组合的液体引导激光和放电加工的制作方法

本发明总体上涉及加工金属工件，并且更特别地，涉及在共同工件上使用液体引导的激光和放电加工工具。

背景技术：

将高能量激光束与诸如水的透明液体的聚焦射流组合的工业切割工具已使用多年。这些系统通常包括激光器和提供激光束的光束引导器，用于可控聚焦激光的光学模块，用于将激光与高压液体射流耦合的耦合组件，以及排出喷嘴。液体引导激光对于加工非常硬的材料是有效的，但是可能对小孔钻孔和非视线孔的深度具有限制。

多年来，基于放电加工(edm)的工业切割工具也已用于加工各种工件，包括难加工的材料，例如硬化钢和合金。edm使用电极来产生对工件的放电或火花，其通常在介电流体的帮助下去除少量材料。edm的一种应用是在涡轮机叶片的前缘和/或后缘中钻出成排的小孔。用于涡轮机叶片的非常硬的合金使具有高纵横比的孔的常规加工非常困难。edm钻孔可以在这样的材料中快速钻出小的深孔。然而，edm在用于小且复杂特征的效率和精度方面具有局限性，以及难以去除涡轮机叶片和采用热障涂层(tbc)的类似工件上的tbc。

技术实现要素：

本发明的第一方面提供了一种加工工件的方法。所述方法包括将所述工件定位在液体引导的激光切割路径中，并且使用液体引导的激光对所述工件进行液体引导激光加工以在所述工件中产生至少一个中间特征。然后将所述工件定位在放电加工(edm)装置中，并且所述edm装置的电极可操作地定位在所述工件中的所述至少一个中间特征附近。然后使用所述edm装置在所述工件上使用放电加工以修改所述工件中的所述至少一个中间特征以在所述工件中产生至少一个完成的特征。

其中，所述工件中的所述至少一个中间特征是在所述液体引导激光加工步骤期间由所述液体引导激光产生的具有中间深度的孔，并且所述edm装置在所述放电加工步骤中将所述孔修改为完成的深度以在所述工件中产生所述至少一个完成的特征。所述中间深度小于edm效率阈值，并且所述完成的深度大于所述edm效率阈值。

其中，在所述放电加工步骤期间所述edm装置的所述电极可操作地定位在所述工件中的所述至少一个中间特征的内部。

其中，所述液体引导激光切割路径是直线，并且所述edm装置的所述电极弯曲，由此所述工件中的所述至少一个完成的特征包括遵循直路径的第一部分和遵循弯曲路径的第二部分。

其中，所述工件包括基底材料和具有涂层深度的热障涂层，并且其中所述中间特征比所述涂层深度更深，并且所述放电加工步骤仅去除所述基底材料。

其中，所述工件是涡轮机叶片，并且所述至少一个完成的特征是多个计量孔。所述工件包括多个完成的特征，并且仅使用液体引导激光加工产生所述多个完成的特征的一部分，其中所述多个完成的特征的所述部分选自扩散器形状和多个涂层收集器。

本发明的第二方面提供了一种通过液体引导的激光加工和edm加工的组合加工的工件。所述工件包括基底材料和在所述基底材料中的至少一个完成的特征。通过将所述工件定位在液体引导激光切割路径中，液体引导激光加工所述工件以在所述工件中产生至少一个中间特征，将所述工件定位在edm装置中，以及使用所述edm装置放电加工所述工件以修改所述工件中的所述至少一个中间特征以在所述工件中产生所述至少一个完成的特征，产生所述完成的特征。对于放电加工，所述edm装置的电极可操作地定位在所述工件中的所述至少一个中间特征附近。

其中，所述工件中的所述至少一个中间特征是在所述液体引导激光加工步骤期间由所述液体引导激光产生的具有中间深度的孔，并且所述edm装置在所述放电加工步骤中将所述孔修改为完成的深度以在所述工件中产生所述至少一个完成的特征。所述中间深度小于edm效率阈值，并且所述完成的深度大于所述edm效率阈值。

