一种电磁辅助激光打孔方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种电磁辅助激光打孔方法，包括以下步骤：（1）将待加工的工件装夹于电磁辅助激光打孔装置上；（2）通过电机来驱动夹具底座旋转，使得装夹在夹具底座上的永磁铁高速旋转而形成旋转磁场；同时，旋转磁场在鼠笼中产生电磁力，电磁力使工件跟随鼠笼同步旋转；（3）待电机的速度稳定到预设值后，开启激光器，激光器产生的激光束通过聚焦透镜作用于工件的表面，完成电磁辅助激光打孔过程。该方法采用了工件旋转的工作方式，使得磁场对激光打孔的辅助效果增强；同时旋转磁场还可以控制激光打孔过程中产生的等离子体及熔融金属的运动，优化了激光打孔效果；本发明还同时提供了一种电磁辅助激光打孔装置。
【专利说明】一种电磁辅助激光打孔方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工领域，具体涉及一种电磁辅助激光打孔方法及装置。
【背景技术】
[0002]在机械加工中，孔加工是占比较大的一道重要的加工工序，随着零件的小型化，生产的大批量化，普通的机械钻孔法难以实现大批量的小孔、微孔的制造，激光打孔是现代制造【技术领域】的关键技术之一，激光打孔与其他打孔方法相比具有打孔深径比大、无接触、无工具损耗、加工速度快、表面变形小、可以加工各种材料等显著优越性，能良好地满足现代工业产品加工的要求，已得到了广泛的应用，例如飞机发动机蜗轮叶片散热孔的加工。
[0003]现有的激光打孔方法一般是将激光束聚焦于工件表面或者表面以下某个位置，以足够高的功率密度加热和熔化材料，随后材料以液态和气态形式喷射出去达到材料去除的目的，在此过程中，通常在打孔位置喷射高压辅助气体以提高打孔效率和打孔效果。但是现有的激光打孔方法具有以下缺点:1.激光打孔过程中等离子屏蔽效应严重，导致激光能量的损耗；2.加工后孔壁存在厚度不均的再铸层而影响孔的质量；3.高能量长脉冲的激光打孔过程中产生的冲击力过大导致加工出的孔重复精度低，孔壁存在微裂纹，孔的质量难以提闻。
[0004]虽然现有技术中已有磁场辅助激光焊接的方法和单元(比如专利号为200410101556.6的中国发明专利《一种磁场辅助激光焊接单元》)，但是由于激光焊接与打孔的特点不同，用于激光焊接的单元并不能适用于激光打孔。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种电磁辅助激光打孔方法；该方法采用了工件旋转的工作方式，使得磁场对激光打孔的辅助效果增强；同时旋转磁场还可以控制激光打孔过程中产生的等离子体及熔融金属的运动，优化了激光打孔效果；本发明还同时提供了 一种电磁辅助激光打孔装置。
[0006]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0007]一种电磁辅助激光打孔方法，包括以下步骤:
[0008]( I)将待加工的工件装夹于电磁辅助激光打孔装置上；
[0009]所述电磁辅助激光打孔装置包括激光发生单元、工件装夹单元、旋转磁场生成单元和驱动单元；所述激光发生单元包括激光器和聚焦透镜，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦后作用于待加工的工件的表面；
[0010]所述工件装夹单元包括主轴、底板、第一轴承和鼠笼；所述主轴固定安装在底板的一侧，主轴为阶梯轴，在主轴上轴段安装有第一轴承，鼠笼安装在第一轴承上；
