一种适用于大深径比孔激光加工的气嘴的制作方法

本实用新型属于激光加工技术领域，尤其涉及适用于大深径比孔激光加工的气嘴。

背景技术：

在航空发动机火焰筒、叶片等零件中，基于通气冷却目的，零件上存在着大量微孔加工需求，目前通常采用旋切扫描激光加工装置来实现微孔加工，该装置主要通过旋转光束形成螺旋扫描以实现指定区域的材料去除，具有加工锥度可控、加工精度高的优点。

然而采用该方式在对一些大深径比的微孔进行加工时，其加工效率难以满足指标要求，且微孔较深位置容易出现大的重铸层。究其原因，该加工能力不足与大深径比微孔吹气排渣效果存在很大关系，目前通常采用同轴吹气的方式进行排渣，在这种模式下，微孔的口径较小，一般为φ0.5-1mm左右，而气嘴通常为简单锥形结构设计，为保证所加工孔的深度，以及气嘴口不挡光，其出口口径设计尺寸通常大于所加工微孔直径，因此气流往往“压”在微孔上方，尤其是加工深度增大时，难以对微孔底部形成气流扰动，使得孔内熔融液滴及等离子体无法快速排出，而这些去除物阻碍了激光向下继续传播，并通过吸收激光能量，造成热量累积、烧蚀及严重重铸层，从而导致加工效率低下，加工质量及加工锥度变差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供适用于大深径比孔激光加工的气嘴，旨在解决由于现有技术中适用于激光加工的气嘴在对大深径比微孔加工时无法有效排渣的技术问题。

本实用新型提供了一种适用于大深径比孔激光加工的气嘴，包括：

气嘴主体，所述气嘴主体为中空锥形结构；

小深度吹气模块，所述小深度吹气模块安装于所述气嘴主体下部，用于对小深径比的微孔进行吹气排渣；

大深度吹气模块，所述大深度吹气模块包括平板玻璃、第三进气口、第三电磁阀，所述平板玻璃安置于所述气嘴主体内部，所述平板玻璃的中心设置有微流通道以作为内部出气口，所述第三进气口位于所述气嘴主体的筒壁上，所述第三电磁阀控制所述大深度吹气模块的气压，以对大深径比的微孔进行吹气排渣。

本实用新型适用于大深径比孔激光加工的气嘴包括气嘴主体、小深度吹气模块和大深度吹气模块，气嘴主体为中空锥形结构，小深度吹气模块安装于气嘴主体下部，用于对小深径比的微孔进行吹气排渣；大深度吹气模块包括平板玻璃、第三进气口、第三电磁阀，平板玻璃安置于气嘴主体内部，平板玻璃的中心设置有微流通道以作为内部出气口，第三进气口位于所述气嘴主体的筒壁上，第三电磁阀控制所述大深度吹气模块的气压，以对大深径比的微孔进行吹气排渣；进而根据加工的深径比，采用合适的吹气模块进行吹气，从而能够微孔内部残渣均受到充分的气流搅动，同时具有向外排出的通道，保证残渣顺畅排出，减小热量累计，最终实现提高加工效率及质量的目的。

附图说明

图1示出了本实用新型实施例一提供的适用于大深径比孔激光加工的气嘴的结构示意图；

图2为优化的气流微通道结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例二适用于大深径比孔激光加工的吹气方法流程图；

图4示出了在进行大深径比孔激光加工时第一阶段加工的吹气示意图；

图5示出了在进行大深径比孔激光加工时第二阶段加工的吹气示意图；

图6示出了在进行大深径比孔激光加工时第三阶段加工的吹气示意图。

附图标记说明：

1-气嘴主体、2-小深度吹气模块、3-中深度吹气模块、4-大深度吹气模块、5-激光、6-气嘴出口、71-第一进气口、73-第三进气口、81-第一电磁阀、82-第二电磁阀、83-第三电磁阀、9-气流微通道、10-气流微通道的出气口、11-气流微通道的进气口、12-气流微通道收缩的小孔、13-微流通道、14-平板玻璃。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本实用新型实施例一提供的适用于大深径比孔激光加工的气嘴的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

本实用新型实施例示出的适用于大深径比孔激光加工的气嘴包括气嘴主体1、小深度吹气模块2、中深度吹气模块3和大深度吹气模块4。

通过将普通气嘴单一的气嘴改进为具备三种不同的吹气模块，即小深度吹气模块2、中深度吹气模块3、大深度吹气模块4，以分别适应加工过程中深径比变化时的吹气，从而大大提高气嘴适用大深径比孔激光加工时的灵活性，使根据加工的深径比变化，使用合适的吹气模块进行吹气，从而能够使微孔内部残渣均受到充分的气流搅动，同时具有向外排出的通道，保证残渣顺畅排出，减小热量累积，最终实现提高加工效率及质量的目的。