其中，所述工件中的所述至少一个完成的特征包括遵循直路径的第一部分和遵循弯曲路径的第二部分。

其中，所述工件还包括具有涂层深度的热障涂层，并且其中所述中间特征比所述涂层深度更深，并且所述放电加工步骤仅去除所述基底材料。

其中，所述工件是涡轮机叶片，并且所述至少一个完成的特征是多个计量孔。所述工件还包括仅使用液体引导激光加工产生的至少一个非edm完成特征，其中所述至少一个非edm完成特征选自扩散器形状和多个涂层收集器。

本发明的第三方面提供了一种用于组合液体引导激光装置和edm装置的系统。所述系统包括具有液体引导的激光切割路径的液体引导激光装置和具有电极的edm装置。其还包括第一定位系统，用于将工件定位在所述液体引导激光切割路径中以便通过用所述液体引导激光装置加工所述工件来产生至少一个中间特征；以及第二定位系统，用于定位所述工件使得所述edm装置的所述电极可操作地定位在所述工件中的所述至少一个中间特征(intermediatefeature)附近，以修改所述至少一个中间特征从而在所述工件中产生至少一个完成的特征(finishedfeature)。所述工件在所述第一定位系统和所述第二定位系统之间传送，由所述第一定位系统和所述第二定位系统使用共同参考以提供所述工件中的所述至少一个中间特征和所述至少一个完成特征之间的对准。

其中，所述系统还包括提供给所述液体引导激光装置、所述edm装置、所述第一定位系统和所述第二定位系统的共同设计数据，其中所述第一定位系统和所述液体引导激光装置根据所述共同设计数据加工所述工件中的所述至少一个中间特征，并且所述第二定位系统和所述edm装置根据所述共同设计数据加工所述工件中的所述至少一个完成的特征。所述工件中的所述至少一个中间特征是孔，并且根据所述共同设计数据，所述液体引导激光装置将所述孔加工到中间深度并且所述edm装置将所述孔加工到完成的深度，以在所述工件中产生所述至少一个完成的特征。

其中，所述工件还包括基底材料和具有涂层深度的热障涂层，并且其中所述液体引导激光装置将所述至少一个中间特征加工到大于所述涂层深度的深度，并且在根据所述共同设计数据在所述工件中产生所述至少一个完成的特征时，所述edm装置仅去除所述基底材料。

其中，所述液体引导激光切割路径是直线，并且所述edm装置的所述电极弯曲，由此所述工件中的所述至少一个完成的特征包括遵循直路径的第一部分和遵循弯曲路径的第二部分。

本发明的示例性方面设置成解决本文中所述的问题和/或未讨论的其它问题。

附图说明

从结合描绘本发明的各种实施例的附图进行的本发明的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本发明的这些和其它特征，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的示例系统的框图。

图2示出了根据本发明的实施例的示例方法的框图。

图3示出了根据本发明的实施例的用于确定用于共同设计的每个特征的一个或多个过程的示例表。

注意本发明的附图不是按比例的。附图旨在仅描绘本发明的典型方面，因此不应被视为限制本发明的范围。在附图中，相同的附图标记表示附图之间相同的元件。

具体实施方式

如上所述，本发明提供了在一个共同工件上使用液体引导激光(liquidguidedlaser)和放电加工工具(electricaldischargemachiningtools)的方法、系统和所得到的工件。液体引导激光加工具有许多有利的特性。它能够可靠地加工穿过涂层，例如热障涂层(tbc)以及基底材料。它留下非常少的重铸(recast)和无毛刺(burrs)，并且能够避免回击(backstrikes)。它可以钻出具有小锥度(littletaper)的非常小直径的孔，并且可以加工成形孔和特征，例如表面扩散器形状，人字形，内方形，外方形等。它也比从工具到工件的距离变化的其它方法更有耐受性。在当前的实践中，对于非常浅的特征(＜0.5英寸)，其比放电加工(edm)快，并且在一定阈值深度上可比较。然而，在该阈值深度处和之上，edm变得更有效，并且在一定深度以上，液体引导激光变得不能工作。类似地，液体引导的激光在小直径处非常有效，但是在某个阈值直径(其中edm更有效)以上的情况下停止是成本有效的。除了深的或大的特征之外，edm具有通过电极成形实现的一些附加能力，并且不限于直的激光引导路径。