[0011]所述鼠笼由第三螺钉、鼠笼顶板、铜柱和鼠笼底板组成，鼠笼顶板通过铜柱与鼠笼底板相连，铜柱围成一圈，均匀分布，第三螺钉位于鼠笼顶板上，待加工的工件通过第三螺钉固定于鼠笼上；[0012]所述旋转磁场生成单元包括第一螺钉、两个磁铁夹具、成对的永磁铁、第二螺钉、夹具底座、第二轴承，其中，第二轴承安装于主轴的中部轴段上，第二轴承上配合安装夹具底座，两个磁铁夹具通过第二螺钉对称固定于夹具底座上，每个永磁铁均通过第一螺钉压紧在磁铁夹具上；成对的永磁铁对称分布在夹具底座上；所述工件处于磁铁夹具的中间位置，磁铁夹具旋转过程中不撞击工件；
[0013]所述驱动单元由电机支座、电机、带轮和皮带组成；电机支座固定于底板上，电机支座上竖直安装电机，电机主轴上安装带轮，带轮的皮带槽与夹具底座的皮带槽安装在同一水平位置，皮带压紧在带轮的皮带槽和夹具底座的皮带槽上；
[0014](2)通过电机来驱动夹具底座旋转,使得装夹在夹具底座上的永磁铁高速旋转而形成旋转磁场；同时，旋转磁场在鼠笼中产生电磁力，电磁力使工件跟随鼠笼同步旋转；
[0015](3)待电机的速度稳定到预设值后，开启激光器，激光器产生的激光束通过聚焦透镜作用于工件的表面，完成电磁辅助激光打孔过程。
[0016]本发明还同时提供了一种电磁辅助激光打孔装置，包括激光发生单元、工件装夹单元、旋转磁场生成单元和驱动单元；
[0017]所述激光发生单元包括激光器和聚焦透镜，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦后作用于待加工的工件的表面；
[0018]所述工件装夹单元包括主轴、底板、第一轴承和鼠笼；所述主轴固定安装在底板的一侧，主轴为阶梯轴，在主轴上轴段安装有第一轴承，鼠笼安装在第一轴承上；
[0019]所述鼠笼是由第三螺钉、鼠笼顶板、铜柱和鼠笼底板组成，鼠笼顶板通过铜柱与鼠笼底板相连，铜柱围成一圈，均匀分布，第三螺钉位于鼠笼顶板上，待加工的工件通过第三螺钉固定于鼠笼上；
[0020]所述旋转磁场生成单元包括第一螺钉、磁铁夹具、永磁铁、第二螺钉、夹具底座、第二轴承，其中，第二轴承安装于主轴的中部轴段上，第二轴承上配合安装夹具底座，两个磁铁夹具通过第二螺钉对称固定于夹具底座上，永磁铁通过第一螺钉压紧在磁铁夹具上；
[0021]所述驱动单元由电机支座、电机、带轮和皮带组成；电机支座固定于底板上，电机支座上竖直安装电机，电机主轴上安装带轮，带轮的皮带槽与夹具底座的皮带槽安装在同一水平位置，皮带压紧在带轮的皮带槽和夹具底座的皮带槽上。
[0022]进一步的，所述夹具底座为圆盘形结构。
[0023]进一步的，夹具底座上设有多排螺纹孔，用于调整磁铁夹具距离夹具底座中心位置的距离。
[0024]进一步的，所述永磁铁可根据加工要求选用所需的永磁铁类型，同时永磁铁可由多块永磁铁叠加组成。
[0025]进一步的，所述电机为可变速的电机。
[0026]本发明具有如下有益效果:
[0027]1、激光打孔相对于激光焊接来说等离子体密度小得多，主要是气流的速度和流量造成的，即打孔时气流很强，吹散了等离子体。因此传统的用于焊接的电磁辅助方法不能简单适用于激光打孔过程。本发明采用鼠笼式结构大大增强了磁场的作用，使电磁辅助方法对于弱等离子体情况也能适用。
[0028]2、本发明采用的工件旋转工作方式会带来激光熔池的离心力效果，使得熔化的金属液体在离心力的作用下发生强烈的飞溅，然后气化蒸发；这种蒸发进一步增强了等离子体的密度；其增强的原理是激光辐照在气化的金属离子上，使之等离子化，相对于只旋转不加磁场的打孔方式，磁场的作用会去掉这种增强后的等离子体，从而使得磁场对激光打孔的辅助效果增强。另一方面，金属液体在离心力的作用下，趋向孔壁，使得熔池中心部位露出固态的金属，有利于更充分的吸收激光作用能量，从而增强打孔深度。
