【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水导激光微孔加工领域，具体说是一种高表面质量的水导激光微孔加工装置及方法。
技术介绍
1、在涡轮叶片气膜孔、燃料喷油嘴、宝石轴承孔等微孔结构的水导激光加工中，规划合适的耦合能束扫描方法是实现加工过程、保证加工精度和质量的首要条件。目前，水导激光微孔加工普遍采用扫描轨迹呈等间距同心圆或等螺距阿基米德螺旋线的单步法旋切打孔工艺。但采用这种制孔方法，烧蚀加工产生的飞溅物及等离子体会对层流射流产生干扰和等离子体屏蔽效应，从而造成微孔底部加工困难、出入口形貌差、锥度大等问题，最终的加工效果难以满足高质高精微孔结构的冶金质量要求。
技术实现思路
1、本专利技术目的是提供一种高表面质量水导激光微孔加工方法，先将材料击穿形成预制中心孔洞，然后拓宽孔径和修饰孔形，该方法可以减小微孔锥度，改善出入口形貌，在保证微孔加工精度和质量的同时提高了加工效率，以克服加工制孔工艺的缺陷。
2、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种高表面质量的水导激光微孔加工装置，包括：加工控制系统以及被其控制的纳秒激光器、光路传输单元、激光水射流耦合头、数控工作台以及ccd相机；
3、加工控制系统，用于向纳秒激光器、ccd相机以及超纯水循环系统发送开启的控制指令，还向光路传输单元、激光水射流耦合头、数控工作台发送动作控制指令，使光路传输单元中的扫描振镜角度发生变化，以及激光水射流耦合头、数控工作台按动作控制指令运动；
4、所述纳秒激光器的发射端与光路传输单元的入射端相对
5、所述ccd相机设于光路传输单元上方，且激光经光路传输单元进入检测光路并在ccd相机上成像，以实时检测到激光焦点在激光水射流耦合头的喷嘴处的位置，并通过加工控制系统调整扫描振镜角度完成激光与水射流的耦合；
6、激光水射流耦合头，用于将传输至耦合头内的激光和经水腔侧壁的管道进入耦合腔的高压水在喷嘴小孔处耦合，并从喷嘴喷出形成耦合能束，以对工件进行微孔加工；
7、超纯水循环系统，用于对废液进行多级净化，并通过高压水泵向激光水射流耦合头输送压力稳定的高压超纯水射流；
8、数控工作台根据加工控制系统的控制指令，用于放置工件，且调整工件的位置。
9、所述光路传输单元，包括：顺次连接的扩束镜、扫描振镜、聚焦镜；
10、所述扩束镜、扫描振镜与纳秒激光器设于同一水平线上；所述聚焦镜与扫描振镜同轴设置；
11、所述聚焦镜为f-theta聚焦镜，用于聚焦经扫描振镜折射入的激光光束；
12、所述扫描振镜与加工控制系统连接，用于根据ccd相机成像上激光焦点位置，通过加工控制系统控制扫描振镜角度，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点能够位于喷嘴小孔上表面的中心位置与水射流耦合。
13、所述激光水射流耦合头，包括：耦合头壳体以及设于耦合头壳体上的光学窗口、密封圈、喷嘴、液压腔、螺旋气流发生腔、进气口以及进水口；
14、所述耦合头壳体上端设有入射口，且所述入射口内设有光学窗口，所述壳体下端设有喷嘴，且激光经过聚焦镜聚焦于喷嘴处，所述壳体上端和下端之间形成液压腔，所述液压腔中的液体经由喷嘴形成水射流；
15、所述喷嘴设于所述液压腔的底部出口处，且与光学窗口同轴设置；喷嘴与所述耦合腔的底面的接合处通过密封圈密封；
16、喷嘴下部为螺旋气流发生腔，由辅助气体供气装置提供的辅助气体由进气口进入螺旋气流发生腔形成螺旋辅助气流环裹在水射流四周；
17、超纯水循环系统中内设有由喷嘴喷出的高压层流水射流通过全内反射引导激光，使它传输至工件表面；所述液压腔与超纯水循环系统连接，以接收超纯水循环系统的高压水流至液压腔中，高压水流通过喷嘴喷出形成高压层流水射流。
18、一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，包括以下步骤：
19、1)开启纳秒激光器，激光经光路传输单元传输后，通过聚焦镜聚焦于激光水射流耦合头内的喷嘴小孔上表面中心位置与水射流耦合，通过全内反射沿水射流传播形成作用于工件的耦合能束，并在工件上进行微孔加工；
20、2)对工件预制中心孔：耦合能束作用于工件上部表面，通过旋切扫描方式在中心处将工件击穿，形成预制孔洞；
21、3)拓宽孔径：调整耦合能束至预制中心孔的边界点处，通过旋切扫描方式进行拓宽孔径，微孔初步成形；
22、4)修饰孔形：通过旋切扫描方式加工微孔底部区域及出口区域，以修饰微孔出入口形貌和尺寸，使微孔表面形貌、孔壁粗糙度和锥度满足设定要求；
23、5)在一个微孔加工修饰完成后，移动数控工作台至下一微孔加工位置，重复步骤2)～步骤4)。
24、所述旋切扫描方式为：采用嵌套等间距同心圆方式或等螺距阿基米德螺旋线旋切扫描方式。
25、在步骤2)～步骤4)中，调整所述耦合能束扫描区域直径尺寸，具体如下：
26、a.在预制中心孔阶段，耦合能束扫描区域的内圈直径大于水射流直径，且外圈直径小于微孔的设定直径，以保证预制中心孔以及后续扩孔和修孔过程的进行；
27、b.在拓宽孔径阶段，耦合能束扫描区域的内圈直径与预制中心孔直径相等，以避免耦合能束的空扫和激光能量浪费；
