一种减小激光微孔加工所致重铸层装置及方法与流程

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种减小激光微孔加工所致重铸层的装置及方法。

背景技术：

随着近代工业的飞速发展，尤其在航空航天、汽车、医疗器械、电子仪表等高精尖领域，许多元器件上设计有数量繁多的微孔以提高产品的性能及使用性能。而在高硬脆等材料上加工微孔时，激光比传统加工方法更具有优势，如效率高、精度高、无机械应力及无工具损耗等，激光微孔加工技术已经成为现代微孔加工领域的关键技术之一，例如航空发动机涡轮叶片气膜孔的激光加工等。

激光微孔加工技术是以激光束为热源，采用热去除方法进行加工的技术，其本质是光场、电磁场与物质结构的相互作用，加工过程中包含了热学、光学、力学等学科规律的交叉耦合。激光作为热源在材料上打孔时，材料会产生熔化或气化，并伴随固态颗粒的喷出。尤其在气化边界的运动速度加快时，这种现象更是如此。随着分裂物向外喷射，气化以恒定速度向材料内部发生，材料以气化的形式被去除，小孔被逐渐加深。分裂物随着小孔深度和直径的增加相继被蒸汽带走，最后形成通孔。激光微孔加工的整个过程大致包括材料表面温升、高速熔化、汽化蒸发、蒸发溅射等四个阶段。

激光微孔加工过程中，被加工材料在极短的时间内不断被加热、熔化、汽化,同时伴随着微孔的深度增加,孔内汽化效应不断增强,使孔内的溶液快速溅出,孔内壁与基体材料的温差越来越大,孔内的溶液无规则不断地快速凝固在孔的内壁上,从而形成重铸层。重铸层的硬度很高，远远大于其基体的硬度，又由于其上存在很多细小的裂纹，因而材料的疲劳寿命就大大降低。同时由于重铸层紧密与材料基体结合在一起，因而重铸层的裂纹会很容易深入到材料基体中，如果材料在激光形成孔的区域存在疏松和结晶缺陷时，有可能使裂纹加强，更易于深入到材料基体中，这就严重影响材料的疲劳寿命和使用效果。

针对上述情况，中国发明专利(公开号cn101332559a)，提出了一种在对涡轮叶片微深孔粗加工后利用飞秒激光进行二次精加工和修形，按照螺旋式打孔方式，将光束倾斜一定角度并结合选用长焦距透镜来使焦深变长的方法，对孔内壁的重铸层进行蚀除和修整。但是，精确的控制飞秒激光进入到微孔中进行重铸层蚀除在实际操作时存在较大的难度，尤其是当孔径仅为微米级的小孔，且采用二次精加工和修形在工序的复杂程度和加工效率等方面都没有优势。另一中国发明专利(公布号cn104014880a)，提出了一种激光-电解复合加工去除重铸层的装置及方法，通过激光加工过程和辅助运动过程制备出预制孔，而后通过电解加工逐个进行预制孔的重铸层去除。但是，由于在实际加工过程中，预制孔的孔径不是唯一固定不变的，且孔径变化范围较广，而该专利中使用的内、外导流套以及棒状电极的外径尺寸对于预制孔的孔径很难做到一一对应，且在加工过程中外导流套紧贴工件，这样对于微孔内壁结构的损坏，尤其是重铸层很薄的区域存在很大的隐患。