[0029]3、本发明通过施加与打孔方向相垂直的磁场控制打孔过程中产生的等离子体的运动，使其避开激光入射方向，减少了激光能量的损失，提高了打孔效率。同时控制等离子体的运动，可以使其脱离孔内后迅速散开，减小了孔口压力，使孔内金属熔液、等离子体能够更迅速地喷出，加速打孔过程。由于等离子的迅速喷出，使得孔内压力下降，减小了打孔过程中产生的冲击力，降低了孔壁产生微裂纹的概率，提高了打孔质量。
[0030]4、本发明通过旋转磁场对孔内熔融金属的搅拌，使其均匀附着在孔壁上，修复孔壁的微裂纹，减小了打孔过程的随机性，提高了打孔重复性精度和孔的圆度精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]图1是本发明所述电磁辅助激光打孔装置的结构图；
[0033]图2是本发明所述鼠笼的结构图；
[0034]图3是本发明实施过程的原理图；
[0035]图中各标号的含义如下:
[0036]1、第一螺钉,2、磁铁夹具,3、鼠笼,4、聚焦透镜,5、激光束,6、工件,7、第一轴承,8、永磁铁，9、夹具底座，10、电机，11、底板，12、第二轴承，13、主轴，14、第二螺钉，15、皮带，16、带轮，17、电机支座，18、第三螺钉，19、鼠笼顶板，20、铜柱，21、鼠笼底板，22、磁场旋转方向，23、磁场,24、等尚子体,25、熔融金属。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和实施例详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038]本发明提供了一种电磁辅助激光打孔装置(如图1和图2所示)，包括四个部分，分别是激光发生单元、工件装夹单元、旋转磁场生成单元和驱动单元。
[0039]所述激光发生单元包括激光器和聚焦透镜4，激光器输出的激光束经聚焦透镜4聚焦后作用于待加工的工件6的表面；
[0040]所述工件装夹单元包括主轴13、底板11、第一轴承7和鼠笼3，其中，主轴13固定安装在底板11的一侧，主轴13为阶梯轴，在主轴13上轴段安装有第一轴承7，鼠笼3安装在第一轴承7上。
[0041]所述鼠笼3由第三螺钉18、鼠笼顶板19、铜柱20和鼠笼底板21组成，其中，鼠笼顶板19通过铜柱20与鼠笼底板21相连,铜柱20围成一圈,均勻分布,第三螺钉18位于鼠笼顶板19上,工件6通过抒紧第三螺钉18固定于鼠笼3上。
[0042]所述旋转磁场生成单元包括第一螺钉1、两个磁铁夹具2、成对的永磁铁8、第二螺钉14、夹具底座9、第二轴承12，其中，第二轴承12安装于主轴13的中部轴段上,第二轴承12上配合安装夹具底座9，两个磁铁夹具2通过第二螺钉14对称固定于夹具底座9上，每个永磁铁8均通过第一螺钉I压紧在磁铁夹具2上；其中，永磁铁8可根据加工要求选用所需的永磁铁类型，永磁铁8的数量也可以根据实际需要选用。
[0043]所述驱动单元由电机支座17、电机10、带轮16、皮带15组成；电机支座17固定于底板11上，电机支座17上竖直安装电机10，电机主轴上安装带轮16，带轮16的皮带槽与夹具底座9的皮带槽安装在同一水平位置，皮带15压紧在带轮16的皮带槽和夹具底座9的皮带槽上。
[0044]本发明提供的电磁辅助激光打孔方法具体包括如下步骤:
[0045](I)将尺寸为50mmX50mmX IOmm的工件6装夹于旋转磁场中间的鼠笼3上,保证磁铁夹具2旋转过程中不撞击到工件6 ；
[0046]所选用磁场强度参数分别是:单个永磁铁8表面磁场强度8500G,两个永磁铁8对称安装，对称装夹的永磁铁8之间的距离为60mm ；
