一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置及方法与流程

本发明涉及利用激光打孔技术，具体涉及到一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置及方法。

背景技术：

目前激光打孔技术已经被应用到了汽车工业、船舶制造、航空航天、仪器仪表以及医疗技术等诸多行业之中。比起传统机械钻孔的方法，激光打孔技术具有精度高、速度快、效率高、经济效益好、无刀具损耗、深径比大等优点,已经成为激光加工的主要应用领域之一。但是针对高精密的仪器上打孔，需要打出高质量的群孔，例如航空发动机涡轮叶片上气膜冷却孔，对孔的质量要求很高，孔的质量评价标准是锥度、圆度、重铸层、微裂纹等。

激光打孔按照打孔方式分为两大类，分别是复制法和轮廓迂回法，复制法也叫冲击打孔，包括单脉冲打孔和多脉冲打孔，轮廓迂回法又可以分为环切打孔和螺旋打孔。由于单脉冲打孔方式打出的孔的锥度和圆度差，且只能适用于薄件，多脉冲打孔能打出深径比很大的通孔，被广泛用到工业中去，但是打出的孔的重铸层很厚，且孔的圆度和锥度也不是很好。螺旋打孔加工出的孔质量很高，孔的圆度和粗糙度相比于复制法得到了很大的改善。并且采用螺旋打孔法还可以抑制重铸层的形成，因此已经被应用在了一些透平叶片和新型发动机等对孔的质量要求较高的应用上。

技术实现要素：

本发明的针对上述现有技术的不足，提出一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔方法,该方法利用涡流效应对金属工件辅助加热，让工件有个基本温度，减少激光螺旋打孔后孔壁的温度梯度，使热影响区的淬硬倾向减弱，避免了孔壁上微裂纹的产生。利用涡流效应对金属工件辅助加热，使得激光在打孔过程中，孔中的熔融材料在凝固形成重铸层之前，利用旋转平台装置将熔融材料均匀附着在孔壁上，同时激光螺旋打孔，激光的焦点往下运动，提高材料的去除量，减少重铸层的厚度，以实现提高激光打孔质量的目的。同时本发明还提供了一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置。

本发明的技术方案如下：

一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置，包括电源箱、工件夹具、激光头、导光管、ccd摄像机、激光器、z方向移动机构、涡流发生装置、第一x-y移动平台、旋转平台装置和第二x-y移动平台；

所述电源箱安装在机床底座的左侧竖直面上，机床的底座上表面上安装有第二x-y移动平台；所述第二x-y移动平台上安装有旋转平台装置；旋转平台装置上安装有第一x-y移动平台；第一x-y移动平台上安装有涡流发生装置和工件夹具；所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构；所述z方向移动机构上安装有激光器；所述激光器通过导光管与激光头相连接；所述激光头的正上方上安装有ccd摄像机；

所述激光头包括反射平面镜和聚焦透镜；所述激光器发射的激光束通过导管管照射到45°设置的反光平面镜上，经平面反射镜的反射到聚焦透镜上聚焦后打到工件上；

所述旋转平台装置包括控制单元、驱动电机、旋转轴和旋转平台；所述驱动电机通过旋转轴与旋转平台相连接，驱动电机通过螺钉安装在第二x-y移动平台上的台面上，并随第二x-y移动平台上的丝杠滑动；

所述涡流发生装置包括铁心材料、螺旋线圈、高频交变电流，通过在螺旋线圈上通入高频交变电流，螺旋线圈会产生高频交变磁场、工件在高频交变磁场中会产生涡电流；

所述第一x-y移动工作台和第二x-y移动平台结构相同；所述第一x-y移动工作台包括工作台、y方向的导轨、丝杠支撑架、联轴器、第一伺服电机、第一电机支撑块、y方向的导轨支撑架、y方向的丝杠、x方向的底板、x方向的导轨支撑架、第二伺服电机、x方向的导轨、第二电机支撑块、x方向的丝杠和y方向的底板；

所述第一x-y移动工作台的最下方为x方向的底板，x方向的底板上设置有x方向的丝杠，x方向的丝杠通过联轴器与第二伺服电机相连接，第二伺服电机通过第二电机支撑块来支撑，x方向的底板上表面上平行于x方向的丝杠的左右两侧平行设置有x方向的导轨，y方向的底板下表面可沿x方向的导轨滑动，y方向的底板上表面通过丝杠支撑架支撑y方向的丝杠，所述y方向的丝杠通过联轴器与第一伺服电机相连接，第一伺服电机通过第一电机支撑块支撑，y方向的底板的上表面上平行于y方向的丝杠的左右两侧平行方向上设置有y方向的导轨，y方向的导轨上连接有工作台。

