一种水导激光打孔复合钻削装置及方法

1.本发明涉及机械加工中的激光复合钻削加工技术领域，特别涉及一种水导激光打孔复合钻削装置及方法。


背景技术：

2.水导激光是将激光耦合进直径很小的水束(25μm～100μm)中，水束作为一种水束光纤使激光以全反射方式在其中传播并传送至材料表面，使材料仅在水束直径内烧蚀加工。水导激光具有加工热影响区小，加工表面质量高等优点，但由于水射流照成的切削刃与垂直方向的夹角随着切割深度的增加而减小，从而造成激光切削功率的损失，从而导致加工效率低和孔壁倾斜等缺陷，另外由于激光束的焦散作用，当焦点移向材料时，顶部表面的光束斑增加，部分激光束可能无法进入原有的切割切口，这种阴影效应阻止了切口深度的进一步增加，导致水导激光无法完全加工较深的孔。
3.随着我国航空工业的飞速发展，更多的碳纤维复合材料被应用到飞机的各个部位，目前已从飞机的低负荷区域转移到高负荷区域，随之所需零件的厚度也逐步增加，这里以树脂基碳纤维复合材料(cfrp)为例。cfrp是一种非连续性、非均匀性和各向异性设计的难加工材料。随着刀具接触时间的延长，所产生的粉末切屑清除难度增加，对机床和操作人员伤害的可能性也会增加，加工越来越厚碳纤维复合材料在加工操作方面(如机械钻削)会变得更加具有挑战性。此外，激光打孔厚度的增加导致激光与材料的接触时间延长，从而产生不同的汽化效应，导致孔壁倾斜，热影响区大，甚至出现基体燃烧等现象。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种针对航空难加工材料厚度为6mm以上板材零件的水导激光打孔复合钻削装置及方法，其与单独水导激光相比，具有更广的加工范围和更高的加工效率，与传统钻削相比，具有更好的加工质量、更小的刀具磨损，实现了复合难加工材料厚度6mm以上板材的钻削加工，降低了成本，提高了加工效率。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.一种水导激光打孔复合钻削装置，设置于数控机床，
7.所述水导激光打孔复合钻削装置包括设置于数控机床工作台上方的连续激光发生器、分光系统和聚焦耦合系统，以及设置于数控机床工作台下方的连续激光系统和光束换向系统；
8.所述数控机床工作台的中部设置镂空结构，所述镂空结构的顶部放置工件；
9.所述连续激光系统包括三坐标工作台以及设置于三坐标工作台的连续激光聚焦头，三坐标工作台带动连续激光聚焦头移动到设定位置；
10.所述连续激光发生器发出的连续激光经分光系统分成平行的激光束一和激光束二，所述激光束一经聚焦耦合系统形成水导激光束，所述水导激光束经数控机床的主轴和钻头照射在工件上表面；所述激光束二经过光束换向系统换向后，穿过连续激光聚焦头照
射在工件下表面；并且，照射在工件上表面和下表面的激光束在同一直线上。
11.进一步的，所述分光系统包括分光元件和反射元件一，所述连续激光发生器发出的连续激光的一部分光线经分光元件反射形成所述激光束一；所述连续激光发生器发出的连续激光的另一部分光线经分光元件透射后，再经反射元件一反射形成所述激光束二。
12.进一步的，所述分光系统还包括遮挡装置，所述遮挡装置设置于分光元件和反射元件一之间，用于遮挡分光元件透射后的光线，连续激光发生器打开至设定时间t后，通过遮挡装置遮住分光元件透射后的光线，使连续激光发生器发出的连续激光只形成激光束一，不形成激光束二，遮挡装置可手动操作进行遮挡。
13.进一步的，所述光束换向系统包括设置于所述反射元件一下方的反射元件二，以及设置于连续激光聚焦头下方的反射元件三，激光束二依次经反射元件二和反射元件三反射，进入连续激光聚焦头中。
14.进一步的，所述水导激光打孔复合钻削装置还包括同轴压缩气体辅助装置一和同轴压缩气体辅助装置二，所述同轴压缩气体辅助装置一安装于数控机床工作台；所述同轴压缩气体辅助装置二安装于三坐标工作台。
15.进一步的，所述钻头为顶角180
°
的中空钻头，水导激光束由钻头中心射出。
16.一种水导激光打孔复合钻削方法，采用上述水导激光打孔复合钻削装置，包括以下步骤：
17.s1、准备阶段，将工件固定于数控机床工作台上；
