超快激光加工微细倒锥孔的装置及其方法与流程

本发明涉及一种激光加工的方法，具体涉及一种超快激光加工微细倒锥孔的装置及其方法，属于激光微细特种加工技术领域。

背景技术：

在机械零件结构微型化和精密化的趋势下，高深径比的微细倒锥孔在航空航天、航天涡轮叶片、发动机喷油嘴和精密仪器等领域的应用越来越多，精度要求也越来越高。例如柴油发动机喷油嘴上的微细倒锥形喷孔可有效提高燃油的燃烧效率、减少废气排放等，而且在其燃油喷射的入口处加工圆角可以进一步提高燃油的流量系数。随着倒锥孔尺寸形状和精度要求的不断提高，微细倒锥孔精密成形和表面光整加工难度的逐渐增大，如何实现尺寸微小、形状精度高、表面质量良好的微细倒锥孔的加工却是一个挑战性的问题。

目前微细倒锥形喷孔的常用加工工艺是采用电火花加工或电解加工实现孔的加工成形，然后采用磨粒流挤压研磨工艺提高通孔的表面质量。微细电火花加工得到倒锥孔需采用电极偏摆机构或成型电极，虽然其成形效率较高，但是工具电极的损耗无法避免，影响孔的形状精度，且无法实现在非金属材料上的微型孔加工。磨粒流挤压研磨虽可以辅助降低表面粗糙度改善表面质量，但是磨粒流会破坏孔的形状精度，而且孔内残留的磨粒清洗比较困难。

专利公开号为cn201110144408.2公开一种微细倒锥孔的电解加工方法和装置，其工艺是预先在工件上钻削或电火花加工一通孔，然后在该通孔的基础上电解加工得到倒锥孔，其电解工序中工具电极与通孔的二次对中误差较大，对中精度直接影响微细倒锥孔的形状精度，而且由于需要二次加工，所以工序也比较复杂，技术要求很高，加工精度难以得到良好保证。

激光加工近年来飞速发展，不断呈现出传统加工难以比拟的优势，特点突出，如co2激光器和nd：yag激光器加工微细孔虽没有工具损耗，但是其表面质量较差。尽管飞秒脉冲激光加工的发展具有提高加工效率和表面质量的潜力，但其应用尚不广泛。相对而言，皮秒脉冲激光加工因其技术的成熟发展，能够很好的克服上述的种种问题，且对加工微细倒锥孔无需进行二次加工，表面形貌优越，使精密微细加工工件质量得到良好的保证。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种超快激光加工微细倒锥孔的装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

超快激光加工微细倒锥孔的装置，特点是：包含激光传输模组和光学加工模组，所述激光传输模组包括沿光路传输方向依次布置的皮秒激光器、倍频模块、偏振器和扩束器，所述光学加工模组包括沿光路传输方向依次布置的旋切模块和出光嘴，扩束器的输出端衔接布置旋切模块。

进一步地，上述的超快激光加工微细倒锥孔的装置，其中，所述皮秒激光器是波长为1030nm的固态皮秒激光器。

进一步地，上述的超快激光加工微细倒锥孔的装置，其中，所述倍频模块是具有波长1030nm基频、波长515nm二倍频、波长343nm三倍频三种波段输出选择的倍频模块。

进一步地，上述的超快激光加工微细倒锥孔的装置，其中，所述旋切模块包含用于控制加工孔孔径大小的一对偏转光楔以及用于控制加工孔锥度的一对平行光楔。

进一步地，上述的超快激光加工微细倒锥孔的装置，其中，所述旋切模块的四只光楔同轴从上到下依次布置，上方的一对偏转光楔呈楔面相背布置，下方的一对平行光楔呈楔面相对布置。

本发明超快激光加工微细倒锥孔的方法，皮秒激光器输出激光，经倍频模块转换后输出基频光、二倍频光或三倍频光，倍频模块输出的激光光束通过偏振器将输出的波动形式呈直线分布线偏振的激光束转化为波动形式呈圆形或椭圆分布圆偏振的激光束，进而光束传导进入扩束器进行放大，获取更宽的平行光束，然后将放大后的平行光束传输至旋切模块，旋切模块进行光束的偏折角度调整，控制加工孔孔径大小和控制加工孔锥度，最后经出光嘴导向输出。

