微孔激光-高温化学同步复合加工装置及加工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光与化学复合加工领域，具体涉及一种微孔激光-高温化学同步复合加工装置及加工方法。
【背景技术】
[0002]难加工材料是指切削加工性比较差的材料。通常采用系数Kr表示材料的相对切削加工性，一般认为Kr〈0.5时，属难加工材料。它们难加工的原因一般有以下几个方面:高硬度，高强度，高塑性和高韧性，低塑性和高脆性，低导热性，有微观的硬质点或硬夹杂物等。不锈钢的相对切削性Kr约为0.3?0.5之间，难加工性主要表现在硬度高、塑性和韧性高、导热率低等。汽油喷油器的喷油板零件采用不锈钢(SUS304)材料，喷油板上的喷油孔对尺寸精度和表面质量要求高，现有的放电/电火花加工(EDM)效率低，由于EDM是高温烧蚀加工，因此存在缺陷层，如:重铸层、热影响区、微裂纹等。
[0003]激光加工是一种现代精密加工方法，是难加工材料中运用较广的加工方法之一。激光加工是利用连续或脉冲聚焦高能激光束直接作用于被加工材料，使材料局部瞬间熔/气化，或者利用热应力使材料内产生内裂纹并使裂纹沿着规定的方向扩展，从而达到加工工件的目的。激光加工微孔的过程可以分为以下三个阶段:1、表面加热。当激光开始作用于材料表面时，由于材料的表面反射，加热比较缓慢，热量向内部传导;2、表面熔化。在激光持续作用下，当表面温度超过熔点后材料开始熔化，材料的吸收率增大，热量剧增，熔化量加大，材料气化开始;3、熔化材料的去除。随着激光的持续作用，气化比例剧增，蒸气粒子吸收激光能量进一步加热并电离，形成高速膨胀的等离子体，蒸气和等离子体在材料表面产生的巨大冲击力使大部分熔化物向外喷射出来，被加工工件上形成微孔。但激光加工存在以下问题:一方面，由于它是利用激光逐点烧蚀加工工件，所以加工效率较低;另一方面，因为激光加工过程中有熔体的喷溅，加工表面存在大量熔渣，当采用提高激光功率密度的方法来提高激光加工的效率时，会因表面温度梯度大而产生较大的热应力，很容易在材料表面产生微裂纹。这两个因素造成激光加工表面存在缺陷层(如:重铸层、热影响区、微裂纹等)，因此加工质量较低。
[0004]化学加工是利用化学液与金属材料发生化学溶解反应从而去除材料的一种加工方法，因此利用化学加工方法对激光加工后的缺陷层进行溶解去除可以提高被加工工件的表面质量。然而，现有的激光与化学串行加工方法是:首先对工件进行激光加工，然后再进行化学加工，现有方法存在的缺点:一是工序长、加工精度和效率低，因为第一道工序是激光加工，第二道工序是化学加工，因此需要二次定位和装夹，二次定位误差将降低加工精度，串行加工工序也降低了加工效率;二是化学液在室温或者加热到一定温度与浸泡在化学液中的工件发生化学溶解反应，对于工件上不需要加工的表面容易造成过度加工，为此需要在加工之前增加保护层和加工之后去除保护层，因此使得工艺过程复杂、加工困难、加工精度和效率低。
[0005]申请号为2006100415950，喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置，是利用激光发生装置产生激光光束在工件上进行孔、缝、槽的加工，在激光加工的基础上增加了高速喷射液束的冲刷、冷却以及在激光辐照条件下的喷射液束电解的复合加工作用，从而实现在激光加工过程中“在线”去除再铸层。虽然该装置可以去除再铸层，但是该装置需要外界电源的配合，在激光加工区进行电化学阳极溶解，由于在液束与工件之间加上电压，因此，除了激光加工区发生电化学阳极溶解外，工件的其他区域也会发生阳极溶解，容易造成其他不需要加工的区域也发生过渡加工;其工作台不能实现倾斜角度的调整，不能适应于各种倾斜角度的开孔。
【发明内容】
[0006]本发明的目的为了解决现有技术中存在的技术问题，提出一种微孔激光-高温化学同步复合加工装置及加工方法。