18.s2、打开连续激光发生器光闸，使连续激光发生器发出连续激光；
19.s3、连续激光经分光系统分成平行的激光束一和激光束二，激光束一经聚焦耦合系统形成水导激光束，水导激光束经数控机床的钻头照射在工件上表面；激光束二经光束换向系统改变传输方向后，进入连续激光聚焦头形成连续激光束，连续激光束照射在工件下表面；具体的，激光束一经聚焦耦合系统的耦合水腔形成水导激光束；
20.s4、开启数控机床，数控机床工作台按照设定路径运动，使水导激光束和连续激光束同时从工件待加工孔的中心沿径向向外依次进行平行多道次螺旋扫描加工；
21.s5、连续激光发生器工作设定时间t后，通过遮挡装置遮挡经分光元件透射后的光线并移去连续激光聚焦头；使水导激光束继续加工工件待加工孔位置，加工成通孔后，关闭连续激光发生器光闸；
22.s6、启动数控机床主轴，使钻头按照设定的主轴转速和进给速度进行钻削加工，对通孔进行扩孔，直至孔加工完成。
23.进一步的，所述水导激光束和连续激光束共同去除的工件材料为孔大小的56％，钻头通过钻削去除剩下的44％。
24.进一步的，所述设定时间t为连续激光束加工完待加工孔一半深度的时间。
25.本发明的有益效果：
26.1)本发明的水导激光打孔复合钻削方法采用连续激光束与水导激光束同时以相同速度进行多道次平行螺旋扫描加工，当加工设定时间t后，调整分光系统，使激光在分光系统中只产生反射现象，水导激光继续加工，直至加工出通孔，再由钻头去除剩下的部分，完成孔的加工，降低了成本，提高了加工效率；
27.2)本发明的水导激光打孔复合钻削方法适用于复合难加工材料直径6mm以上孔的
钻削加工，尤其适用于被加工材料厚度为6mm以上的板材，实现复合难加工材料厚板的钻削加工，改善水导激光打孔加工效率较低的现状，与连续激光打孔相比减小热影响区面积，并且减轻了刀具磨损，增大了刀具的使用寿命，加工后的孔在孔壁垂直度和完整度上的表现也相对较好；
28.3)本发明的两种激光束同步加工时，水导激光的高压水射流对另一侧的连续激光具有一定的冷却作用；
29.4)本发明的两种激光束采用同一光源，使加工装置更加简化，节约成本，在设定时间t后，由于分光系统只发生反射现象，根据能量守恒定律，可增加水导激光的能量密度，从而增加水导激光的加工效率；
30.5)本发明为解决复合难加工材料的加工提出了一种新的手段，能够进行cfrp层合板等复合难加工材料的深孔加工，使cfrp层合板等复合难加工材料有更广泛的应用。
31.本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
32.图1是本发明实施例提供的一种水导激光打孔复合钻削装置的结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的一种水导激光打孔复合钻削方法的流程图；
34.图3是本发明实施例提供的平行多道次螺旋扫描的示意图；
35.图4是本发明实施例提供的工件通过水导激光打孔复合钻削方法加工孔的示意图。
36.说明书附图中的附图标记包括：
37.1-连续激光发生器，2-分光系统，3-聚焦耦合系统，4-数控机床，5-水导激光束，6-夹具，7-连续激光束，8-数控机床工作台，9-三坐标工作台，10-反射元件二，11-反射元件三，12-连续激光聚焦头，13-工件，14-钻头，15-数控机床主轴。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
41.为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种水导激光打孔复合钻削装置，设置于数控机床4，
42.水导激光打孔复合钻削装置包括设置于数控机床工作台8上方的连续激光发生器
1、分光系统2和聚焦耦合系统3，以及设置于数控机床工作台8下方的连续激光系统和光束换向系统；
43.数控机床工作台8的中部设置镂空结构，镂空结构的顶部放置工件13；
44.连续激光系统包括三坐标工作台9以及设置于三坐标工作台9的连续激光聚焦头12，三坐标工作台9带动连续激光聚焦头12移动到设定位置；