气嘴主体1为中空锥形结构，上面承载适宜于不同加工深度的吹气模块，激光在气嘴主体内部进行旋切运动，并从中心穿出。

小深度吹气模块2位于气嘴主体1下部，其气流输送出口为气嘴主体的气嘴出口6；中深度吹气模块3安装于气嘴主体1的中部，其气流微通道可以安设在筒壁内部的安装槽中或者可以安装在筒壁外侧，中深度吹气模块3可向加工微孔中斜向吹入微细气流，并可以通过多个气流微通道电磁阀的顺序控制，使微孔内形成扰动，以便于排渣和散热；大深度吹气模块5包括设置在气嘴主体1内部中央的平板玻璃，经由大深度吹气模块5进入气嘴主体1内的气流，通过平板玻璃14中开设的微流通道13对孔内的加工区域进行吹气。

小深度吹气模块2安装于所述气嘴主体1的下部，用于对处于小深径比阶段的微孔进行吹气排渣。小深度吹气模块2包括气嘴出口6、第一进气口71、连接气管及控制气压开关的第一电磁阀81，第一进气口71设置于气嘴主体1下部，连接气管将第一进气口71与气源(未示出)相连接，第一电磁阀81设置于第一进气口71与气源之间用于控制连接气管内的气体压力和流量。气嘴出口6的直径根据光束扫描大小、倾斜角度确定，通常为0.8-2mm。优选的，气嘴出口6的直径为1.5mm。

中深度吹气模块3安装于所述气嘴主体1的中部，用于对进入中深径比阶段的微孔进行吹气排渣。中深度吹气模块2包括气流微通道9、连接气管及第二电磁阀82，所述第二电磁阀82用于控制所述气流微通道9的气压和流量。气流微通道9的数量为3条及以上，气流微通道9可以均匀分布在气嘴主体1筒壁的安装槽内或者分布于气嘴主体1的筒壁外侧。气流微通道9的出气口10的水平位置与气嘴主体1的底部端面齐平或略微超出，气流微通道9的进气口11通过连接气管与气源(未示出)相连，第二电磁阀82设置于连接气管与气源之间。气流微通道9的倾斜角度为0.04rad-0.08rad，并指向气嘴中心轴线，其出口直径可以为0.3-0.8mm。优选的，气流微通道9的倾斜角度为0.062rad。

气流微通道9可采用更优的一种结构形式，图2为优化的气流微通道结构示意图，如图2所示，气流微通道9的入口段(包括进气口11)和出口段(包括出气口10)为圆柱孔，在所述气流微通道的中间段逐渐收缩成小孔12，即在气流微通道9的中段区域形成有相对的凸起部，在入口段形成了收缩部而在出口段形成了扩径部，小孔12的长度与小孔的直径相等，收缩部的长度优选等于收缩段半锥角的余弦值乘以气流微通道9入口半径与小孔半径之差，扩径部的长度优选等于收缩段半锥角的余弦值乘以气流微通道9入口半径与小孔半径之差，其中，收缩部的半锥角优选为20°～30°，扩径部的半锥角优选为5°～10°。在使用中深度吹气模块3吹气时，气流汇聚经过狭窄的小孔12后，其流速会急剧增加，形成高速的微细气流，从而可以使气流能够深入加工底部区域，加强气流带出残渣的能力。

大深度吹气模块4用于对进入大深径比阶段的微孔进行吹气排渣。大深度吹气模块4包括平板玻璃14、第三进气口73、第三电磁阀83。平板玻璃14可以以粘结或者嵌扣的方式安置于气嘴主体1下部，其中心设置有微流通道13，平板玻璃14的安装高度设置成使得旋切扫描的光束不会通过微流通道13。所述第三进气口73位于所述气嘴主体1的筒壁上，所述第三电磁阀83控制所述大深度吹气模块4的气压。

在大深径比的微孔加工过程中，平板玻璃14厚约为0.3-1mm、微孔直径0.2-0.6mm，其固定位置距离气嘴出口6的垂直距离可以为3-8mm，用以在气嘴内部形成两个用于不同深度的吹气模块，且此时激光可直接从平板玻璃14透过，且不会从平板玻璃14的微流通道经过，因此不影响光路传输。