综上所述，目前激光加工微孔的过程中均不可避免地在微孔内壁产生重铸层，现有的方法在一定程度上可以减少重铸层，但是普遍存在实际操作困难，容易损坏孔内壁基体组织等缺点，特别是需要进行二次加工或修复，进一步降低了激光微孔加工的效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种减小激光微孔加工所致重铸层的装置及方法，本发明还提供了一种减小激光微孔加工所致重铸层的加工装置；根据装置该方法利用重力原理，当激光发生器自上而下发出激光，经光路反射机构两次反射后，由下而上照射到工件的下表面时，工件在激光打孔过程中产生的液态和汽化的混合物，在重力的作用下瞬时离开微孔向下运动，而后经飞溅物回收装置吸附后回收，这样既大量减少了微孔内的熔融物和飞溅物，又具有成本低、操作简单、效率高、无需二次加工等特点，从而实现减小微孔内重铸层效果的目的。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种减小激光微孔加工所致重铸层的加工装置，包括激光发生器、电源箱、机床底座和机床床身，还包括光路反射机构、载物机构和飞溅物回收装置；所述机床床身垂直安装在机床底座上；所述机床床身结构为l型，且机床床身l型结构的一端设置有载物机构和飞溅物回收装置；机床床身l型结构的另一端设置有激光发生器；所述机床底座上垂直设置有光路反射机构；且激光发生器发出的激光通过导管进入到光路反射机构，经光路反射机构反射到载物机构上装夹的工件上，加工后的残渣由飞溅物回收装置回收；

所述光路反射机构包括聚焦透镜、平面反射镜ⅰ，平面反射镜ⅱ，平面反射镜ⅲ和喷嘴；所述平面反射镜ⅰ和平面反射镜ⅱ与水平面夹角均为45°；激光由平面反射镜ⅰ反射到平面反射镜ⅱ上，再经平面反射镜ⅲ反射到聚焦透镜上聚焦后从喷嘴射出到载物机构上的工件上；其中，所述平面反射镜ⅲ通过导轨内安装的滑块与支撑杆相连，并通过设置在支撑杆上的调节推拉手柄调整平面反射镜ⅲ上激光的反射角度；

所述载物机构包括工作台ⅰ、工作台ⅱ、定位固定杆和紧定螺钉；所述工作台ⅰ和工作台ⅱ相互垂直；所述定位固定杆固定在工作台ⅰ上，用于定位工件加工的空间位置，工件通过紧定螺钉装夹在工作台ⅱ上；

所述飞溅物回收装置包括吸气机构和回收皿；所述吸气机构用来吸收工件上的飞溅物。

优选的，所述回收皿为抽拉式，用于暂时存放吸附的飞溅物。

优选的，所述平面反射镜ⅲ上激光的反射角度的调整范围为15°～75°。

优选的，所述聚焦透镜为凸透镜。

优选的，所述光路反射机构调整激光束入射角度范围为30°～150°。

优选的，所述载物机构可以装夹工件的尺寸范围为：长度不大于200mm，宽度不大于200mm，高度不大于100mm。

减小激光微孔加工所致重铸层的方法，包括如下步骤：

步骤一：将工件通过紧定螺钉装夹在工作台ⅱ上；

步骤二：通过控制光路反射机构，将激光光路调节为激光束加工所需入射角度；

步骤三：开启激光发生器，激光发生器产生的激光束通过光路反射机构，自下而上作用于工件的下表面：

所述激光发生器自上而下发出激光束，经光路反射机构中的平面反射镜ⅰ和平面反射镜ⅱ射向平面反射镜ⅲ，经三次反射后的激光束通过聚焦透镜，自下而上照射到工件的下表面，工件在激光打孔过程中产生的液态和汽化的混合物形成飞溅物，在重力的作用下飞溅物瞬时离开微孔向下运动；

步骤四：飞溅物回收装置向工件的表面吸气，使工件在激光束和热电离气体的共同作用下完成激光打孔；

所述飞溅物回收装置将瞬时脱离工件的飞溅物吸附后回收，使得微孔内的熔融物和飞溅物大量减少，从而将所述微孔内的重铸层减小；

步骤五：完成一个微孔的加工后，载物机构带动工件移动到下一个加工位置，重复所述步骤一至四，直至完成工件所需的微孔加工数量。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明通过激光发生器自上而下发出激光束，通过光路反射机构将激光束经三次反射后自下而上照射到工件下表面，进行激光微孔加工，同时飞溅物回收装置中的吸气机构将瞬时脱离工件的液态和汽化的混合物吸附后回收，使得微孔内的熔融物和飞溅物大量减少，从而将所述微孔内的重铸层减小。在一次加工中完成微孔加工和减小重铸层两个过程，克服了现有技术中采用二次精加工和修复，影响加工效率的问题。