45.连续激光发生器1发出的连续激光经分光系统2分成平行的激光束一和激光束二，激光束一经聚焦耦合系统3形成水导激光束5，水导激光束5经数控机床主轴15和钻头14照射在工件13上表面；激光束二经过光束换向系统换向后，穿过连续激光聚焦头12照射在工件13下表面；并且，照射在工件13上表面和下表面的激光束在同一直线上。
46.本发明在使用时，工件13通过夹具6压板安装固定于数控机床工作台8上方，根据需要可在镂空结构处两侧设置导轨，便于工件13加工完成后移出工件13，当然，也可以采用其他方式实现工件13的移动，比如机械手抓取。钻头14通过钻卡头安装于数控机床主轴15下方，三坐标工作台9能够实现快速准确调整连续激光聚焦头12的位置，使经连续激光聚焦头12射出的连续激光与经钻头14射出的水导激光同轴，以保证两激光加工的孔同轴。
47.本发明在使用时，聚焦耦合系统3可采用现有技术，并可配合使用水导激光辅助系统，水导激光辅助系统包括水导激光的液压系统、ccd检测装置、计算机数控工作台系统和污水处理净化系统。激光束一进入聚焦耦合系统3中，进行连续激光与高压水束的耦合，基于水导激光耦合原理，连续激束光在高压水束产生全反射形成水导激光束5，水导激光束5从钻头14内部沿钻尖向工件13上表面照射，水导激光的耦合原理主要包括包括耦合对准、全反射最大入射角、多模光纤传输和激光能量在水束中的衰减、受激拉曼散射等。
48.如图1所示，分光系统2包括分光元件和反射元件一，分光元件在左侧，反射元件一在右侧，连续激光发生器1发出的连续激光的一部分光线经分光元件反射形成激光束一；连续激光发生器1发出的连续激光的另一部分光线经分光元件透射后，再经反射元件一反射形成激光束二。
49.本实施例中，分光元件将连续激光发生器1发出的连续激光分成沿不同方向传输且能量相同的两个激光束，即，其能够反射一部分光线，透射另一部分光线，而且连续激光的一部分光线与连续激光的另一部分光线的能量相当。分光元件采用分光镜，分光元件设置于聚焦耦合系统3的上方，连续激光的一部分光线经分光镜反射形成激光束一，并进入聚焦耦合系统3；连续激光的另一部分光线经分光元件透射，仍沿着连续激光的方向传输，经反射元件一反射后改变传输方向形成激光束二，使激光束一和激光束二的传输方向相同。
50.分光系统2还包括遮挡装置，遮挡装置设置于分光元件和反射元件一之间，用于遮挡分光元件透射后的光线，连续激光发生器1打开至设定时间t后，通过遮挡装置遮住分光元件透射后的光线，使连续激光发生器1发出的连续激光只形成激光束一，不形成激光束二，遮挡装置可手动操作进行遮挡。
51.光束换向系统包括设置于反射元件一下方的反射元件二10，以及设置于连续激光聚焦头12下方的反射元件三11，激光束二依次经反射元件二10和反射元件三11反射，进入连续激光聚焦头12中。本实施例中，反射元件一、反射元件二10和反射元件三11均采用反射棱镜，连续激光发生器1发出的连续激光的另一部分光线经分光元件透射后，再经反射元件一反射形成激光束二，再经反射元件二10反射和反射元件三11反射后进入连续激光聚焦头
12中，最后经连续激光聚焦头12聚焦后照射到工件13下表面。
52.水导激光打孔复合钻削装置还包括同轴压缩气体辅助装置一和同轴压缩气体辅助装置二，同轴压缩气体辅助装置一安装于数控机床工作台8，辅助钻头14在钻削时排除切屑，保护机床；同轴压缩气体辅助装置二安装于三坐标工作台9，辅助连续激光聚焦头12加工孔时排除切屑，保护机床。
53.本发明中，钻头14为顶角180
°
的中空钻头14，水导激光束5由钻头14中心射出。
54.如图2至图4所示，本发明还提供了一种水导激光打孔复合钻削方法，采用上述水导激光打孔复合钻削装置，包括以下步骤：
55.s1、准备阶段，将工件13固定于数控机床工作台8上；
