一種激光加工異型孔的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提出了一種利用飛秒激光在金屬上加工異型孔的方法，保證圓孔與異型孔的加工位于同一工位上，與高精度控制系統(tǒng)配套保證了異型孔孔中圓孔的位置精度。利用微動(dòng)二維平臺(tái)的一個(gè)擺動(dòng)軸與五軸平臺(tái)的一個(gè)直線軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)復(fù)合，再加上激光器快門的實(shí)時(shí)控制，由點(diǎn)成線，線成面，面成體的基本規(guī)則，可以精確地控制激光束刀具加工各種各樣的異型形狀。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及。
技術(shù)介紹
目前葉片氣膜孔加工主要是采用機(jī)械加工、電火花方法、傳統(tǒng)的納秒激光及電液束流等方式進(jìn)行加工，電液束流加工效率最低，孔的輪廓形狀最不可控、加工粗糙度很差、不能加工異型孔，未能成為目前航空精密加工的主流加工方式。1.機(jī)械加工具有強(qiáng)沖擊力和熱效應(yīng)，在加工小于200微米的微孔或者微槽的難度很大、而且產(chǎn)品合格率也很低。2.電火花加工這種加工方式具有難以克服的缺點(diǎn)加工尺寸精 度不可控，加工錐度不可控，這對(duì)于要求一致性良好的倒錐形的噴油孔，是難以克服的瓶頸問題；表面粗糙度低，毛刺多；加工效率不高；只能加工導(dǎo)體；熱效應(yīng)明顯。傳統(tǒng)的電火花加工由于要求加工工件必須具有導(dǎo)電性，所以對(duì)具有熱障涂層的葉片無能為力。3.長(zhǎng)脈沖激光加工其效率和尺寸控制精度都有極大地改善，但是加工表面粗糙度很低且有很大的熱影響區(qū)，并出現(xiàn)如濺落物、微裂紋等許多缺陷，因此必然會(huì)對(duì)加工區(qū)域附近的材料性能產(chǎn)生負(fù)面影響，大大影響工件的使用壽命和冷卻效果。因此，其應(yīng)用領(lǐng)域只能集中在精細(xì)度要求不高的激光切割和激光焊接等領(lǐng)域，對(duì)于需要超精細(xì)加工的領(lǐng)域卻無能為力。根據(jù)目前的加工方式，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能最急需解決的關(guān)鍵問題就是重鑄層和再結(jié)晶加工過程熱影響的問題，只有在此基礎(chǔ)上提高孔尺寸的一致性問題才能進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。飛秒激光冷加工技術(shù)是超精細(xì)冷加工制造工藝的典型代表，也是先進(jìn)制造技術(shù)的新興方向，該技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用克服了傳統(tǒng)激光、電火花加工和電液束流加工的缺點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)加工存在熱效應(yīng)、材料選擇性以及精度低的技術(shù)瓶頸，在航空領(lǐng)域?qū)O大的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和無故障運(yùn)行時(shí)間、提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比且應(yīng)用于燃燒室可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的節(jié)能減排。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)目前新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)異型氣膜孔加工的存在精度低、加工效率低、有重鑄層、有微裂紋、有再結(jié)晶等工藝瓶頸，本專利技術(shù)研究一種采用超快激光作為“特殊刀具”實(shí)現(xiàn)高效超精細(xì)異型孔冷加工的工藝手段和方法。針對(duì)上述問題，本專利技術(shù)提出了一種利用飛秒激光在金屬上加工異型孔的方法，保證圓孔與異型孔的加工位于同一工位上，與高精度控制系統(tǒng)配套保證了異型孔孔中圓孔的位置精度。利用微動(dòng)二維平臺(tái)的一個(gè)擺動(dòng)軸與五軸平臺(tái)的一個(gè)直線軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)復(fù)合，再加上激光器快門的實(shí)時(shí)控制，可以精確地控制激光束刀具加工各種各樣的異型形狀。本專利技術(shù)的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。