[0047](2)预先设定电机10的转速为1500r/min，启动电机10，电机10通过带轮16、皮带15来驱动夹具底座9，使装夹在夹具底座9上的永磁铁8高速旋转而形成旋转磁场，其中夹具底座9和带轮16的直径比值为1.5，因此旋转磁场的转速为1000r/min ;同时，旋转磁场在鼠笼3中产生电磁力，电磁力使工件6跟随鼠笼3同步旋转；
[0048](3)待电机10的速度稳定到预设值(1500r/min)后，开启激光器，激光器产生的激光束5通过聚焦透镜4作用于工件6的表面，完成电磁辅助激光打孔过程。其中，激光参数分别是:激光功率2000W，激光脉宽0.5ms，激光频率100Hz，激光离焦量O。
[0049]本发明的工作原理如图3所示，根据带电粒子在磁场中运动的规律，当带电粒子以速度V进入一均勻磁场中时，它将收到力F=qvXB (q为粒子带电量)的作用，该力总与带电粒子的速度方向相垂直，故进入磁场的带电粒子的运动方向将发生改变，带电粒子将在垂直于磁场平面内作圆周运动，且正负粒子作相反方向的圆周运动。由于在打孔过程中，等离子体24在孔内急剧膨胀，使孔内压力达到极值后发生爆炸喷出孔外，因此在等离子体24喷出孔外的瞬间，等离子体24中的带电粒子的运动方向可近似的看成与激光入射方向相同。若存在一个与打孔方向相垂直的磁场23，等离子体24中的正负带电粒子将会改变运动方向，向打孔方向的两侧做圆周运动，当磁场方向如图3所示垂直于纸面入射时，等离子体24中的正电粒子向左偏离中心位置，等离子体24中的负电粒子向右偏离中心位置，因此，等离子体24避开了激光入射方向，减少了对激光能量的再吸收，同时也急剧减少了孔口附近的压力，使孔内的熔融金属25、等离子体24能更高效的排出孔外。
[0050]同时，通过旋转的磁场使工件6中产生感应电流，从而使得加工过程中的熔融金属25中有电流通过，电流与磁场相互作用产生的电磁力对熔融金属25形成搅拌作用，搅拌方向与磁场旋转方向22 —致，使其呈螺旋状喷射而出，均匀的附着在孔壁上。
[0051]另外，旋转磁场作用于可旋转的鼠笼3，在鼠笼3中产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力使得鼠笼3能够跟随旋转磁场一起转动，鼠笼3进而带动工件一起旋转，工件6的旋转产生的离心力作用于孔内的熔融金属25，使其更均匀的附着在孔壁上。
[0052]本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种电磁辅助激光打孔方法，其特征在于，包括以下步骤: (I)将待加工的工件(6)装夹于电磁辅助激光打孔装置上； 所述电磁辅助激光打孔装置包括激光发生单元、工件装夹单元、旋转磁场生成单元和驱动单元；所述激光发生单元包括激光器和聚焦透镜(4)，激光器输出的激光束经聚焦透镜(4)聚焦后作用于待加工的工件(6)的表面； 所述工件装夹单元包括主轴(13)、底板(11)、第一轴承(7)和鼠笼(3);所述主轴(13)固定安装在底板(11)的一侧，主轴(13 )为阶梯轴，在主轴(13 )上轴段安装有第一轴承(7 )，鼠笼(3)安装在第一轴承(7)上； 所述鼠笼(3)由第三螺钉(18)、鼠笼顶板(19)、铜柱(20)和鼠笼底板(21)组成，鼠笼顶板(19)通过铜柱(20)与鼠笼底板(21)相连，铜柱(20)围成一圈，均匀分布，第三螺钉(18)位于鼠笼顶板(19)上,待加工的工件(6)通过第三螺钉(18)固定于鼠笼(3)上； 