一种深微孔超快激光旋切加工方法与流程

本发明涉及深微孔的加工领域或者激光加工领域，特别涉及一种深微孔超快激光旋切加工方法。

背景技术：

大深径比的深微孔高效高质加工，是世界性加工难题。国内外科技人员一直尝试用各种方法进行攻克，其中就包括近年来迅速发展的激光微加工技术。激光打孔原理是利用高能激光辐照到材料表面，被加工材料吸收光子能量导致气化，从而去除材料实现打孔。相比于电火花、微细钻削等打孔方法，激光打孔的技术优势明显：(1)可以获得较大的深径比；(2)速度更快，效率更高，经济效益更好；(3)适用于多种材料；(4)无工具损耗；(5)易控制，可在斜面上加工斜孔和各种异形孔。

同时在激光打孔领域，超快激光(皮秒、飞秒激光)以其特有的金属材料的冷加工属性，更加适用于高质量的深微孔加工。但由于超快激光光斑直径较小，深微孔加工效率较低，并且由于焦深、光斑能量分布等原因，无法加工出设计的各类形状内壁的深微孔，故在大深径比深微孔的加工中，必须采用激光旋切加工工艺，利用超快激光的冷加工特性，才能高效加工各类形状内壁的高质量深微孔。

中国专利公开了利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，利用用透镜将飞秒激光进行聚焦成丝，飞秒激光在空气中形成相对稳定的光丝通道调节飞秒激光的平均功率改变光丝通道长度在相同条件下分别将靶材放在光丝通道的不同位置处，找出光丝通道中烧蚀强度最强点，再将靶材固定在烧蚀最强点处进行加工，从而获得毫米级的深微孔利用扫描电子显微镜观察深微孔的孔径大小及表面形貌再通过改变飞秒激光的平均功率和加工时间来获得不同参数的深微孔。该技术在制备深微孔技术方案中，设备成本较高，加工工艺难以摸索，同时加工效率较低，并且在制备几十个微米尺度的深微孔上的能力存疑。

中国专利公开了一种基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的方法和装置。虽然也是应用于去除孔内壁毛刺的技术，但只适用于毫米尺度销孔内壁毛刺去除，对于本发明所述的微米尺度的深微孔，冲击波导入及堵头的设置都是较大的问题，同时其专利公开的技术方案的设备成本较大，并且需要配合视觉自动检测和定位，针对深微孔去毛刺而言，其工艺价值和意义不大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种深微孔超快激光旋切加工方法，利用超快激光通过脉冲调制输出效率模式脉冲串、质量模式脉冲串，对组合脉冲进行标定后，经过偏摆晶体系统，分别利用两种模式脉冲串进行深微孔的粗加工和精加工，最终用质量模式脉冲串在特定参数下精饰深微孔表面。采用的效率模式脉冲串实施的粗加工，能够快速实现正锥度深微孔的定型加工，有效保证了加工效率，为产业化实施提供了重要保障；采用的质量模式脉冲串，组合有头部脉冲和常规脉冲，头部脉冲用于突破材料烧蚀阈值、糙化表面，常规脉冲能够精细加工表面，在精加工过程中，最大限度发挥超快激光的加工效率，同时还能够保证了正锥度深微孔表面加工质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种深微孔超快激光旋切加工方法，包括下面步骤：