2.本发明通过改变传统激光微孔加工激光束的照射方向，利用重力原理，减小了孔口压力，使孔内液态和汽化的混合物能够更迅速地喷射，加速打孔过程。同时由于等离子的迅速喷出，减小了微孔加工过程中产生的冲击力，降低了孔内壁产生重铸层和微裂纹的概率，提高了激光微孔加工的质量。

3.本发明提供的一种减小激光微孔加工所致重铸层的加工装置，是在现有的激光微孔加工的装置基础上进行改进和优化的，实际操作简单，成本不高，且激光束经反射后通过聚焦透镜射出，照射到工件下表面，能够增加单个激光脉冲的材料去除率，提高微孔加工速度，从而提升微孔加工的效率。

4.该方法利用重力原理，当激光发生器自上而下发出激光，经光路反射机构反射后，由下而上照射到工件的下表面时，工件在激光打孔过程中产生的液态和汽化的混合物，在重力的作用下瞬时离开微孔向下运动，而后经飞溅物回收装置吸附后回收，这样既大量减少了微孔内的熔融物和工件表面的飞溅物，又具有非接触式去除、无需二次加工和无工具损耗等优势，从而实现减小微孔内重铸层效果的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述激光微孔加工装置的结构图；

图2是本发明光路反射机构的结构图；

图3是本发明平面反射镜ⅲ工作原理示意图；

图4是本发明载物机构的俯视图；

图5是本发明飞溅物回收装置原理示意图；

图6是经本发明所述激光微孔加工方法完成的微孔重铸层结构示例剖视图；

图7是未使用本发明所述微孔加工方法完成的微孔重铸层结构剖视图；

附图标记如下：

1、激光发生器，2、导管，3、光路反射机构，4、载物机构，5、飞溅物回收装置，6、电源箱，7、机床底座，8、机床床身，9、工件，10、平面反射镜ⅰ，11、平面反射镜ⅱ，12、平面反射镜ⅲ，13、聚焦透镜，14、支撑杆，15、导轨，16、滑块，17、调节推拉手柄，18、工作台ⅰ，19、工作台ⅱ，20、定位固定杆，21、紧定螺钉，22、喷嘴，23、吸气机构，24、回收皿，25、飞溅物。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来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。

结合附图1-5所示，本发明提供的减小激光微孔加工所致重铸层的加工装置，包括激光发生器1、光路反射机构3、载物机构4、飞溅物回收装置5、电源箱6、机床底座7、机床床身8，其中激光发生器1通过导管2与光路反射机构3相连。

所述激光发生器1相对固定设置在工件9的上侧，光路反射机构3和飞溅物回收装置5设置在工件9的下侧，载物机构4用于装夹工件9。

所述光路反射机构3包括平面反射镜ⅰ10，平面反射镜ⅱ11，平面反射镜ⅲ12和聚焦透镜13。

所述平面反射镜ⅰ10和平面反射镜ⅱ11与水平面夹角均为45°；

所述平面反射镜ⅲ12通过导轨15与支撑杆14相连，滑块16在导轨15内部，通过设置在支撑杆14上的调节推拉手柄17设定反射角度，反射角度调整范围为15°～75°。