通过组合这些技术和工具，工件设计可以放松涂覆后重新打开过程。扩散器形状和冷却孔可以在共同的过程中产生。通过选择钻孔速度和特征形状能力的最有效组合，可以最大化设计灵活性和效率。在一些组合中可以克服材料限制、工作距离和两种技术的可达性(accessibility)的差异。例如，液体引导激光可以用于加工到基底金属中，以允许edm具有足够的空间来重新对准到特征中，具有更少的接触tbc表面的风险。

在本发明的一些实施例中解决的挑战是液体引导激光和edm技术在共同工件上的有效组合，并且更具体地，是具有利用两种技术用于单个特征的能力的共同设计的开发，利用两种技术用于单个特征是指使用液体引导激光产生中间特征并且使用edm来完成该特征。中间特征(intermediatefeature)是这样的特征，其不满足完成工件的最终规范，而是具有与完成特征(finishedfeature)的规范不同的中间规范。例如，中间特征可以是用液体引导激光钻孔到0.5英寸深度的孔，包括去除表面涂层，其中完成特征将是通过edm加工完成的1英寸孔。

在本发明的一些实施例中解决的另一挑战是难以精确且有效地对准独立机器上的共同设计的特征，特别是使用这两种技术的那些特征。尽管与液体引导激光和edm工具两者兼容的共同定位系统是可能的，但是这些工具更通常由不同的供应商提供，并且可能需要工件在独立的工具和专用定位系统之间物理地移动。

图1示出了用于使用液体引导激光装置110和edm装置120加工共同工件102的组合系统100。在所示的组合系统100中，液体引导激光装置110和edm装置120是独立的机器，具有它们自己的位置控制系统，并且仅与工件共用共同接口和接收互补设计数据的共同能力。在替代配置(未示出)中，可以实现两个装置的组件之间的更大程度的集成(greaterintegration)，诸如共同级，位置控制系统，数据系统，或电源。图1仅是方框示意图，并且有意地排除了诸如机柜、用户控制/接口和在这样的商业系统上常规可用并且本领域普通技术人员熟悉的其它部件的装置的许多细节。

液体引导激光装置(liquidguidedlaserdevice)110包括液体引导激光系统120，其接收来自激光源114的激光能量和来自液体源116的液体。液体引导激光系统110将来自激光源114的激光能量聚焦为光束，并且推动来自液体源116的液体通过喷嘴118以沿着液体引导激光束路径119形成液体引导激光束。液柱(通常为水射流)用作激光引导器，类似于纤维光学器件的原理，并且将激光能量引导到工件处，同时也提供用于从工件连续冲洗碎屑的移动介质。在图1中，工件102还未定位在液体引导激光路径119中，正如它在加工期间那样。

edm装置120包括接收来自液体源124的介电液体和来自电源126的电能的edm系统122。edm系统120将介电液体(通常为水)提供给工件的表面，同时驱动高能量脉冲通过电极128以在电极128和工件之间产生火花并且由此去除材料。这需要电极128和正被加工的工件上的位置之间的紧密接近(closeproximity)。在图1中，工件102还未定位在电极128附近，正如它在加工期间那样。

液体引导激光装置110与台架130兼容并且接合到台架130，所述台架130具有用于在通过液体引导激光装置110加工期间定位和保持工件102的卡盘132。液体引导激光装置110和台架130通过基于计算机的位置控制系统134相对于彼此保持和移动。在所示的实施例中，位置控制系统134连接到台架130并且通过台架130连接到液体引导激光系统112。其它配置和互连是可能的。位置控制系统134配置成在x、y和z维度上以高精度定位和移动工件，x和y通常是指工件的横向位置并且z通常是指沿着液体引导激光路径119从喷嘴118到工件的目标表面的距离。应当注意这些方向是相对的，并且在一些实施例中，它可以是液体引导激光器112，台架130或卡盘132，或者它们中的任何和全部，其通过在各个方向上的竖直和横向致动和/或旋转移动以相对于液体引导激光路径119适当地定位工件，从而实现期望的特征位置、形状和深度的期望的接触点和接触方向。在一个实施例中，卡盘132和位置控制系统134选自与多个加工工具兼容的平台机器定位系统。