更进一步地，上述的超快激光加工微细倒锥孔的方法，皮秒激光器输出波长为1030nm的光束，倍频模块将波长1030nm光束转换成波长为515nm或波长为343nm的光束输出，其中波长为1030nm的光束为基频光，波长为515nm的光束为二倍频光，波长为343nm的光束为三倍频光，三种波段光可供选择其中之一进行输出。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

本发明装置结构紧凑，方法简洁，减少了激光光束能量损失，不与加工工件接触，避免相互干扰，无刀具损坏，易于实现精细倒锥孔的加工，且加工孔表面质量得到很好的保证，不需进行二次加工，大大提高加工效率，节约了生产成本。可以灵活调控所加工孔的锥度大小，倒锥孔径差范围能达到0～80um，与现有的技术相比，孔加工的范围更加广泛和灵活，能极大满足工业上对锥孔加工高精度的要求。

附图说明

图1：本发明装置的光路结构示意图；

图2：本发明的加工状态示意图；

图3：旋切模块的结构示意图；

图4：光楔的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。

如图1所示，超快激光加工微细倒锥孔的装置，包含激光传输模组和光学加工模组，激光传输模组包括沿光路传输方向依次布置的皮秒激光器1、倍频模块2、偏振器3和扩束器4，光学加工模组包括沿光路传输方向依次布置的旋切模块5和出光嘴6，扩束器4的输出端衔接布置旋切模块5。

其中，皮秒激光器1是波长为1030nm的固态皮秒激光器，具有较高的重复频率和平均功率，尤其是在与加工材料相互作用时通过瞬间高功率，较低占空比与材料发生高温烧蚀了去除物质，可以极大地减小热影响区域。

倍频模块2是具有波长1030nm基频、波长515nm二倍频、波长343nm三倍频三种波段输出选择的倍频模块。

扩束器4是将直径较小的激光束扩展为直径较大的平行激光束，达到放大光束直径、缩小光束发散角、降低功率密度以保护光学元件，缩小聚焦光斑直径、提高加工精度等目的。

旋切模块5包含用于控制加工孔孔径大小的一对偏转光楔以及用于控制加工孔锥度的一对平行光楔。旋切模块的四只光楔(光楔51、光楔52、光楔53、光楔54)同轴从上到下依次布置，上方的一对偏转光楔呈楔面相背布置，下方的一对平行光楔呈楔面相对布置。

其中偏转光楔(光楔51、光楔52)绕轴线旋转控制所加工的孔径大小，平行光楔(光楔53)位置不变，通过调节平行光楔(光楔54)在轴线方向的平移距离控制所加工孔的锥度，光楔是玻璃制品。

超快激光加工微细倒锥孔的方法，皮秒激光器1输出激光，经倍频模块2转换后输出基频光、二倍频光或三倍频光，倍频模块2输出的激光光束通过偏振器3将输出的波动形式呈直线分布线偏振的激光束转化为波动形式呈圆形或椭圆分布圆偏振的激光束，进而光束传导进入扩束器4进行放大，获取更宽的平行光束，然后将放大后的平行光束传输至旋切模块5，旋切模块5进行光束的偏折角度调整，控制加工孔孔径大小和控制加工孔锥度，最后经出光嘴6导向输出，如图2所示，出光嘴6导向输出的光束7扫描加工件8上。

皮秒激光器1输出波长为1030nm的光束，倍频模块2将波长1030nm光束转换成波长为515nm或波长为343nm的光束输出，其中波长为1030nm的光束为基频光，波长为515nm的光束为二倍频光，波长为343nm的光束为三倍频光，三种波段光可供选择其中之一进行输出。通过计算机控制倍频模块进行波长输出的选择。

综上所述，本发明装置结构紧凑，方法简洁，减少了激光光束能量损失，不与加工工件接触，避免相互干扰，无刀具损坏，易于实现精细倒锥孔的加工，且加工孔表面质量得到很好的保证，不需进行二次加工，大大提高加工效率，节约了生产成本。可以灵活调控所加工孔的锥度大小，倒锥孔径差范围能达到0～80um，与现有的技术相比，孔加工的范围更加广泛和灵活，能极大满足工业上对锥孔加工高精度的要求。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。