一种反射式激光冲击强化加工头制造技术

本发明专利技术涉及一种反射式激光冲击强化加工头。加工包括设置在狭长型加工头内的全反射聚焦透镜，加工头内包括有水区和无水区，所述全反射聚焦透镜至少包括入光面、反射面和出光面，其中，所述入光面为平面，该入光面与激光入射方向垂直，所述反射面为抛物面，该反射面的凹侧抛物面朝向激光入射方向，所述出光面侧处于加工头的有水区，所述入光面和所述反射面处于加工头的无水区，激光沿光路穿过反射聚焦透镜的入光面，通过反射面全反射聚焦后经出光面射向加工头外部的焦点区，聚焦激光射出方向与作用面法线呈倾斜角度。针对狭小空间激光冲击强化时，该加工头实现了激光的反射聚焦，克服了狭长形空间局限性，减少冲击波和溅射的水对镜片的影响。

A reflective laser shock processing head

【技术实现步骤摘要】
一种反射式激光冲击强化加工头
本专利技术涉及激光加工
，特别是涉及一种反射式激光冲击强化加工头。
技术介绍
航空航天领域的复杂构件精密加工中，存在大量非规则构件等复杂环境需采用激光加工。在进行内孔、隐蔽面激光冲击强化时，由于空间限制，激光冲击强化加工位置离反射镜位置过近，强激光的破坏、冲击波的冲击使反射镜容易损伤，目前常用的反射聚焦镜一般焦距较大，没有考虑激光加工位置对反射聚焦镜的破坏。激光加工狭小空间时可以采用反射方式进行，但由于激光加工大多存在很强的热效应和溅射，因此反射面的防护是加工头的关键技术。激光冲击强化由于采用水作为约束层，冲击波容易使水产生溅射，当强化位置离反射镜距离近时，水的溅射会导致反射面沾水影响反射效果甚至破坏。在进行内孔、隐蔽面激光冲击强化时，由于空间限制，激光冲击强化加工位置离反射镜位置过近，强激光的破坏、冲击波的冲击使反射镜容易损伤，目前能够对内孔或者隐蔽面激光冲击强化一般采用小能量激光光纤传导方式，强化可采用的能量在1J以下，激光强化效率低。因此，专利技术人提供了一种反射式激光冲击强化加工头。
技术实现思路
本专利技术的激光冲击强化加工头采用对激光高反射的抛物镜，实现了狭小空间的激光反射聚焦，并减少冲击波和溅射的水对镜片的影响，解决了用于狭小空间的激光加工头的反射聚焦镜片容易损坏以及聚焦能量低的问题。本专利技术的实施例提出了一种反射式激光冲击强化加工头，该加工头包括：设置在狭长型加工头内的全反射聚焦透镜，所述加工头内包括有水区和无水区，所述全反射聚焦透镜至少包括入光面、反射面和出光面，其中，所述入光面为平面，该入光面与激光入射方向垂直，所述反射面为抛物面，该反射面的凹侧抛物面朝向激光入射方向，所述出光面侧处于所述加工头的有水区，所述入光面和所述反射面处于所述加工头的无水区，激光沿光路穿过所述反射聚焦透镜的入光面，通过反射面全反射聚焦后经出光面射向加工头外部的焦点区，聚焦激光射出方向与作用面法线呈倾斜角度。优选地，所述全反射聚焦透镜的出光面为平面。优选地，所述全反射聚焦透镜的出光面为凹球面，所述凹球面的圆心与焦点重合。优选地，所述全反射聚焦透镜的焦点与加工头的距离大于激光冲击强化部位与加工头的距离。优选地，所述反射面为玻璃材质的抛物面；或者，所述反射面为精加工成狭长抛物面的金属抛物镜。优选地，所述反射面的粗糙度不大于Ra0.01。优选地，当激光在有水区中传输距离不大于10mm时，所述激光采用1.06um波长的红外光。优选地，当激光在有水区中传输距离大于10mm时，所述激光采用0.53um波长的绿光。优选地，所述加工头的连接端设有旋转伸缩结机构，用于驱动加工头在0°～360°范围内转动，以及带动加工头线性伸缩运动。综上，激光通过本申请加工头内的全反射聚焦透镜，经无水区内抛物面的反射面全反射汇聚，并通过出光面在有水区的水流中传输，汇聚于加工头外的工件加工部位进行激光冲击强化。由于工作加工部位到激光反射区域全部处于水环境或者玻璃环境，不与空气接触，反射面采用抛物镜反射聚焦，聚焦激光与作用面法线呈一定倾斜角度，倾斜入射方式避免法线方向水中冲击波对镜片的损伤，本申请的加工头实现了针对狭小空间的高效激光冲击强化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术一种反射式激光冲击强化加工头的镜面内部全反射方式示意图。图2为本专利技术加工头中透镜采用狭长抛物面反射方式示意图。图3是整体叶盘激光冲击强化实验中，反射面的抛物面设计坐标示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本专利技术的原理，但不能用来限制本专利技术的范围，即本专利技术不限于所描述的实施例，在不脱离本专利技术的精神的前提下覆盖了任何等同修改、替换和改进。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。