edm装置120与台架140兼容并且接合到台架140，所述台架140具有用于在通过edm装置120加工期间定位和保持工件102的卡盘142。edm装置120和台架140通过基于计算机的位置控制系统144相对于彼此保持和移动。在所示的实施例中，位置控制系统144连接到台架140并且通过台架140连接到edm系统122。其它配置和互连是可能的。位置控制系统144配置成在x、y和z维度上以高精度定位和移动工件，x和y通常是指工件的横向位置，并且z通常是指从电极128到工件的目标表面的距离。应当注意这些方向是相对的，并且在一些实施例中，它可以是edm系统122、台架140、卡盘142、或者它们中的任何和全部，其通过在各个方向上的竖直和横向致动和/或旋转移动以相对于电极128适当地定位工件，从而实现期望的特征位置、形状和深度的期望的接触点和接触方向。在一个实施例中，卡盘142和位置控制系统144选自与多个加工工具兼容的平台机器定位系统，并且它是与用于液体引导激光装置110的卡盘132和位置控制系统134相同类型的平台机器定位系统。

为了能够以对其相对位置的高水平控制来加工相同工件上的特征，本发明的一些实施例使用共同的一组设计数据150和用于附接到工件102的卡盘132和142的适配器160，并且为定位两个工具提供一致的参考。例如，卡盘132和142的每一个可以为每个机器提供共同安装装置，并且适配器160可以是在整个加工过程中固定地附接到工件102并且随着工件作为机器之间的单元行进的托盘。适配器160提供用于定位工件的关键表面的可重复系统。在一个实施例中，适配器160可去除地夹持到工件102的一部分从而以刚性方式定位工件，并且在机器行进的小工作空间内提供工件102的位置。适配器160可以使不规则的工件几何形状能够容易地适应标准卡盘形式，并且在一些实施例中，是针对重复使用的零件系列的特定零件开发的定制夹具。适配器160提供工件102的标准取向和位置，使得基于工件102上的共同参考点，两个位置控制系统134、144可以使用共同的起点查找、计算和操纵工件102在它们的相应机器中的位置。例如，在一个实施例中，工件102由用于液体引导激光装置110的位置控制系统134探测，并且坐标移动(coordinationshift)被计算并记录到共同设计数据150或以其它方式传送到用于edm装置120的位置控制系统144。

为了可以由两个位置控制系统134、144使用的共同参考(或多个参考)，可以提供共同设计数据集合以将所有特征及其规范精确地映射到单个工件设计上，即使两个独立的机器将用于实际加工。一旦这些特征被映射(mapped)并且针对给定的共同设计确定它们的相对位置和规范，可以评价每个特征是否应在液体引导激光装置110、edm装置120或其组合上产生。在组合特征的情况下，将规范分成用于具有目标位置、形状和深度的所使用的第一装置(通常为液体引导激光装置110)的中间特征规范，以及包括目标位置形状和深度的最终特征规范，用于将产生具有期望规范的完成特征的完成特征。一旦生成共同设计数据150，它就可以与共同参考数据一起分成用于相应的机器的特征化规范的互补集合。例如，来自共同设计数据150的液体引导激光规范可以包括仅由液体引导激光装置110产生的多个特征以及由液体引导激光装置110产生的用于由edm装置120完成的多个中间特征。来自共同设计数据150的edm规范可以包括仅由edm装置120产生的多个特征以及用于从由液体引导激光装置110产生的中间特征内的位置开始以完成共同设计中的完成特征的多个完成特征。应当注意，对于一些工件和设计应用，可以颠倒液体引导激光特征和edm特征的顺序或者具有需要在两个机器之间多次重复以完成的组合的特征。例如，可以使用edm装置120产生大的中间特征，移动到液体引导激光装置110以在具有复杂形状的第一中间特征内产生第二中间特征，然后移回到edm装置120以用于在第二中间特征内钻出长孔以产生复杂的完成特征。在一个实施例中，用于设计数据150和将特征分成液体引导激光规范和edm规范的组合设计在单独的设计系统(例如设计系统152)上实现，具有与用于设计数据150的共同库(commonrepository)的远程连接。在另一实施例中，设计数据150在设计系统152上产生，并且放置在与位置控制系统134、144兼容且通过该过程与工件102和适配器160一起移动的可移动介质上。

