过导光管(4)与激光头(3)相连接；所述激光头的(3)正上方上安装有CCD摄像机(5)；所述激光头(3)包括平面反射镜(3.1)和聚焦透镜(3.2)；所述激光器(6)发射的激光束通过导光管(4)照射到45°设置的反光平面镜(3.1)上，经反光平面镜(3.1)反射到聚焦透镜(3.2)上聚焦后打到工件(3.3)上；所述可旋转夹具装置(10)包括第二控制单元(10.1)、驱动电机(10.2)、旋转轴(10.3)、第二气动夹具(10.4)、滚动轴承(10.5)；所述驱动电机(10.2)固定在L型工作台(9.1)的竖直侧板上，旋转轴(10.3)穿过滚动轴承(10.5)与驱动电机(10.2)相连接，旋转轴(10.3)上下都设有第二气动夹具(10.4)，第二控制单元(10.1)用来控制驱动电机(10.2)的旋转和两个第二气动夹具(10.4)的夹紧与松开；所述固定夹具装置(8)包括第一控制单元(8.1)、第一气动夹具(8.2)、连接杆(8.3)、连接板(8.4)，所述第一控制单元(8.1)用来控制连接杆(8.3)上下对称安装的第一气动夹具(8.2)对工件(3.3)进行装夹与拆卸；所述x‑y移动工作台(9)包括L型工作台(9.1)、y方向的导轨(9.2)、丝杠支撑架(9.3)、联轴器(9.4)、第一伺服电机(9.5)、第一电机支撑块(9.6)、y方向的导轨支撑架(9.7)、y方向的丝杠(9.8)、x方向的底板(9.9)、x方向的导轨支撑架(9.10)、第二伺服电机(9.11)、x方向的导轨(9.12)、第二电机支撑块(9.13)、x方向的丝杠(9.14)和y方向的底板(9.15)；所述x‑y移动工作台(9)的最下方为x方向的底板(9.9)，x方向的底板(9.9)上设置有x方向的丝杠(9.14)，x方向的丝杠(9.14)通过联轴器(9.4)与第二伺服电机(9.11)相连接，第二伺服电机(9.11)通过第二电机支撑块(9.13)来支撑，x方向的底板(9.9)上表面上平行于x方向的丝杠(9.14)的左右两侧平行设置有x方向的导轨(9.12)，y方向的底板(9.15)下表面可沿x方向的导轨(9.12)滑动，y方向的底板(9.15)上表面通过丝杠支撑架(9.3)支撑y方向的丝杠(9.8)，所述y方向的丝杠(9.8)通过联轴器(9.4)与第一伺服电机(9.5)相连接，第一伺服电机(9.5)通过第一电机支撑块(9.6)支撑，y方向的底板(9.15)的上表面上平行于y方向的丝杠(9.8)的左右两侧平行方向上设置有y方向的导轨(9.2)，y方向的导轨(9.2)上连接有工作台(9.1)。...

【技术特征摘要】
1.一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置，其特征在于，包括电源箱(1)、无盖长方体容器(2)、激光头(3)、导光管(4)、CCD摄像机(5)、激光器(6)、z方向移动机构(7)、固定夹具装置(8)、x-y移动平台(9)和可旋转夹具装置(10)；所述电源箱(1)安装在机床底座的左侧竖直面上，机床的底座上表面上安装有x-y移动平台(9)；所述x-y移动平台(9)上的L型工作台(9.1)的水平面上安装有无盖长方体容器(2)、工作台(9.1)的竖直面上安装有可旋转夹具装置(10)；所述固定夹具装置(8)通过连接板(8.4)直接安装在机床的后侧竖直面上；所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构(7)；所述z方向移动机构(7)上安装有激光器(6)；所述激光器(6)通过导光管(4)与激光头(3)相连接；所述激光头的(3)正上方上安装有CCD摄像机(5)；所述激光头(3)包括平面反射镜(3.1)和聚焦透镜(3.2)；所述激光器(6)发射的激光束通过导光管(4)照射到45°设置的反光平面镜(3.1)上，经反光平面镜(3.1)反射到聚焦透镜(3.2)上聚焦后打到工件(3.3)上；所述可旋转夹具装置(10)包括第二控制单元(10.1)、驱动电机(10.2)、旋转轴(10.3)、第二气动夹具(10.4)、滚动轴承(10.5)；所述驱动电机(10.2)固定在L型工作台(9.1)的竖直侧板上，旋转轴(10.3)穿过滚动轴承(10.5)与驱动电机(10.2)相连接，旋转轴(10.3)上下都设有第二气动夹具(10.4)，第二控制单元(10.1)用来控制驱动电机(10.2)的旋转和两个第二气动夹具(10.4)的夹紧与松开；所述固定夹具装置(8)包括第一控制单元(8.1)、第一气动夹具(8.2)、连接杆(8.3)、连接板(8.4)，所述第一控制单元(8.1)用来控制连接杆(8.3)上下对称安装的第一气动夹具(8.2)对工件(3.3)进行装夹与拆卸；所述x-y移动工作台(9)包括L型工作台(9.1)、y方向的导轨(9.2)、丝杠支撑架(9.3)、联轴器(9.4)、第一伺服电机(9.5)、第一电机支撑块(9.6)、y方向的导轨支撑架(9.7)、y方向的丝杠(9.8)、x方向的底板(9.9)、x方向的导轨支撑架(9.10)、第二伺服电机(9.11)、x方向的导轨(9.12)、第二电机支撑块(9.13)、x方向的丝杠(9.14)和y方向的底板(9.15)；所述x-y移动工作台(9)的最下方为x方向的底板(9.9)，x方向的底板(9.9)上设置有x方向的丝杠(9.14)，x方向的丝杠(9.14)通过联轴器(9.4)与第二伺服电机(9.11)相连接，第二伺服电机(9.11)通过第二电机支撑块(9.13)来支撑，x方向的底板(9.9)上表面上平行于x方向的丝杠(9.14)的左右两侧平行设置有x方向的导轨(9.12)，y方向的底板(9.15)下表面可沿x方向的导轨(9.12)滑动，y方向的底板(9.15)上表面通过丝杠支撑架(9.3)支撑y方向的丝杠(9.8)，所述y方向的丝杠(9.8)通过联轴器(9.4)与第一伺服电机(9.5)相连接，第一伺服电机(9.5)通过第一电机支撑块(9.6)支撑，y方向的底板(9.15)的上表面上平行于y方向的丝杠(9.8)的左右两侧平行方向上设置有y方向的导轨(9.2)，y方向的导轨(9.2)上连接有...

【专利技术属性】
技术研发人员：任乃飞，石春辉，王亮，王后孝，夏凯波，王琪琪，林卿，薛宁，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32