超快激光通过脉冲调制分别输出效率模式脉冲串和质量模式脉冲串；

对效率模式脉冲串和质量模式脉冲串进行标定；

所述效率模式脉冲串经过偏摆晶体系统进行深微孔的粗加工；

所述质量模式脉冲串经过偏摆晶体系统进行深微孔的精加工；

通过激光对深微孔表面精饰。

进一步，所述深微孔的种类为通孔或盲孔；所述深微孔截面形状可为直壁圆柱形或正锥度表面，所述深微孔最小直径所述深微孔的深径比≤20。

进一步，所述偏摆晶体系统通过输入焦点偏移信号ω，使焦点位置三维移动；所述偏摆晶体系统通过输入光束偏摆信号φ，使脉冲串的光束做a轴偏摆或b轴偏摆；

所述a轴偏摆为脉冲串光束与z轴的偏摆夹角为α，用于使入射光束尽量垂直作用于待加工表面；

所述b轴偏摆为脉冲串光束投影至xoy平面与x轴的偏摆夹角为β，用于使入射光束能够绕着z轴做回转运动。

进一步，所述脉冲调制为将多个超快激光脉冲组合形成脉冲串，

所述效率模式脉冲串，具体参数为：

所述质量模式脉冲串，具体参数为：

其中：ntpulse为头部脉冲个数，nfpulse为常规脉冲个数，ptpulse为单个头部脉冲脉冲功率，pfpulse为单个常规脉冲脉冲功率，σ为单个头部脉冲脉冲功率系数，dutyfactor为脉冲串内部单个脉冲占空比。

进一步，所述效率模式脉冲串和质量模式脉冲串标定具体为：根据材料烧蚀气化阈值属性分别标定效率模式脉冲串lasere的单个脉冲串与质量模式脉冲串laserq的单个脉冲串的微凹坑直径和深度，具体经验公式为：一般depthe∈[1μm，5μm]，depthq∈[50nm，1.5μm]；

其中：de为效率模式脉冲串lasere的单个脉冲串加工的微凹坑直径；

depthe为效率模式脉冲串lasere的单个脉冲串加工的微凹坑深度；

dq为质量模式脉冲串laserq的单个脉冲串加工的微凹坑直径；

depthq为质量模式脉冲串laserq的单个脉冲串加工的微凹坑深度。

进一步，所述深微孔的粗加工具体为：

设所述深微孔截面投影至xoz平面的曲线为f0(x，z)＝0，x≤0，根据精加工余量depthq平移所述曲线至f(x，z)＝f0(x＝x-depthq，z)＝0，x≤0；

将待加工深微孔在z轴方向分层，每层厚度为hefeed，在效率模式脉冲串lasere下，超快激光焦点对每层待加工区域进行圆圈扫描，其中任意圈扫描的光斑扫描重叠率为λe，设第numefloor层扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈的扫描加工晶体偏摆系统的输入信号为具体如下：

上述式中：

recycle＝defloor/2-(numecycle-1)*(1-σe)*de，numefloor∈numefloor，

其中：l0为晶体偏摆系统出光口距深微孔起始加工点距离；hefeed为粗加工分层厚度；ζe为粗加工分层厚度系数；defloor为粗加工第numefloor层待加工圆形区域直径；recycle为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈的扫描轨迹半径；为粗加工第numefloor层扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号；numefloor为粗加工分层序号；(numefloor)max为粗加工分层最大序号；为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈的扫描加工晶体偏摆系统的输入信号；为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中的第nk个扫描点的加工晶体偏摆系统的输入信号；(xnk，ynk，znk)为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中的第nk个扫描点的激光焦点偏移量；(αnk，βnk)为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中的第nk个扫描点的激光光束偏摆量；numefloor为粗加工分层序号集；nk为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中扫描点排序；nk为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中扫描点最大数量；numecycle为粗加工第numefloor层扫描圈数序号；(numecycle)max为粗加工第numefloor层扫描圈数最大序号；numecycle为粗加工第numefloor层扫描圈数序号集；ξe为粗加工z轴方向分层重叠系数；σe为粗加工每层扫描重叠率；βn0为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中深微孔周向扫描步长；λe为粗加工每层扫描中每圈的扫描重叠率；为粗加工第numefloor层起始加工点坐标。

进一步，所述深微孔的精加工具体为：

将待加工深微孔沿着z轴方向分层，每层厚度为hqfeed，在质量模式脉冲串laserq下，超快激光焦点对每层待加工区域内做圆圈扫描，其中任意圈扫描的光斑扫描重叠率为λq，第numqflo层的扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号为具体如下：

