一种难加工材料斜孔的激光加工方法技术

本发明专利技术提供一种难加工材料斜孔的激光加工方法。本发明专利技术进行圆环槽激光加工试验，确定合适的脉冲能量E和光斑重叠率η

【技术实现步骤摘要】
一种难加工材料斜孔的激光加工方法


[0001]本专利技术涉及特种加工领域，尤其涉及一种难加工材料斜孔的激光加工方法。

技术介绍

[0002]难加工材料如陶瓷、高温合金、陶瓷基复合材料等广泛应用于航空航天领域，但由于难加工材料具有硬度较高、刀具磨损严重、刀具结构限制等问题，在其高精度微小孔等微纳加工方面存在较大困难。比如航空发动机燃烧室火焰筒和涡轮叶片需要加工直径300μm
‑
700μm的气膜冷却孔。激光加工具有非接触加工、自动化程度高等优点，是首选技术方案。其中超短脉冲激光(皮秒激光和飞秒激光)具有极短的作用时间和极高的光强密度，能够较大程度减少材料加工过程的热损伤及机械损伤，因此成为加工陶瓷基复合材料高精度微小孔的最有效加工方法。
[0003]但是超短脉冲激光的脉冲能量较低，一些难加工材料构件斜面或弧面上分布着斜孔，存在激光反射使得加工效率较低，并且加工深度有限，从而导致小孔加工质量不稳定。部分学者(专利CN 108031991 A)提出从激光器发出的激光束经过扫描装置及聚焦后竖直向上传输，将预加工零件竖直向下固定在工作台，激光扫描产生微孔，并且在微孔孔口周围设置有负压域，解决了高深径比微孔加工过程中残渣、等离子体聚集无法排出，制孔效率低的问题，在专利CN 111790982 A中，作者设置多个同心圆的轨迹来加工微小孔，能够减小制孔锥度，提高制孔效率。但是都没有提出针对倾斜微孔的加工方法。在专利CN 113902269A中，作者提供一种激光加工参数确定方法，对加工参数进行参数向量分析，从而得到合适加工参数，此方法相对于传统单因素变量加工试验方法能够提高激光加工参数的准确性。但是所使用的参数向量分析与传统单因素变量加工试验方法同样比较繁杂。目前一些难加工材料构件上存在大量斜微孔，上述都没有提到一种有效的针对难加工材料的倾斜微孔的加工方法。
[0004]上述问题极大地限制了超短脉冲激光加工倾斜微孔技术的实际应用。因此，现在亟需一种难加工材料斜孔的激光加工方法，能够简单系统的得到最优加工参数，保证能够在超短脉冲激光加工过程中具有良好加工质量的前提下，提高加工效率以及可工程化应用。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术提供一种难加工材料斜孔的激光加工方法，能够实现在不同角度、不同弧度的难加工材料上面进行高质量倾斜圆孔的激光加工，解决了传统方法研究加工参数时的冗杂性，并且提高了加工质量和效率，降低了生产成本，同时加工稳定性和工程化程度高。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种难加工材料斜孔的激光加工方法，基于线
→
面
→
体的激光加工技术路线，包括如下步骤：
[0008]第一步：将待加工样件通过夹具固定在工作台上，通过操作多轴运动平台来移动该工件，改变激光束与工件的相对位置，进行原点设置；
[0009]第二步：根据斜孔的倾角将样件倾斜θ角，进行不同脉冲能量E的圆环槽扫描加工试验，采集并统计分析试验数据，得出不同圆环槽半径r下槽宽W、槽深H随脉冲能量E的变化规律和线残余率R
h
随光斑重叠率η
s
的变化规律，确定合适的脉冲能量E和光斑重叠率η
s
；
[0010]第三步：光斑的半径恒定，通过调节光斑的平面螺旋线运动轨迹进行不同螺距l的螺旋线扫描试验，得到面残余率R
a
随螺旋线重叠率η
m
的变化规律，根据面残余率R
a
，确定不同圆环槽的半径r下的螺旋线重叠率η
m
加工参数设置；
[0011]第四步：基于螺旋线扫描加工参数，进行不同扫描次数N的加工试验，得出加工深度随扫描次数的变化规律，根据加工质量为评价要求，确定螺旋线定焦的扫描次数Nc及进给深度a
p
，通过计算加工厚度得出斜孔的步进数S；
[0012]第五步：根据第二步～第四步中试验数据采集与计算结果，选择最优的加工参数，通过控制系统将参数输入到激光器、光束扫描单元以及用于控制多轴运动平台的运动控制器中，进一步调控激光光路和多轴运动平台进行样件斜孔的实验加工，通过加工质量和加工效率来验证所计算的最优加工参数是否合适，如果不合适返回重新确定加工参数，如若合适进行实际工件的斜孔螺旋扫描加工；
[0013]第六步：对实际工件执行程序，通过控制系统使得机床光束扫描单元按照规划的加工轨迹运动，形成螺旋线扫描轨迹，通过多轴运动平台来实现轴向的进给运动，实现实际斜孔的形状加工；