优选的，微流通道13的直径为0.3mm，位于气嘴主体1内部的平板玻璃14中心。平板玻璃14厚度为0.6mm，其固定位置距离气嘴出口6的垂直距离5mm。

实施例二：

为了更充分的体现本实用新型的技术方案，图3示出了本实用新型实施例二，适用于大深径比孔激光加工的吹气方法流程图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，其中包括：

步骤31，在激光加工过程中，根据实际加工孔的深径比变化阶段选择不同的吹气模块。

步骤32，当实际加工孔的深径比小于4:1时，打开第一电磁阀，使用气嘴的小深度吹气模块对加工区域进行吹气；

步骤33，当实际加工孔的深径比达到3:1至7:1区间时，关闭第一电磁阀并打开第二电磁阀，使用中深度吹气模块对加工区域进行吹气；

步骤34，当深径比达到大于6:1时，切换至大深度吹气模块，使用大深度吹气模块进行吹气，使气流通过所述气嘴主体的上部内腔并通过大深度吹气模块的出气口喷出。

根据加工过程中加工深径比的变化，分为三个阶段分别进行不同形式的吹气排渣。

第一阶段，深径比小于4:1时，采用小深度吹气模块进行吹气，气源为普通压缩空气，气压大小0.3-0.6MPa，尽管气流直径大于微孔直径，但因深度小，气流可到达微孔底部，并形成涡流扰动，快速带动残渣至孔外并排走。

第二阶段，深径比为3:1至7:1时，由于深径比较大，孔底残渣向上排出路程变大，且在孔口还受到上部气流的压制，导致残渣排出困难，此时关闭小深度吹气模块，开启中深度吹气模块。

在该阶段加工过程中，可以控制中深度吹气模块的各电磁阀依次关闭及开启，使得气体从各气流微通道中依次射出，优选地，各电磁阀的顺序开关方向与光束的旋切扫描方向相反。由于通道直径小于微孔直径，因此气流可斜向吹入微孔内部，同时在孔内形成旋转运动从而加强气流扰动作用，带动残渣排出。本阶段的气源可以采用氩气或氧气，气压可以为0.4-0.6MPa。氩气相对分子质量为40，大于空气相对分子质量29，可增强小流量下的气体搅动能力；当工件材料中具有较高含量碳、铁等活泼元素时，此时可选择采用氧气进行辅助吹气排渣，其有助于残渣气化或氧化成更小体积的熔滴，从而更易被气流带走。

第三阶段，当深径比大于为6:1时，中深度吹气模块的气流逐渐被孔壁所阻挡，无法吹入孔底，此时关闭中深度吹气模块，开启大深度吹气模块。

通过开启第三电磁阀，使得气流通过上部内腔并通过平板玻璃中微流通道喷出，其直径小于微孔直径，使得气流可直接吹气至微孔内，并留出排渣空间从而带走残渣。气源可以采用氩气或氧气，气压可以为0.4-0.6MPa。

可选的，当采用旋切扫描装置加工直径为0.8mm微孔时，材料厚度为8mm，适用于旋切扫描式激光加工的吹气方法将根据加工深度或深径比的不同，分为三个阶段分别进行不同形式的吹气排渣。

第一阶段，当加工深度小于3mm时，如图4所示，此时采用小深度吹气模块2进行吹气，气源为普通压缩空气，气压大小0.4MPa，此时气流直径为1.5mm，大于微孔直径，但因深度小，气流可到达微孔底部，并形成涡流扰动，快速带动残渣至孔外并排走。

第二阶段，当加工深度为3-6mm时，如图5所示，由于深径比较大，孔底残渣向上排出路程变大，且在孔口还受到上部气流的压制，导致残渣排出困难，此时关闭小深度吹气模块2，开启中深度吹气模块3。

气体从气流微通道中依次射出，由于通道直径小于微孔直径，因此气流斜向吹入微孔内部，同时控制电磁阀依次关闭及开启，使得在孔内形成旋转扰动，从而带动残渣排出。气源采用氩气，气压0.4MPa。

第三阶段，当加工深度为6-8mm时，随着加工深度的增大，中深度吹气模块的气流被孔壁所阻挡，无法吹入孔底，此时如图6所示关闭中深度吹气模块，开启大深度吹气模块4，采用该方式直至微孔打穿。

通过开启电磁阀，使得气流通过上部内腔并通过平板玻璃中央气孔喷出，气流直接吹入微孔内，从而带走残渣。气源采用氩气，气压0.5MPa。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。