所述聚焦透镜13为凸透镜；

所述光路反射机构3可以将激光束入射角度调整范围控制在30°―150°。

所述载物机构4包括工作台ⅰ18、工作台ⅱ19定位固定杆20和紧定螺钉21；

所述定位固定杆20固定在工作台ⅰ18上，用于定位工件9加工的空间位置，工件9通过紧定螺钉21装夹在工作台ⅱ19上；

所述载物机构4可以装夹工件的尺寸范围为：长度≤200mm，宽度≤200mm，高度≤100mm。

所述飞溅物回收装置5包括吸气机构23和回收皿24；

所述吸气机构23通过吸气原理将瞬时脱离工件的飞溅物25；

所述回收皿24为抽拉式，用于暂时存放吸附的飞溅物25，待积蓄到一定量的时候，方便抽出清理；

结合附图6和7，为使用激光微孔加工方法完成的微孔重铸层和未使用微孔加工方法完成的微孔重铸层。

本发明提供的减小激光微孔加工所致重铸层的方法具体包括如下步骤：

步骤一：将尺寸为30mm×30mm×15mm的工件9装夹在减小激光微孔加工所致重铸层的加工装置上；

所述载物机构4包括工作台ⅰ18、工作台ⅱ19定位固定杆20和紧定螺钉21；

装夹尺寸为30mm×30mm×15mm工件9时，将工件9的左侧紧贴于工作台ⅰ18一侧的两根定位固定杆20右侧，此时，通过调节位于工作台ⅱ19右侧的2根紧定螺钉21，将工件9的右侧与紧定螺钉21左侧紧密贴合，工件9装夹完成。

步骤二：通过控制光路反射机构3，将激光光路调节为激光束加工所需入射角度；

所述光路反射机构3包括平面反射镜ⅰ10，平面反射镜ⅱ11，平面反射镜ⅲ12和聚焦透镜13。

将所述平面反射镜ⅰ10和平面反射镜ⅱ11与水平面夹角固定设置为45°，通过调节推拉手柄17，支撑杆14开始步进运动，带动导轨15中的滑块16步进滑动，从而调节平面反射镜ⅲ12与水平面的夹角，夹角调整范围为15°―75°。

步骤三：开启激光发生器，激光发生器1产生的激光束16通过光路反射机构3，自下而上作用于工件9的下表面：

激光发生器1发出的激光束16经导管2，沿水平方向入射到平面反射镜ⅰ10，经过反射沿垂直方向向下入射到平面反射镜ⅱ11，然后沿水平方向入射到平面反射镜ⅲ12，通过转动调节推拉手柄17，将平面反射镜ⅲ12与水平面的夹角调整为45°，此时，激光束16沿垂直方向向上入射到聚焦透镜13，然后照射到工件9下表面，入射角度呈90°，与工件9下表面垂直。工件9在激光微孔加工过程中产生的液态和汽化的混合物形成飞溅物25，在重力的作用下飞溅物25瞬时离开微孔向下运动；

步骤四：飞溅物回收装置5向工件9的表面吸气，使工件9在激光束16和热电离气体的共同作用下完成激光微孔加工。

所述工件9在激光微孔加工过程中产生的液态和汽化的混合物形成飞溅物25，在重力的作用下飞溅物25瞬时离开微孔向下运动。同时，飞溅物回收装置5中的吸气机构将瞬时脱离工件的飞溅物25吸附到回收皿24中，使得微孔内的熔融物和飞溅物大量减少，从而将所述微孔内的重铸层减小。

步骤五：完成一个微孔的加工后，载物机构4带动工件9移动到下一个加工位置，重复所述步骤1-4，直至完成工件9所需的微孔加工数量。

本发明所述的激光微孔加工的光路反射的工作原理如图2所示，激光发生器1发出的激光束16经导管2，沿水平方向入射到平面反射镜ⅰ10，经过反射沿垂直方向向下入射到平面反射镜ⅱ11，然后沿水平方向入射到平面反射镜ⅲ12，通过转动调节推拉手柄17，将平面反射镜ⅲ12与水平面的夹角调整为45°，此时，激光束16沿垂直方向向上入射到聚焦透镜13，然后照射到工件9下表面，入射角度呈90°，与工件9下表面垂直。通过调节推拉手柄17，支撑杆14开始步进运动，带动导轨15中的滑块16步进滑动，从而调节平面反射镜ⅲ12与水平面的夹角，夹角可调整范围为15°～75°。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理和实现途径。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。