图2是示例方法200的框图，例如使用来自图1的组合系统100的方法。在步骤210中，准备用于共同液体引导激光(lgl)和edm设计的组合特征布局(combinationfeaturelayout)以表示/代表完成工件中的所有完成特征，并且使用各种设计和工艺效率考虑通过过程将每个特征识别为lgl、edm或组合的lgl/edm(参见图3)。在步骤215中，为需要组合的lgl/edm加工的每个特征计算中间和完成特征。在步骤220中，将包括共同参考、仅lgl特征和lgl中间特征的设计数据提供给用于lgl装置的位置控制系统。在步骤230中，使用共同参考数据和由工件和/或适配器提供的参考点来定位lgl装置。在步骤240中，基于lgl设计数据以及从lgl设计数据、参考位置和用于lgl装置的位置控制系统计算得到的位置和操作规范，由lgl装置加工仅lgl和lgl中间特征。在步骤250中，将包括共同参考、仅edm特征和edm正在完成的特征(finishingfeatures)的设计数据提供给用于edm装置的位置控制系统。在步骤260中，使用共同参考数据和由工件和/或适配器提供的参考点来定位edm装置。在步骤270中，基于edm设计数据以及从edm设计数据、参考位置和用于edm装置的位置控制系统计算得到的位置和操作规范，由edm装置加工仅edm和edm正在完成的特征。

图3是用于将组合设计中的特征分类为仅lgl、仅edm或组合的lgl/edm特征的标准示例表300。这仅是一个示例，并且这样的设计考虑将随着机器和过程能力的改变以及基于工件的类型和对于其几何形状、特征、材料、涂层等的各种特殊考虑而随时间改变。这些标准也可以考虑更一般的制造效率标准，例如机器可用性，可靠性，特征公差和其它考虑。在表300中，第一数据行是指在基底材料上存在涂层，如果存在涂层，则需要使用lgl或lgl+edm。在第二数据行中，考虑表面特征形状的复杂性。基于lgl相对于edm的相对能力来设置复杂性阈值。对于超过该复杂度阈值的形状，需要lgl或lgl+edm，原因是edm变得不适于更复杂的形状。在第三数据行中考虑特征尺寸，通常指直径。存在edm尺寸阈值，在所述阈值以下edm不能工作并且lgl只是唯一的选择。然而，也存在lgl尺寸效率阈值，超过所述阈值lgl是低效的方法。在这两个阈值之间，lgl、edm或lgl+edm都是选择。在lgl尺寸效率阈值(sizeefficiencythreshold)以上，仅edm或lgl+edm是唯一的选择。在第四数据行中，考虑特征深度。在所示的示例中，仅考虑lgl更快或相等或edm更快之间的效率阈值。在该示例中，如果所有三个选择可用，则特征的深度决定偏向使用哪种方法。短孔将仅用lgl钻孔。长孔将仅用edm钻孔。然而，如果其它特征规范(例如涂层或复杂表面形状的存在)，lgl+edm将是优选的，其中中间特征具有接近用于在两个过程之间改变的edm效率阈值的深度。最终数据行与特征的钻孔路径相关，并且捕获在驱动决策制定的过程能力中可能存在其它考虑的一般概念。在该示例中，lgl具有更长且更宽的工作距离阈值。因此，取决于工件的整体形状、定位系统、相应工具的头部、和/或可以防止工具接近特定特征位置的结构，lgl可能是唯一的选择。尽管edm要求接近(proximity)，但是一些实施例也具有使用成形电极到达特征位置的能力，这对于直的lgl束路径可能是困难的。组合lgl和edm，设计可以考虑使用lgl去除表面涂层或启动特征，但是改变至在edm中的成形电极是完成该特征所必需的。如上所述，该表仅是示例，并且用于将特定特征分配给仅lgl、仅edm或组合的lgl/edm的完整设计标准以及设置中间特征的实际规范可以是复杂的过程。

前述附图示出了根据本发明的若干实施例的一些操作处理。应当注意在一些替代实现方式中，所描述的动作可以不按照所描述的顺序发生，或者事实上可以基本上同时或以相反的顺序执行，这取决于所涉及的动作。

本说明书中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本说明书所使用的，单数形式“一”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，当在该说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

在下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与具体要求保护的其它要求保护的元件组合地执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了本发明的描述，但是并不旨在穷尽或限于所公开的形式的公开。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解对于具有适于预期的特定使用的各种修改的各种实施例的公开。