56.具体的，准备阶段还包括：将钻头14通过钻卡头安装于数控机床主轴15上；将连续激光聚焦头12安装于三坐标工作台9上，根据前期仿真和实验数据，设置好连续激光发生器1输出的激光功率、分光元件产生透射现象的设定时间t、以及数控机床4的主轴转速和进给速度；打开水导激光辅助系统，使高压水束通过钻头14内部沿钻尖射出；连续激光发生器1发出预设光调整激光耦合系统和连续激光聚焦头12的位置，使水导激光束5和连续激光束7照射在工件13同一位置的上下表面，具体的，激光耦合系统安装于数控机床主轴15，并与数控机床主轴15联动，连续激光聚焦头12通过三坐标工作台9调整位置，调整激光耦合系统和连续激光聚焦头12的位置使水导激光束5和连续激光束7照射在同一直线上时，可以同时调节数控机床主轴15和三坐标工作台9，也可以保持数控机床主轴15和三坐标工作台9中的一个不同，调整另一个与之对应，使水导激光束5和连续激光束7同轴；将扫描路径代码输入到数控机床4中，本实施例中，采用数控钻床。
57.s2、打开连续激光发生器1光闸，使连续激光发生器1发出连续激光；
58.s3、连续激光经分光系统2分成平行的激光束一和激光束二，激光束一经聚焦耦合系统3形成水导激光束5，水导激光束5经数控机床4的钻头14照射在工件13上表面；激光束二经光束换向系统改变传输方向后，进入连续激光聚焦头12形成连续激光束7，连续激光束7照射在工件13下表面；具体的，激光束一经聚焦耦合系统3的耦合水腔形成水导激光束5；
59.s4、开启数控机床4，数控机床工作台8按照设定路径运动，如图3所示，使水导激光束5和连续激光束7同时从工件13待加工孔的中心沿径向向外依次进行平行多道次螺旋扫描加工；
60.具体的，数控机床工作台8按照设定路径进行xy方向的平面运动，开启数控机床4前可开启同轴压缩气体辅助装置一(图中未标出)和同轴压缩气体辅助装置二(图中未标出)，用于排除切屑，保护机床；
61.s5、连续激光发生器1工作设定时间t后，通过遮挡装置遮挡经分光元件透射后的光线并移去连续激光聚焦头12；使水导激光束5继续加工工件13待加工孔位置，加工成通孔后，关闭连续激光发生器1光闸；
62.s6、启动数控机床主轴15，使钻头14按照设定的主轴转速和进给速度进行钻削加工，对通孔进行扩孔，直至孔加工完成。
63.本实施例中，连续激光束7的焦点在工件13下表面，增加加工效率，减小热影响区面积，工件13上下表面激光加工的主要目的是加工出底孔，减少最后钻削的工作量，有利于切屑的排出。在进行激光加工时，孔壁两侧的锥度是基本确定的，由于复合材料热传导系数
不同的影响，进口处通常具有一定的热影响区，内壁不光滑，需要钻头14对底孔进行扩孔，同时消除热影响区，从而得到加工质量好的孔。
64.如图4所示，水导激光束5和连续激光束7共同去除的工件13材料为孔大小的56％，钻头14通过钻削去除剩下的44％。
65.设定时间t为连续激光束7加工完待加工孔一半深度的时间，具体的，在加工开始之前，单独用连续激光束7对被加工材料进行待加工孔加工实验，测得设定时间t。
66.本发明在水导激光打孔复合钻削之前，在有限元仿真软件上，比如ansys建立工件13的温度场预测模型。通过“单元杀死技术”仿真加工蚀除的方法，并基于傅立叶热传导定律建立工件13的温度场预测模型，以此确定连续激光发生器1的激光功率，首先按照实际工件13的大小建立模型划分网格，将连续激光束7看做表面热源，加载热辐射与对流边界条件，并通过温度测量试验修正边界条件，即可得到准确的连续激光束7温度场预测模型，进而实现不同材料的高效仿真，同样的，水导激光辅助系统是利用fluent软件进行流体动力学仿真和水射流的出射两相流仿真，在这些仿真研究的基础上建立起来的，以钻削区域温度为目标，优化连续激光的激光功率，实际加工时，通过温度场预测模型得到加工孔需要的激光功率，对连续激光发生器1进行设定。
67.本发明连续激光发生器1发出的连续激光束7经分光系统2分别照射到工件13待加工孔的上下表面，其中上表面为水导激光束5，下表面为连续激光束7，激光束由从待加工孔的中心沿径向向外依次进行扫描，激光束的扫描路线为螺旋线，扫描策略为多道次平行扫描，上表面钻削加工以及下表面连续激光束7加工时，通过同轴压缩气体辅助装置吹走加工粉尘。在水导激光加工完底孔后由数控机床4进行二次加工，由激光去除工件13材料为孔大小的56％，钻头14通过钻削去除剩下的44％，降低了成本，提高了加工效率。
68.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。