激光加工狭小空间时可以采用反射方式进行，但由于激光加工大多存在很强的热效应和溅射，因此反射面的防护是加工头的关键技术。激光冲击强化由于采用水作为约束层，冲击波容易使水产生溅射，当强化位置离反射镜距离近时，水的溅射会导致反射面沾水影响反射效果甚至破坏。在进行内孔、隐蔽面激光冲击强化时，由于空间限制，激光冲击强化加工位置离反射镜位置过近，强激光的破坏、冲击波的冲击使反射镜容易损伤。基于现有技术不足，本专利技术公开了一种反射式激光冲击强化加工头，参见图1所示，该加工头采用狭长型加工头，包括激光入射方向的连接端和激光射出方向的收缩喷头。在该狭长型加工头内设置有全反射聚焦透镜，所述加工头内包括有水区和无水区，所述全反射聚焦透镜至少包括入光面、反射面和出光面，其中，所述入光面为平面，该入光面与激光入射方向垂直(入光面的法线方向为激光入射方向)，所述反射面为抛物面，该反射面的凹侧抛物面朝向激光入射方向，所述出光面侧处于所述加工头的有水区，所述入光面和所述反射面处于所述加工头的无水区，激光沿光路穿过所述反射聚焦透镜的入光面，通过反射面全反射聚焦后经出光面射向加工头外部的焦点区，聚焦激光射出方向与作用面法线呈倾斜角度。在激光冲击强化加工中，激光通过加工头内的全反射聚焦透镜，经无水区内抛物面的反射面全反射汇聚，并通过出光面在有水区的水流中传输，汇聚于加工头外的工件加工部位进行激光冲击强化。由于工作加工部位到激光反射区域全部处于水环境或者玻璃环境，不与空气接触，反射面采用抛物镜反射聚焦，聚焦激光与作用面法线呈一定倾斜角度，倾斜入射方式避免法线方向水中冲击波对镜片的损伤，此外，激光经抛物镜的反射面全反射聚焦经出光面射出，提高了激光聚焦能量，从而提高了激光加工效率。需要说明的是，由于聚焦透镜在水中使用时其焦距会改变，本专利技术采用抛物面反射式聚焦不会受介质界面的影响，抛物面的反射面可以采用玻璃等高折射率透镜介质的全反射镜，也采用对绿光高反射的金属抛物镜。当采用镜片做反射面时，以金刚石刀具精加工的铜镜为反射面说明，反射面的表面粗糙度不大于Ra0.01，根据不同的待加工工件形式设计不同结构的反射面。针对狭长间隙的待加工工件，可采用狭长的抛物镜平移，实现隐蔽面的激光冲击强化，抛物镜反射方式如图2。激光以椭圆形或者长方形形式入射到抛物镜，(椭圆长轴短轴比或长方形的长宽比为1.5-3左右)，短轴或短边通过工件之间的狭缝，抛物镜反射聚焦形成激光冲击强化光斑作用在工件上。当针对圆孔工件加工时，采用圆形光斑的激光入射到圆形的抛物镜面上，入射光通过入射面到达出光面与水接触，并在水中传输到铜镜抛物面，整个加工头浸泡在水中，通过加工头的旋转伸缩机构作用，使加工头旋转或伸入工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反射式激光冲击强化加工头，其特征在于，包括：/n设置在狭长型加工头内的全反射聚焦透镜，所述加工头内包括有水区和无水区，所述全反射聚焦透镜至少包括入光面、反射面和出光面，其中，所述入光面为平面，该入光面与激光入射方向垂直，所述反射面为抛物面，该反射面的凹侧抛物面朝向激光入射方向，所述出光面侧处于所述加工头的有水区，所述入光面和所述反射面处于所述加工头的无水区，激光沿光路穿过所述反射聚焦透镜的入光面，通过反射面全反射聚焦后经出光面射向加工头外部的焦点区，聚焦激光射出方向与作用面法线呈倾斜角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种反射式激光冲击强化加工头，其特征在于，包括：
设置在狭长型加工头内的全反射聚焦透镜，所述加工头内包括有水区和无水区，所述全反射聚焦透镜至少包括入光面、反射面和出光面，其中，所述入光面为平面，该入光面与激光入射方向垂直，所述反射面为抛物面，该反射面的凹侧抛物面朝向激光入射方向，所述出光面侧处于所述加工头的有水区，所述入光面和所述反射面处于所述加工头的无水区，激光沿光路穿过所述反射聚焦透镜的入光面，通过反射面全反射聚焦后经出光面射向加工头外部的焦点区，聚焦激光射出方向与作用面法线呈倾斜角度。


2.根据权利要求1所述的反射式激光冲击强化加工头，其特征在于，所述全反射聚焦透镜的出光面为平面。


3.根据权利要求1所述的反射式激光冲击强化加工头，其特征在于，所述全反射聚焦透镜的出光面为凹球面，所述凹球面的圆心与焦点重合。


4.根据权利要求1所述的反射式激光冲击强化加工头，其特征在于，所述全反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹世坤，吴俊峰，车志刚，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11