28、c.在修饰孔形阶段，耦合能束扫描区域的内圈直径大于拓宽孔径阶段中耦合能束扫描区域的内圈直径，以缩减修饰孔形阶段的旋切扫描圈数；
29、d.在拓宽孔径阶段和修饰孔形阶段，耦合能束扫描区域的外圈直径相等，均等于微孔设定的直径。
30、所述步骤3)中，执行以下步骤：
31、增加单层扫描次数和光斑搭接率，以修饰微孔形貌、减小孔壁粗糙度以及微孔锥度。
32、所述步骤2)～步骤4)中，在预制中心孔、拓宽孔径以及修饰孔形阶段，通过耦合能束对工件(10)轴向进给，使得耦合能束逐层进行旋切扫描，完成轴向一层旋切扫描后进行下一层的旋切扫描。
33、在微孔加工前进行加工前准备，还包括以下步骤：
34、1-1)将工件(10)浸泡在乙醇溶液中超声清洗并干燥后，将工件(10)固定于数控工作台(7)上，采用试切对刀法定位后调整激光水射流耦合头(5)z轴位置的工作距离至设定值；
35、1-2)根据工件(10)的加工要求，设置水导激光旋切扫描工艺参数；
36、1-3)开启超纯水循环系统(6)，自来水经过多级净化通过高压水泵输送入液压腔，然后经由喷嘴喷出形成稳定的层流水射流；
37、1-4)打开辅助气体供气装置，辅助气体由进气口进入螺旋气流发生腔形成螺旋辅助气流环裹在水射流四周，从而降低环境空气对水射流的干扰作用，减少水射流的动量损失，提高加工过程中水射流的稳定性。
38、所述水导激光旋切扫描工艺参数包括：激光单脉冲能量、脉冲重复频率、扫描本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高表面质量的水导激光微孔加工装置，其特征在于，包括：加工控制系统(8)以及被其控制的纳秒激光器(1)、光路传输单元、激光水射流耦合头(5)、数控工作台(7)以及CCD相机(9)；
2.根据权利要求1所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置，其特征在于，所述光路传输单元，包括：顺次连接的扩束镜(2)、扫描振镜(3)、聚焦镜(4)；
3.根据权利要求1所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置，其特征在于，所述激光水射流耦合头(5)，包括：耦合头壳体以及设于耦合头壳体上的光学窗口、密封圈、喷嘴、液压腔、螺旋气流发生腔、进气口以及进水口；
4.根据权利要求1所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，所述旋切扫描方式为：采用嵌套等间距同心圆方式或等螺距阿基米德螺旋线旋切扫描方式。
6.根据权利要求4所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤2)～步骤4)中，调整所述耦
7.根据权利要求4所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，所述步骤3)中，执行以下步骤：
8.根据权利要求4所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，所述步骤2)～步骤4)中，在预制中心孔、拓宽孔径以及修饰孔形阶段，通过耦合能束对工件(10)轴向进给，使得耦合能束逐层进行旋切扫描，完成轴向一层旋切扫描后进行下一层的旋切扫描。
9.根据权利要求4所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，在微孔加工前进行加工前准备，还包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，所述水导激光旋切扫描工艺参数包括：激光单脉冲能量、脉冲重复频率、扫描内圈直径、扫描外圈直径、扫描间距、扫描速度、扫描次数、水射流压力、喷嘴直径、辅助气种类和流量。
...【技术特征摘要】
1.一种高表面质量的水导激光微孔加工装置，其特征在于，包括：加工控制系统(8)以及被其控制的纳秒激光器(1)、光路传输单元、激光水射流耦合头(5)、数控工作台(7)以及ccd相机(9)；
2.根据权利要求1所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置，其特征在于，所述光路传输单元，包括：顺次连接的扩束镜(2)、扫描振镜(3)、聚焦镜(4)；
3.根据权利要求1所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置，其特征在于，所述激光水射流耦合头(5)，包括：耦合头壳体以及设于耦合头壳体上的光学窗口、密封圈、喷嘴、液压腔、螺旋气流发生腔、进气口以及进水口；
4.根据权利要求1所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种高表面质量的水导激光微孔加工装置的加工方法，其特征在于，所述旋切扫描方式为：采用嵌套等间距同心圆方式或等螺距阿基米德螺旋线旋切扫描方式。
6.根据权利要求4所述的一种高表面质量的水...
【专利技术属性】
技术研发人员：乔红超，王顺山，赵吉宾，曹治赫，梁金盛，张青，张雨庭，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。