上述式中：

其中：hqfeed为精加工分层厚度；ζq为精加工分层厚度系数；dqfloor为精加工第numqfloo层待加工圆形区域直径；rqfloo为精加工第numqfl层的扫描轨迹半径；为精加工第numqfloor层的扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号；为精加工第numqfloor层的第mk个扫描点加工的晶体偏摆系统的输入信号；(xmk，ymk，zmk)为精加工第numqfloor层的第mk个扫描点加工激光焦点偏移量；(αmk，βmk)为精加工第numqfl层的第mk个扫描点加工激光光束偏摆量；mk为精加工第numqfloor层的扫描点加工顺序排序；mkmax为精加工第numqfl层的扫描点加工数量最大值；numqfloor为精加工分层序号；(numqf)max为精加工分层最大序号；numqfloor为精加工分层序号集；ξq为精加工z轴方向分层重叠系数；βm0为精加工第numqfloor层的深微孔周向扫描步长；λq为精加工每层圆形扫描中每圈的扫描重叠率；(x0，z0)为深微孔形状光束干涉点坐标；为精加工第numqfloor层起始加工点坐标；θqfloor为精加工第numqfloor层起始加工点在深微孔曲线上的切线与x轴夹角；为深微孔形状光束干涉点与精加工第numqfloo层起始加工点的连线与x轴夹角。

进一步，通过激光对深微孔表面精饰，具体为：激光在离焦量下沿着精加工扫描路径精饰微孔表面，通过激光的热效应平整深微孔表面。

进一步，所述离焦量为焦点至待加工表面的距离，一般取[-1mm，-0.01mm]或[0.01mm，1mm]。

进一步，所述超快激光为脉冲式激光，所述脉冲式激光光束模式为高斯光斑，激光参数为：ppulse∈(0，100w]，pulsewidth∈[200fs，30ps]，其中，ppulse为单个脉冲脉冲功率，pulsewidth为单个脉冲脉冲宽度。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的深微孔超快激光旋切加工方法，采用的效率模式脉冲串实施的粗加工，能够快速实现正锥度深微孔的定型加工，有效保证了加工效率，为产业化实施提供了重要保障。

2.本发明所述的深微孔超快激光旋切加工方法，采用的质量模式脉冲串，组合有头部脉冲和常规脉冲，头部脉冲用于突破材料烧蚀阈值、糙化表面，常规脉冲能够精细加工表面，在精加工过程中，最大限度发挥超快激光的加工效率，同时还能够保证了正锥度深微孔表面加工质量。

3.本发明所述的深微孔超快激光旋切加工方法，采用的精饰处理利用一定离焦量激光的热效应去除毛刺、光整表面，因激光熔凝功效，深微孔表面可形成残余应力层，力学性能、摩擦学性能、抗疲劳、耐腐蚀等性能显著提升，并且该精饰过程不需要更换设备、调整夹具，完全在线后处理表面，特别适合产业化应用，可极大地降低深微孔加工的设备投入成本。

附图说明

图1为本发明所述的深微孔超快激光旋切加工方法流程图。

图2为本发明所述的正锥度深微孔表面示意图。

图3为本发明所述的正锥度深微孔表面精加工余量示意图。

图4为本发明所述的超快激光经偏摆晶体系统实现5轴偏摆示意图。

图5为本发明所述的超快激光脉冲调制输出组合式脉冲串示意图。

图6为本发明所述的效率模式脉冲串加工示意图。

图7为本发明所述的质量模式脉冲串加工示意图。

图8为本发明所述的粗加工分层示意图。

图9为本发明所述的粗加工每层由外向内圆形扫描路径示意图。

图10为本发明所述的精加工分层及扫描路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的深微孔超快激光旋切加工方法，包括下面步骤：超快激光通过脉冲调制分别输出效率模式脉冲串和质量模式脉冲串；对效率模式脉冲串和质量模式脉冲串进行标定；所述效率模式脉冲串经过偏摆晶体系统进行深微孔的粗加工；所述质量模式脉冲串经过偏摆晶体系统进行深微孔的精加工；通过激光对深微孔表面精饰。

