一种适用于内壁构件的激光空化微造型装置及其加工方法

1.本发明涉及激光微造型领域，特别涉及一种适用于内壁构件的激光空化微造型装置及其加工方法。


背景技术：

2.材料表面微造型技术已被广泛应用于航空航天、微机电等高端制造领域，但现有微造型加工手段，如反应离子刻蚀和压刻技术等，往往污染较大、流程复杂且能耗较高。因此将无污染、操作简便且能耗较低的激光诱导空化技术用于微造型加工具有重要应用价值。与此同时，内壁部件微造型加工一直是制造业的难点所在，传统的压刻方法虽能解决大口径部件内壁上的微形貌加工，但无法满足微尺寸部件内壁的微形貌加工。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种适用于内壁构件的激光空化微造型装置及其加工方法，利用激光空化带来的空泡瞬态力学效应进行内壁区域微造型的同时，可更换的液体介质能有效避免部分液体会与构件材料发生化学反应的特殊情况。且流通的管路设计有助于保证液体介质对激光能量的吸收率，从而保证微造型形貌的一致性。光路系统与夹具相对固定的布置，能有效提高微造型过程中，不同位置加工的工作效率，绕轴心自转的夹具设计也较为符合内壁构件的加工逻辑。
4.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
5.一种适用于内壁构件的激光空化微造型装置，包括激光光路系统、空化发生系统和定位系统；
6.所述激光光路系统用于产生激光束；所述定位系统包括光路系统移动平台、构件夹具和旋转平台；所述光路系统移动平台用于使激光束移动；所述旋转平台上安装构件夹具，用于使构件夹具旋转；所述构件夹具上安装待加工构件；
7.所述空化发生系统包括输液系统和密封组件；所述待加工构件的内腔为空化发生腔，通过输液系统使空化发生腔内填充空化所需的液体介质；所述密封组件位于空化发生腔与构件夹具之间；所述激光束聚焦在空化发生腔。
8.进一步，所述激光光路系统包括激光器、入射透镜、出射透镜、反射镜和光路固定支架，所述激光器、入射透镜、出射透镜和反射镜固连在光路固定支架上，所述光路系统移动平台用于使光路固定支架移动。
9.进一步，所述输液系统包括液体介质供给装置、介质导入管、介质导出管、导入管电控阀门、导出管电控阀门和废水仓，所述液体介质供给装置内设有液体介质，所述液体介质供给装置通过介质导入管与空化发生腔连通，所述空化发生腔通过介质导出管与废水仓连通，所述介质导入管上设有导入管电控阀门，所述介质导出管上设有介质导出管。
10.进一步，所述介质导入管上设有液体介质温控装置，通过加热液体介质，用于控制激光空化空泡的最大半径及冲击强度。
11.进一步，所述空化发生腔内填充的液体介质包含至少2种不同空化液。
12.进一步，还包括传感检测系统，所述传感检测系统包括浓度传感器和水听器；所述浓度传感器用于检测空化发生腔内液体介质的浓度；所述水听器的探针前端位于激光束产生的空化气泡附近，用于检测激光空化产生的作用力。
13.进一步，还包括中央控制器，所述中央控制器获取浓度传感器和水听器的检测值；所述中央控制器根据浓度传感器检测的液体介质的浓度和水听器检测的激光空化产生的作用力判断是否通过控制输液系统更换空化发生腔内的液体介质。
14.一种适用于内壁构件的激光空化微造型装置的加工方法，包括如下步骤：
15.中央控制器控制液体介质温控装置加热液体介质，将设定温度的液体介质填充空化发生腔；
16.中央控制器控制光路系统移动平台使激光束聚焦在空化发生腔的待加工区域；
17.通过中央控制器调节激光器发射的激光参数和旋转平台转动速率，用于控制微造型深度和微特征间距；
18.当空化发生腔内壁一周加工完成时，中央控制器改变光路系统移动平台在竖直方向的相对位置，继续进行不同深度位置的微造型加工；
19.所述浓度传感器实时检测空化发生腔内液体介质的浓度，所述水听器实时检测激光空化产生的作用力，当浓度传感器检测的液体介质的浓度大于第一设定阈值或当水听器的检测激光空化产生的作用力小于第二设定阈值时，所述中央控制器通过控制输液系统更换空化发生腔内的液体介质。
20.本发明的有益效果在于：
21.本发明所述的适用于内壁构件的激光空化微造型装置及其加工方法，利用激光空化带来的空泡瞬态力学效应进行内壁区域微造型的同时，可更换的液体介质能有效避免部分液体会与构件材料发生化学反应的特殊情况。且流通的管路设计有助于保证液体介质对激光能量的吸收率，从而保证微造型形貌的一致性。光路系统与夹具相对固定的布置，能有效提高微造型过程中，不同位置加工的工作效率，绕轴心自转的夹具设计也较为符合内壁构件的加工逻辑。
附图说明
22.图1为本发明所述的适用于内壁构件的激光空化微造型装置示意图。
23.图2为本发明所述的空化发生腔内部示意图。
24.图3为本发明所述的浓度传感器位置安装图。
25.图中：
26.1-中央控制器；2-激光器；3-光路固定支架；4-光路系统移动平台；5-入射透镜；6-反射镜；7-出射透镜；8-水听器；9-示波器；10-空化发生腔；11-待加工构件；12-橡胶密封圈；13-构件夹具；14-介质导出管；15-废水仓；16-旋转平台；17-导出管电控阀门；18-浓度传感器；19-导入管电控阀门；20-介质导入管；21-液体介质温控装置；22-液体介质供给装置；23-激光束；24-激光空化气泡；25-探针。
具体实施方式