优选的，所述旋转平台装置是通过四个环形阵列的螺钉固定在第二x-y移动平台上的，所述第一x-y移动平台是通过四个螺栓和螺母安装旋转平台上的，所述涡流发生装置是通过地脚螺栓和螺母安装在第一x-y移动平台上。

优选的，所述工件为金属材料，且工件通过工件夹具装夹在涡流发生装置的上方。

优选的，所述旋转平台装置的转速通过控制单元调节的，其转速即为激光束旋切的速度。

优选的，所述激光器、导光管、激光头和ccd摄像机可随z方向移动机构一起上下移动。

优选的，所述涡流发生装置接入的是高频交变电流。

优选的，所述涡流发生装置中的铁心材料是由表面涂有绝缘漆的一片片硅钢片叠压而成。

优选的，所述控制单元与数控电脑相连接。

基于一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：将工件装夹在利用涡流效应辅助加热的工件夹具上；

步骤2：通过第一x-y移动平台使工件打孔位置的中心处在旋转平台装置的旋转轴上，通过第二x-y移动平台使工件的打孔位置的中心处在激光头下方，且激光束距离需要打孔位置的中心轴线的距离为激光螺旋打孔的旋切半径。

步骤3：打开涡流发生装置，在螺旋线圈上通入高频交变电流，螺旋线圈会产生高频交变磁场，磁感线穿过工件，使得工件形成涡电流，涡电流的电荷运动产生的热能可以达到辅助加热的效果。

步骤4：开始激光打孔，启动旋转平台装置，以一定的转速旋转，打开激光器的泵浦，z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，当激光头到距离工件的位置恰好使其焦点在工件表面，即离焦量为0时，，激光器发出脉冲激光，激光光束经反射平面镜和聚焦透镜后，光束聚焦在工件表面，此时z方向移动机构开始以缓慢的速度向下进给，使得焦点始终作用在工件的表面上，直至完成激光螺旋打孔过程。

本发明的具有益效果是：

一、本发明通过利用涡流效应辅助加热工件，让工件有个基本温度，减少激光螺旋打孔后孔壁温度梯度，使热影响区的淬硬倾向减弱，避免了孔壁上微裂纹的产生。

二、本发明通过激光螺旋打孔装置可以在工件上打出圆度很好，锥度很小的小孔，且激光螺旋打孔装置通过x-y移动平台9和11可以实现在工件上任意位置打孔，适合群孔加工。

三、本发明中通过旋转平台装置，可以在激光打孔之后持续旋转，通过涡流发生器使得工件的基本温度和孔壁熔融金属的温度梯度不是相差很大，这样旋转平台的旋转运动使得孔壁上未汽化和喷射出来的少量熔融金属均匀附着在孔壁上，这样减少孔壁的微裂纹和凹坑，提高了孔壁的质量。

四、本发明利用涡流发生器使得金属工件上产生涡电流，涡电流的电子运动，产生热能，使得工件的温度上升，在激光螺旋打孔的过程中，金属工件表面吸收激光光束的能量，这样涡流效应的辅助加热加速了材料融化、汽化的过程，而且加大了的材料的去除量，小孔在未被打穿之前，孔中的熔融金属在涡流辅助加热的作用下，不至于快速凝固而形成重铸层，当激光光束沿着孔壁螺旋转动时，熔融金属吸收激光能量，这样更加容易汽化并受到压力使液气混合相喷射出来，这样起到减小重铸层的作用。

五、激光螺旋打孔相比于旋切打孔的区别是激光的焦点在旋切的过程中同时垂直向下运动的，光束的焦点呈现出螺旋运动的轨迹，这样可以保证激光光束的焦点始终在材料的表面之上，激光光束的焦点是激光能量密度最大处，焦点上面还是下面光束都是发散的，这样可以让材料吸收最大的能量，加速金属材料发生汽化的过程，这样就起到减少重铸层的作用。