具體如下I)驅(qū)動(dòng)激光以直線方式掃描被加工工件表面，同時(shí)驅(qū)動(dòng)工件沿著與所述直線垂直的方向前進(jìn)；2)隨著工件的前進(jìn)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定，改變所述直線方式掃描的線段長(zhǎng)度，形成不規(guī)則的切割面；3)工件復(fù)位，重復(fù)步驟I)和2);4)多次重復(fù)所述步驟3)，直至工件表面的加工厚度達(dá)到預(yù)設(shè)值，形成不規(guī)則孔。進(jìn)一步地，所述步驟2)中，通過改變激光掃描時(shí)的振幅或激光開關(guān)快門時(shí)間來改變掃描的線段長(zhǎng)度。進(jìn)一步地，通過PZT致動(dòng)反射鏡的方式來驅(qū)動(dòng)激光振蕩掃描。本專利技術(shù)的有益效果是攻克傳統(tǒng)加工存在熱效應(yīng)、材料選擇性以及精度低的技術(shù)瓶頸，在航空領(lǐng)域?qū)O大的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和無故障運(yùn)行時(shí)間、提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比且應(yīng)用于燃燒室可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的節(jié)能減排。附圖說明圖1是異型孔加工實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。圖2是變振幅復(fù)合加工運(yùn)動(dòng)原理圖。圖3是單層異型面的控制流程圖。圖4是異型孔的控制流程圖.圖5是光束快門變振幅復(fù)合加工運(yùn)動(dòng)原理圖。圖6所示為單層異型面通過光束快門時(shí)序控制方法控制流程圖。圖7為異型孔激光加工的整體控制流程圖。具體實(shí)施例方式如圖1所示，實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的加工異型孔方法激光加工設(shè)備主要由二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)I (如PZT致動(dòng)微動(dòng)平臺(tái))、45°平面反射鏡2、平行平板玻璃3、聚焦鏡4、以及被加工工件5組成。其中，二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)繞平面反射鏡中心的一維、二維擺動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)繞平面反射鏡法線的二維擺動(dòng)，從而對(duì)入射進(jìn)來的激光光束實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)、圓運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)。平行平板玻璃可以繞其中心軸做高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；聚焦鏡對(duì)入射進(jìn)來的平行光束進(jìn)行能量匯聚，傳導(dǎo)到被加工材料并被吸收，轉(zhuǎn)化為溫度場(chǎng)，從而熔化、氣化材料，經(jīng)過排屑，便形成了簸箕孔的加工。航空葉片簸箕孔主要是由異型孔、圓孔組成。由點(diǎn)成線，線成面，面成體的基本規(guī)貝U，異型孔和圓柱孔加工問題的解決是簸箕孔加工的前提。如圖1所示，二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)I作繞45°平面反射鏡2法線的二維擺動(dòng)，將形成一圓環(huán)軌跡，此時(shí)平行平板玻璃繞其自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為圓環(huán)軌跡運(yùn)動(dòng)的跟隨運(yùn)動(dòng)，可以加工出深徑達(dá)20 :1、無錐度的微小孔。當(dāng)二維掃描平臺(tái)做一維掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過上圖中的光學(xué)系統(tǒng)，將在被加工工件中生成一條長(zhǎng)度可控的線段，這樣便可以加工出形狀同樣可控制的異型面。通過改變焦點(diǎn)的位置，一層層以掃削的方式可以加工圓柱孔、異型腔，最終完成簸箕孔的激光加工。加工時(shí)，工件放置于一五軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，五軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)分別有三個(gè)直線軸(X、Y、Z)，及兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(A、C)，可以實(shí)現(xiàn)被加工工件的五自由度運(yùn)動(dòng)；另外二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)具有兩自由度，分別是與平臺(tái)直線X軸、Y軸平行的兩個(gè)軸，其坐標(biāo)通過垂直映射與工件坐系原點(diǎn)重合。