27.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“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“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
31.如图1和图2所示，本发明所述的适用于内壁构件的激光空化微造型装置，包括激光光路系统、空化发生系统、定位系统和传感检测系统；
32.所述激光光路系统包括激光器2、入射透镜5、出射透镜7、反射镜6和光路固定支架3，所述激光器2、入射透镜5、出射透镜7和反射镜6固连在光路固定支架3上，所述光路系统移动平台4用于使光路固定支架3移动。所述激光器2用于产生激光束23；所述激光束23依次穿过入射透镜5、反射镜6和出射透镜7后射入待加工构件11。
33.所述定位系统包括光路系统移动平台4、构件夹具13和旋转平台16；所述光路系统移动平台4用于使激光束移动；所述旋转平台16上安装构件夹具13，用于使构件夹具13旋转；所述构件夹具13上安装待加工构件11；
34.所述空化发生系统包括输液系统和橡胶密封圈12；所述待加工构件11的内腔为空化发生腔10，通过输液系统使空化发生腔10内填充空化所需的液体介质；所述橡胶密封圈12位于空化发生腔10与构件夹具13之间；所述激光束聚焦在空化发生腔10。如图1和图3所示，所述输液系统包括液体介质供给装置22、介质导入管20、介质导出管14、导入管电控阀门19、导出管电控阀门17和废水仓15，所述液体介质供给装置22内设有液体介质，所述液体介质供给装置22通过介质导入管20与空化发生腔10连通，所述空化发生腔10通过介质导出管14与废水仓15连通，所述介质导入管20上设有导入管电控阀门19，所述介质导出管14上设有介质导出管14，用以控制空化发生腔10内的液体介质的流入流出。所述介质导入管20上设有液体介质温控装置21，通过加热液体介质，用于控制激光空化空泡的最大半径及冲击强度。所述空化发生腔10内填充的液体介质包含至少2种不同空化液，可根据实际需求供给不同的激光空化液体介质，以满足部分特殊加工需求。
35.所述传感检测系统包括浓度传感器18和水听器8；所述水听器8与光路固定支架3固连，水听器的探针25与激光束23互不干涉，探针25前端位于激光空化气泡24附近，用于检测激光空化力学作用力大小，可以反应微造型程度。示波器9可以显示水听器8测量的结果。所述浓度传感器18用于检测空化发生腔10内液体介质的浓度；
36.还包括中央控制器1，所述中央控制器1获取浓度传感器18和水听器8的检测值；所述中央控制器1根据浓度传感器18检测的液体介质的浓度和水听器8检测的激光空化产生的作用力判断是否通过控制输液系统更换空化发生腔10内的液体介质。随着微造型加工的不断进行，待加工构件11内壁会不可避免的产生材料颗粒脱落，使空化发生腔10内液体介质浑浊，进而影响聚焦的激光束23的能量，当液体介质中杂志浓度到第一设定阈值时，中央控制器1控制导入管电控阀门19和导出管电控阀门17打开，激光器2停止工作，液体介质供给装置22将洁净的液体介质通过介质导入管20导入空化发生腔10，原有的浑浊液体则通过介质导出管14进入废水仓15。
37.本发明所述的适用于内壁构件的激光空化微造型装置的加工方法，包括如下步骤：
38.s1：将待加工构件11密封固定在构件夹具13上，并根据加工需求，在中央控制器1中选择合适的液体介质及温度需求；
39.s2：液体介质供给装置22和液体介质温控装置21开始工作，导入管电控阀门19和导出管电控阀门17均开启，液体介质经空化发生腔10直接流入废水仓15；
40.s3：液体介质温度稳定后，导出管电控阀门17关闭，待液体介质注满空化发生腔10后，导入管电控阀门19关闭；
41.s4：光路系统移动平台4调整至合适位置，使激光聚焦于待加工区域；
42.s5：通过中央控制器1调节激光器2发射的激光参数，以及旋转平台16转动速率，用以控制微造型深度及微特征间距；
43.s6：激光器2开始工作，当待加工构件11内壁一周加工完成时，中央控制器1改变光路系统移动平台4在竖直方向的相对位置，继续进行不同深度位置的微造型加工；
44.s7：浓度传感器18和水听器8实时检测浓度信号和力学信号，当浓度传感器18检测的液体介质的浓度大于第一设定阈值或当水听器8的检测激光空化产生的作用力小于第二设定阈值时，激光器2、旋转平台16和光路系统移动平台4均暂停工作，导入管电控阀门19和导出管电控阀门17开启，原有的液体流入废水仓15，洁净的液体介质注入空化发生腔10，在此过程中当浓度达标时，导出管电控阀门17关闭，待液体介质注满空化发生腔10后，导入管电控阀门19同样关闭，激光器2、旋转平台16和光路系统移动平台4继续工作；若在加工初始阶段当水听器8的检测激光空化产生的作用力小于第二设定阈值时，可以调节激光加工参数；
45.s8：微造型任务完成，激光器2、旋转平台16和光路系统移动平台4继续工作停止工作，并复位，导出管电控阀门17打开，将空化发生腔10内液体介质排尽。
46.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
47.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。