[0007]为了达到以上目的，本发明的技术方案为:
[0008]微孔激光-高温化学同步复合加工装置，包括激光加工单元、工作台和化学加工单元，其中，激光加工单元包括依次连接的激光器、光纤和激光加工头，化学加工单元包括储液箱、输出管道和喷头，输出管道的一端与储液箱连通，另一端与喷头连接，喷头安装在激光加工头的下端，工作台上固定工件，所述激光加工头安装在工件的上端;工作台的下端安装有用于调节工作台倾斜角度的角度调节机构。
[0009]角度调节机构调节工作台的倾斜角度，保证所加工微孔的中心线与工件法线之间的夹角，加工出符合规定的具有特定倾斜角度的微孔。
[0010]所述的喷嘴，由锥体和密封盖构成，安装在激光加工头的底部，其功能为将化学液喷射到激光加工的微孔区域，同时聚焦激光束穿过喷嘴聚焦到被加工的喷油板零件上，实现聚焦激光束与化学液的同轴输送;保证在激光烧蚀加工微孔的同时化学液在激光辐照的高温区域发生高温化学反应，去除激光加工后的缺陷层。
[0011]优选的，所述角度调节机构安装在工作台的下端，包括底座、支撑座、转轴、楔块和调节杆，底座位于最下方，支撑座安装在底座上，工作台安装在支撑座上，支撑座的一端通过转轴与底座连接，楔块安装在支撑座与底座之间，楔块的斜面与支撑座的下底面重合，所述调节杆活动安装在底座上，调节杆与楔块连接，楔块的运动轨迹与转轴垂直或与转轴呈设定角度。
[0012]进一步优选的，所述调节杆与转轴垂直安装或相对于转轴设定角度安装，优选为垂直于转轴安装。
[0013]调节杆的运动带动楔块的运动，楔块的运动抵住支撑座，使支撑座绕着转轴作旋转运动，进而调节了支撑座与底座之间的夹角。
[0014]更进一步优选的，所述调节杆为调节螺钉，底座的上表面设置凸台，贯穿凸台设置螺纹孔，调节螺钉安装在螺纹孔中。
[0015]凸台对调节螺钉起到固定和导向作用，使调节螺钉便于调节和使用，方便角度的调节。
[0016]优选的，底座与支撑座之间靠近转轴的位置安装用于测量底座与支撑座之间夹角的刻度盘。
[0017]优选的，所述刻度盘为扇形透明板，刻度盘上设有角度刻线，刻度盘的零刻度线与底座的上表面重合。
[0018]零刻线与底座上表面重合，支撑座指示的角度即为底座与支撑座之间的夹角，显示直接，观察方便。
[0019]优选的，所述工作台为旋转轴，旋转轴为圆柱形阶梯轴，旋转轴的下端通过联轴器与电机相连，旋转轴的上端加工成设定形状，便于工件的定位固定。
[0020]进一步优选的，旋转轴的上端均布有若干个向下倾斜设置的便于熔渣和化学液流下的凹槽。
[0021]更进一步优选的，所述旋转轴采用铁磁性材料制成，铁磁性环状压板与旋转轴配合，将工件固定在旋转轴上。
[0022]圆环形薄板结构，保证被加工的喷油板零件端面中心区域外露，便于激光加工，与被加工的喷油板零件外侧面相切，采用磁性材料制成，与旋转轴之间产生磁力可以夹紧喷油板零件。
[0023]优选的，化学加工单元还包括液体回收装置，液体回收装置包括液体回收腔室和回收管道，液体回收腔室通过回转轴安装在旋转轴上，液体回收腔室的下端通过回收管道与储液箱连通。
[0024]液体回收腔室通过回转轴安装在旋转轴上，可以避免旋转轴的转动带动液体回收腔室运动，保证装置的稳定性。
[0025]进一步优选的，液体回收腔室的上端设置有防护罩。可以回收化学液，防止化学液的蒸发和溅出。
[0026]进一步优选的，所述储液箱包括箱体、过滤网和箱盖，过滤网将箱体分隔成第一腔室和第二腔室，第一腔室中设置潜水栗，潜水栗与所述液体输送管道连接，第二腔室与所述液体回收管道连通。
[0027]优选的，所述喷嘴包括椎体和密封盖，椎体为中空，密封盖盖合在椎体的大开口端，密封盖采用透明材料制成，椎体的小开口端朝向工件，液体输送管道与椎体的侧面连通。
[0028]椎体的上端开口较大，安装有透明玻璃材料制成的密封盖，以便聚焦激光束通过，下端开口较小，保证化学液和聚焦激光束同轴输送。密封盖的设置是为了防止化学液泄漏，保证激光束