本專利技術(shù)異型孔的形成方法有兩個(gè)具體實(shí)施例實(shí)施例一二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)變振幅復(fù)合加工方法 圖2所示，激光掃描的路線軌跡是由二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)I的A軸與五軸平臺(tái)X軸的復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡，微動(dòng)二維平臺(tái)-A軸與五軸平臺(tái)Y軸平行，點(diǎn)O為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)I的A軸作直線掃削運(yùn)動(dòng)，五軸平臺(tái)的X軸向前推進(jìn)工件前進(jìn)。為了在工件表面加工出不規(guī)則的削面，二維擺動(dòng)光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)I沿A軸的掃描距離，即其振幅隨時(shí)間變化。例如，圖2所示分別為A1A11、A2A21、……、AnAnl，隨著五軸平臺(tái)的X軸向前推進(jìn)工件，在工件表面形成了一層梯形的削面。根據(jù)不同的需求，改變所屬掃描的振幅，即可加工出不同形狀的削面。按照上述切削過程，對(duì)工件進(jìn)行層層掃描，通過多層的疊加，即可加工出不規(guī)則的異型孔。圖3是單層異型面的控制流程圖，圖4是異型孔的控制流程圖。圖4中，J值表示異型孔需要加工的層數(shù)，由給定深度及每層加工量確定；X軸的進(jìn)給值取決于掃削直線的寬度；加工過程中統(tǒng)一控制程序過程中的初始、終止位置。實(shí)施例二 光束快門變振幅復(fù)合加工方法如圖5所示，線段AnAl和AnlAll是異型面的兩條輪廓線，與線段AnAnUAlAll構(gòu)成異型面。兩條斜線由光束快門控制時(shí)序確定，也就是說，X軸對(duì)應(yīng)在點(diǎn)Xl位置時(shí)，光束快門在點(diǎn)Al處打開，在點(diǎn)All處關(guān)閉，對(duì)應(yīng)在點(diǎn)X2位置時(shí)，光束快門在點(diǎn)A2處打開，在點(diǎn)A21處關(guān)閉，依此類推。在此過程中，微動(dòng)二維平臺(tái)-A軸做勻速等振幅擺動(dòng)。如圖6所示為單層異型面通過光束快門時(shí)序控制方法控制流程圖；圖7為異型孔激光加工的整體控制流程圖。焦點(diǎn)進(jìn)給量、X軸進(jìn)給量取決于激光加工工藝參數(shù)。從原理上來看，光束快門變振幅復(fù)合加工方法更簡(jiǎn)單適用一些，并且可以避免微動(dòng)二維平臺(tái)-A軸的非勻速運(yùn)動(dòng)引起工藝質(zhì)量問題。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種激光加工異型孔的方法，其特征在于，包括如下步驟：1)驅(qū)動(dòng)激光以直線方式掃描被加工工件表面，同時(shí)驅(qū)動(dòng)工件沿著與所述直線垂直的方向前進(jìn)；2)隨著工件的前進(jìn)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定長(zhǎng)度，改變所述直線方式掃描的線段長(zhǎng)度，形成不規(guī)則的切割面；3)工件復(fù)位，重復(fù)步驟1)和2）；4)多次重復(fù)所述步驟3)，直至工件表面的加工厚度達(dá)到預(yù)設(shè)值，形成不規(guī)則孔。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種激光加工異型孔的方法，其特征在于，包括如下步驟 1)驅(qū)動(dòng)激光以直線方式掃描被加工工件表面，同時(shí)驅(qū)動(dòng)工件沿著與所述直線垂直的方向前進(jìn)； 2)隨著工件的前進(jìn)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定長(zhǎng)度，改變所述直線方式掃描的線段長(zhǎng)度，形成不規(guī)則的切割面； 3)工件復(fù)位,重復(fù)步驟I)和2)； 4)多次重復(fù)所述步...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊勇，賈海妮，姜寶寧，楊小君，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中科中涵激光設(shè)備福建股份有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：