如图2所示，所述深微孔为传统机械难以加工的回转体微孔表面，深微孔种类可为盲孔或者通孔，截面形状可为正喇叭状即正锥度圆锥形，最小直径深度hhole∈[10μm，3mm]，最大深径比≤20，可表征为revolve(x，y，z)＝0，z∈[-hhole，0]，其截面投影至xoz平面的曲线可表征为f0(x，z)＝0，x≤0，z∈[-hhole，0]，且满足当为直壁圆柱形。

所述超快激光为脉冲式激光，所述脉冲式激光光束模式为高斯光斑，激光参数为：ppulse∈(0，100w]，pulsewidth∈[200fs，30ps]，其中，ppulse为单个脉冲脉冲功率，pulsewidth为单个脉冲脉冲宽度。

如图4所示，所述偏摆晶体系统通过输入焦点偏移信号ω，使焦点位置三维移动；所述偏摆晶体系统通过输入光束偏摆信号φ，使脉冲串的光束做a轴偏摆或b轴偏摆；

所述a轴偏摆为脉冲串光束与z轴的偏摆夹角为α，用于使入射光束尽量垂直作用于待加工表面，保证了精加工的高效性和准确性能；

所述b轴偏摆为脉冲串光束投影至xoy平面与x轴的偏摆夹角为β，用于使入射光束能够绕着z轴做回转运动，为粗加工提供了技术可能性和高效性。

下面实施例以正锥度深微孔为例：

如图5所示，所述脉冲调制为将多个超快激光脉冲组合形成脉冲串，脉冲串根据对工件加工的先后顺序依次包含ntpulse个头部脉冲和nfpulse个常规脉冲，组合脉冲参数为：

其中ntpulse为头部脉冲个数，nfpulse为常规脉冲个数，ptpulse为单个头部脉冲脉冲功率，pfpulse为单个常规脉冲脉冲功率，σ为单个头部脉冲脉冲功率系数，dutyfactor为脉冲串内部单个脉冲占空比。

如图6所示，所述效率模式脉冲串，具体参数为：

如图7所示，所述质量模式脉冲串，具体参数为：

所述效率模式脉冲串和质量模式脉冲串标定具体为：根据材料烧蚀气化阈值属性分别标定效率模式脉冲串lasere的单个脉冲串与质量模式脉冲串laserq的单个脉冲串的微凹坑直径和深度，具体经验公式为：一般depthe∈[1μm，5μm]，depthq∈[50nm，1.5μm]；

其中：de为效率模式脉冲串lasere的单个脉冲串加工的微凹坑直径；

depthe为效率模式脉冲串lasere的单个脉冲串加工的微凹坑深度；

dq为质量模式脉冲串laserq的单个脉冲串加工的微凹坑直径；

depthq为质量模式脉冲串laserq的单个脉冲串加工的微凹坑深度。

所述深微孔的粗加工具体为：

如图3所示，设所述深微孔截面投影至xoz平面的曲线为f0(x，z)＝0，x≤0，根据精加工余量depthq平移所述曲线至f(x，z)＝f0(x＝x-depthq，z)＝0，x≤0；

如图8和图9所示，将待加工深微孔在z轴方向分层，每层厚度为hereed，在效率模式脉冲串lasere下，超快激光焦点对每层待加工区域内按由外至内圆圈扫描，其中任意圈扫描的光斑扫描重叠率为λe，设第numefloor层扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈的扫描加工晶体偏摆系统的输入信号为采用的效率模式脉冲串实施的粗加工，能够快速实现正锥度深微孔的定型加工，有效保证了加工效率，具体如下：