六、当小孔被打穿后，旋转平台装置持续旋转，激光光束旋切工件，这样打出的小孔的圆度很好，且锥度非常小。

附图说明

图1为一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置的结构示意图；

图2为涡流发生装置的工作原理图；

图3为x-y移动工作台的结构示意图；

图4为工件夹具的结构示意图；

图5为旋转平台装置的结构示意图；

图6为激光头的内部光路图；

图7为用该装置打出的小孔剖面示意图；

图8为没有用该装置打出的小孔剖面示意图。

附图标记如下：

1-电源箱、2-工件夹具、3-激光头、4-导光管、5-ccd摄像机、6-激光器、7-z方向移动机构、8-涡流发生装置、9-第一x-y移动平台、10-旋转平台装置、11-第二x-y移动平台、2.1-六角螺栓、2.2-六角螺母、2.3夹板、3.1平面反射镜、3.2-聚焦透镜、8.1-磁感线、8.2-感应涡电流、8.3-工件、8.4-铁心材料、8.5-螺旋线圈、8.6-高频交变电流、9.1-工作台、9.2-y方向的导轨、9.3-丝杠支撑架、9.4-联轴器、9.5-第一伺服电机、9.6-第一电机支撑块、9.7-y方向的导轨支撑架、9.8-y方向的丝杠、9.9-x方向的底板、9.10-x方向的导轨支撑架、9.11-第二伺服电机、9.12-x方向的导轨、9.13-第二电机支撑块、9.14-x方向的丝杠、9.15-y方向的底板、10.1-控制单元、10.2-驱动电机、10.3-旋转轴、10.4-旋转平台、10.5-螺钉。

具体实施方式

为了更好的阐述本发明的实施细节,下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

结合附图1，一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置，其特征在于，包括电源箱1、工件夹具2、激光头3、导光管4、ccd摄像机5、激光器6、z方向移动机构7、涡流发生装置8、第一x-y移动平台9、旋转平台装置10、第二x-y移动平台11；

所述电源箱1安装在机床底座的左侧，机床的底座上面为第二x-y移动平台11，在第二x-y移动平台11上安装旋转平台装置10，在旋转平台装置10上安装第一x-y移动平台9，在第一x-y移动平台9上安装涡流发生装置8和工件夹具2；

所述激光器6安装在z方向移动机构7上，激光器6通过导光管4与激光头3相连接，所述激光头3包括反射平面镜3.1和聚焦透镜3.2，激光头的3正上方上安装有ccd摄像机5；

结合附图2，所述涡流发生装置8包括铁心材料8.4、螺旋线圈8.5、高频交变电流8.3，通过在螺旋线圈上通入高频交变电流，螺旋线圈会产生高频交变磁场、工件在高频交变磁场中会产生涡电流。

结合附图3，所述第一x-y移动工作台包括工作台9.1、y方向的导轨9.2、丝杠支撑架9.3、联轴器9.4、第一伺服电机9.5、第一电机支撑块9.6、y方向的导轨支撑架9.7、y方向的丝杠9.8、x方向的底板9.9、x方向的导轨支撑架9.10、第二伺服电机9.11、x方向的导轨9.12、第二电机支撑块9.13、x方向的丝杠9.14、y方向的底板9.15；通过电机带动联轴器转动，联轴器带动丝杠转动，从而实现了工作台在x-y方向上的移动。

结合附图4，工件8.3是通过螺栓2.1、螺母2.2以及夹板2.3装夹的装置上的。

结合附图5，所述旋转平台装置10包括控制单元10.1、驱动电机10.2、旋转轴10.3、旋转平台10.4、螺钉10.5。

所述旋转平台装置10是通过四个环形整列的螺钉固定在x-y移动平台11上的，所述第一x-y移动平台9是通过四个螺栓和螺母安装旋转平台10.4上的，所述涡流发生装置8是通过地脚螺栓和螺母安装在第一x-y移动平台9上。

所述工件8.3为金属材料，且工件8.3通过工件夹具2装夹在涡流发生装置8的上方。

所述旋转平台装置10的转速是可以通过控制单元10.1调节的，其转速即为激光束旋切的速度。

所述激光器6、导光管4、激光头3和ccd摄像机5是随z方向移动机构7一起上下移动的。

所述涡流发生装置8接入的是高频交变电流。

所述涡流发生装置8中的铁心材料是由表面涂有绝缘漆的一片片硅钢片叠压而成

本发明提供的一种利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔方法，具体包括如下步骤：

(1)将工件装夹在利用涡流效应辅助加热激光螺旋打孔装置上；

(2)通过第二x-y移动平台11使工件需要打孔的位置中心处在旋转平台装置的旋转轴上，通过第一x-y移动平台9使工件需要打孔的位置中心处在激光头下方，且激光束距离需要打孔位置的中心轴线的距离为激光螺旋打孔的旋切半径。

(3)打开涡流发生装置8，在高频感应线圈8.5上通入高频交变电流8.6，高频感应线圈8.5会产生高频交变磁场，磁感线穿过工件，使得工件形成涡电流，涡电流的电荷运动产生的热能可以达到辅助加热的效果。

(4)激光开始打孔，启动旋转平台装置，以一定的转速旋转，当激光头到距离工件的位置恰好使其焦点在工件表面(即离焦量为0)时，打开激光器的泵浦，激光器发出脉冲激光，激光光束经平面反射镜和聚焦透镜后，光束聚焦在工件表面，此时z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，使得焦点始终作用在材料的表面上。

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。