[0014]第七步：加工结束后，关闭激光器、机床，取下被加工零件。
[0015]进一步地，第二步中的圆环槽扫描试验具体为：通过光束扫描单元将光斑聚焦点设置在圆环中心点与斜面的相交位置，进行不同脉冲能量E和不同扫描速度v的定焦圆环线扫描。
[0016]进一步地，第二步中，光斑重叠率通过如下公式进行计算：
[0017][0018]式中v为扫描速度，f为激光重复频率，ω(z)为光斑半径；
[0019]线残余率通过如下公式进行计算：
[0020][0021]式中h
sh
为线残余高度；
[0022]根据合适的槽宽W/槽深H以及线残余率R
h
小于5％的准则，确定光斑重叠率η
s
和脉冲能量E。
[0023]进一步地，第三步中，螺旋线重叠率通过如下公式进行计算：
[0024][0025]式中l是螺旋线螺距；ω(z)是激光光斑半径，
[0026]面残余率通过如下公式进行计算：
[0027][0028]式中h
ch
为面残余高度；
[0029]根据面残余率R
a
小于5％和面残余高度一致性好的准则，将半径分为三个范围：较小半径r
s
、中等半径r
m
、较大半径r
l
，进而确定不同半径r下的螺旋线重叠率η
m
，然后进行变螺距螺旋线扫描加工。
[0030]进一步地，步骤四中，倾斜工件离焦量保持不变，进行不同扫描次数N试验，得出随着扫描次数N的增加，槽深H逐渐趋于定值，以单次扫描的变化量小于槽深H的10％为判断依据，确定定焦扫描次数Nc，此时的槽深H
ac
数值确定为进给深度a
p
，通过计算加工厚度得出螺旋线的步进数其中d为工件厚度。
[0031]进一步地，所述螺旋线扫描轨迹具体为：激光由激光器射出，经过扩束器扩大平行输入光束的直径，然后通过平面镜反射后改变传输路径输入到光束扫描单元中，对激光束进行偏转，实现光斑的平面螺旋线运动，其中光束扫描单元包括多光模旋转加工系统、振镜扫描加工系统、道威棱镜旋转加工系统等。
[0032]进一步地，光斑焦点定于圆孔斜面中心位置，对于倾斜工件来说，激光离焦量在圆环路径上是随时变化的，对应的微槽槽宽W和槽深H也是随之改变的，这里的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种难加工材料斜孔的激光加工方法，其特征在于，基于线
→
面
→
体的激光加工技术路线，包括如下步骤：第一步：将待加工样件通过夹具固定在工作台上，通过操作多轴运动平台来移动该工件，改变激光束与工件的相对位置，进行原点设置；第二步：根据斜孔的倾角将样件倾斜θ角，进行不同脉冲能量E的圆环槽扫描加工试验，采集并统计分析试验数据，得出不同圆环槽半径r下槽宽W、槽深H随脉冲能量E的变化规律和线残余率R
h
随光斑重叠率η
s
的变化规律，确定合适的脉冲能量E和光斑重叠率η
s
；第三步：光斑的半径恒定，通过调节光斑的平面螺旋线运动轨迹进行不同螺距l的螺旋线扫描试验，得到面残余率R
a
随螺旋线重叠率η
m
的变化规律，根据面残余率R
a
，确定不同圆环槽的半径r下的螺旋线重叠率η
m
加工参数设置；第四步：基于螺旋线扫描加工参数，进行不同扫描次数N的加工试验，得出加工深度随扫描次数的变化规律，根据加工质量为评价要求，确定螺旋线定焦的扫描次数Nc及进给深度a
p
，通过计算加工厚度得出斜孔的步进数S；第五步：根据第二步～第四步中试验数据采集与计算结果，选择最优的加工参数，通过控制系统将参数输入到激光器、光束扫描单元以及用于控制多轴运动平台的运动控制器中，进一步调控激光光路和多轴运动平台进行样件斜孔的实验加工，通过加工质量和加工效率来验证所计算的最优加工参数是否合适，如果不合适返回重新确定加工参数，如若合适进行实际工件的斜孔螺旋扫描加工；第六步：对实际工件执行程序，通过控制系统使得机床光束扫描单元按照规划的加工轨迹运动，形成螺旋线扫描轨迹，通过多轴运动平台来实现轴向的进给运动，实现实际斜孔的形状加工；第七步：加工结束后，关闭激光器、机床，取下被加工零件。2.根据权利要求1所述的难加工材料斜孔的激光加工方法，其特征在于，第二步中的圆环槽扫描试验具体为：通过光束扫描单元将光斑聚焦点设置在圆环中心点与斜面的相交位置，进行不同脉冲能量E和不同扫描速度v的定焦圆环线扫描。3.根据权利要求1所述的难加工材料斜孔的激光加工方法，其特征在于，第二步中，光斑重叠率通过如下公式进行计算：式中v为扫描速度，f为激光重复频率，ω(z)为光斑半径；线残余率通过如下公式进行计算：式中h
sh
为线残余高度；根据合适的槽宽W/...

【专利技术属性】
技术研发人员：马广义，董志刚，康仁科，杨峰，马红滨，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：