上述式中：

recycle＝defloor/2-(numecycle-1)*(1-σe)*de，numefloor∈numefloor，

其中：l0为晶体偏摆系统出光口距深微孔起始加工点距离；hefeed为粗加工分层厚度；ζe为粗加工分层厚度系数；defloor为粗加工第numefloor层待加工圆形区域直径；recycle为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈的扫描轨迹半径；为粗加工第numefloor层扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号；numefloor为粗加工分层序号；(numefloor)max为粗加工分层最大序号；为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈的扫描加工晶体偏摆系统的输入信号；为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中的第nk个扫描点的加工晶体偏摆系统的输入信号；(xnk，ynk，znk)为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中的第nk个扫描点的激光焦点偏移量；(αnk，βnk)为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中的第nk个扫描点的激光光束偏摆量；numefloor为粗加工分层序号集；nk为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中扫描点排序；nk为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中扫描点最大数量；numecycle为粗加工第numefloor层扫描圈数序号；(numecycle)max为粗加工第numefloor层扫描圈数最大序号；numecycle为粗加工第numefloor层扫描圈数序号集；ξe为粗加工z轴方向分层重叠系数；σe为粗加工每层扫描重叠率；βn0为粗加工第numefloor层中的第numecycle圈中深微孔周向扫描步长；λe为粗加工每层扫描中每圈的扫描重叠率；为粗加工第numefloor层起始加工点坐标。

如图10所示，所述深微孔的精加工具体为：

将待加工深微孔沿着z轴方向分层，每层厚度为hqfeed，在质量模式脉冲串laserq下，超快激光焦点对每层待加工区域内做圆圈扫描，其中任意圈扫描的光斑扫描重叠率为λq，第numqflo层的扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号为采用的质量模式脉冲串，组合有头部脉冲和常规脉冲，头部脉冲用于突破材料烧蚀阈值、糙化表面，常规脉冲能够精细加工表面，在精加工过程中，最大限度发挥超快激光的加工效率，同时还能够保证了正锥度深微孔表面加工质量。具体如下：

上述式中：

其中：hqfeed为精加工分层厚度；ζq为精加工分层厚度系数；dqfloor为精加工第numqfloor层待加工圆形区域直径；rqfloo为精加工第numqfloor层的扫描轨迹半径；为精加工第numqfloor层的扫描加工的晶体偏摆系统的输入信号；为精加工第numqfloo层的第mk个扫描点加工的晶体偏摆系统的输入信号；(xmk，ymk，zmk)为精加工第numqfloor层的第mk个扫描点加工激光焦点偏移量；(αmk，βmk)为精加工第numqflo层的第mk个扫描点加工激光光束偏摆量；mk为精加工第numqfloo层的扫描点加工顺序排序；mkmax为精加工第numqfloor层的扫描点加工数量最大值；numqfloor为精加工分层序号；(numqfloo)max为精加工分层最大序号；numqfloor为精加工分层序号集；ξq为精加工z轴方向分层重叠系数；βm0为精加工第numqfloor层的深微孔周向扫描步长；λq为精加工每层圆形扫描中每圈的扫描重叠率；(x0，z0)为深微孔形状光束干涉点坐标；为精加工第numqfloor层起始加工点坐标；θqfloor为精加工第numqfloor层起始加工点在深微孔曲线上的切线与x轴夹角；为深微孔形状光束干涉点与精加工第numqfloor层起始加工点的连线与x轴夹角。

通过激光对深微孔表面精饰，具体为：激光在离焦量下沿着精加工扫描路径精饰微孔表面，通过激光的热效应，利用超快激光的热效应融化精加工走刀痕迹、烧蚀毛刺，从而去除毛刺、平整深微孔表面。所述离焦量为焦点至待加工表面的距离，一般取[-1mm，-0.01mm]或[0.01mm，1mm]。本实施例中选取0.2mm。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。