所述旋转磁场生成单元包括第一螺钉(I)、两个磁铁夹具(2)、成对的永磁铁(8)、第二螺钉(14)、夹具底座(9)、第二轴承(12)，其中，第二轴承(12)安装于主轴(13)的中部轴段上，第二轴承(12)上配合安装夹具底座(9)，两个磁铁夹具(2)分别通过第二螺钉(14)对称固定于夹具底座(9)上，每个永磁铁(8)均通过第一螺钉(I)压紧在一个磁铁夹具(2)上；所有的永磁铁(8)对称分布在夹具底座(9)上；所述工件(6)处于磁铁夹具(2)的中间位置，磁铁夹具(2)旋转过程中不撞击工件(6)； 所述驱动单元由电机支座(17 )、电机(10 )、带轮(16 )和皮带(15 )组成；电机支座(17 )固定于底板(11)上，电机支座(17)上竖直安装电机(10)，电机主轴上安装带轮(16)，带轮(16)的皮带槽与夹具底座(9)的皮带槽安装在同一水平位置，皮带(15)压紧在带轮(16)的皮带槽和夹具底座(9)的皮带槽上； (2 )通过电机(10 )来 驱动夹具底座(9 )旋转，使得装夹在夹具底座(9 )上的永磁铁(8 )高速旋转而形成旋转磁场；同时，旋转磁场在鼠笼(3)中产生电磁力，电磁力使工件(6)跟随鼠笼(3)同步旋转； (3)待电机(10)的速度稳定到预设值后，开启激光器，激光器产生的激光束(5)通过聚焦透镜(4)作用于工件(6)的表面，完成电磁辅助激光打孔过程。
2.一种电磁辅助激光打孔装置，其特征在于，包括激光发生单元、工件装夹单元、旋转磁场生成单元和驱动单元； 所述激光发生单元包括激光器和聚焦透镜(4)，激光器输出的激光束经聚焦透镜(4)聚焦后作用于待加工的工件(6)的表面； 所述工件装夹单元包括主轴(13)、底板(11)、第一轴承(7)和鼠笼(3);所述主轴(13)固定安装在底板(11)的一侧，主轴(13 )为阶梯轴，在主轴(13 )上轴段安装有第一轴承(7 )，鼠笼(3)安装在第一轴承(7)上； 所述鼠笼(3)是由第三螺钉(18)、鼠笼顶板(19)、铜柱(20)和鼠笼底板(21)组成，鼠笼顶板(19)通过铜柱(20)与鼠笼底板(21)相连,铜柱(20)围成一圈,均匀分布,第三螺钉(18)位于鼠笼顶板(19)上，待加工的工件(6)通过第三螺钉(18)固定于鼠笼(3)上； 所述旋转磁场生成单元包括第一螺钉(I)、两个磁铁夹具(2)、成对的永磁铁(8)、第二螺钉(14)、夹具底座(9)、第二轴承(12)，其中，第二轴承(12)安装于主轴(13)的中部轴段上，第二轴承(12)上配合安装夹具底座(9)，两个磁铁夹具(2)分别通过第二螺钉(14)对称固定于夹具底座(9)上，每个永磁铁(8)均通过第一螺钉(I)压紧在一个磁铁夹具(2)上；所有的永磁铁(8)对称分布在夹具底座(9)上； 所述驱动单元由电机支座(17 )、电机(10 )、带轮(16 )和皮带(15 )组成；电机支座(17 )固定于底板(11)上，电机支座(17)上竖直安装电机(10)，电机主轴上安装带轮(16)，带轮(16)的皮带槽与夹具底座(9)的皮带槽安装在同一水平位置，皮带(15)压紧在带轮(16)的皮带槽和夹具底座(9)的皮带槽上。
3.根据权利要求2所述的电磁辅助激光打孔装置，其特征在于，所述夹具底座(9)为圆盘形结构。
4.根据权利要求2所述的电磁辅助激光打孔装置，其特征在于，夹具底座(9)上设有多排螺纹孔，用于调整磁铁夹具(2)距离夹具底座(9)中心位置的距离。
5.根据权利要求2所述的电磁辅助激光打孔装置，其特征在于，所述永磁铁(8)由多块永磁铁叠加组成。
6.根据权利要求2所述的电磁辅助激光打孔装置，其特征在于，所述电机(10)为可变速的电机。`
【文档编号】B23K26/00GK103817430SQ201410050557
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】冯爱新, 卢轶, 薛伟, 吴川, 罗敬文, 曹宇, 瞿建武, 曹宇鹏, 朱德华, 温德平 申请人:温州大学