一种用于提高孔径精度的激光加工方法与流程

1.本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种用于提高孔径精度的激光加工方法。


背景技术：

2.现有技术中主要采用毫秒(10-3
s)脉冲宽度激光加工小孔，该小孔的孔径范围一般为0.25mm-0.8mm，由于脉冲能量大(几个焦耳甚至几十、上百焦耳)，相应能量密度高，单位激光脉冲的材料去除率高，大深度小孔穿透时间短，但由于脉冲宽度大，相应也导致较大的热影响，小孔精度与孔壁质量不高；近年来，纳秒(10-9
s)、皮秒(10-12
s)、飞秒(10-15
s)激光由于单个脉冲与材料作用时间短得多，激光功率密度极高，尤其是皮秒、飞秒激光，加工过程热影响极小，已更多地应用于加工孔壁质量与尺寸精度要求更高的微小孔。但更短脉冲激光的脉冲能量很低，例如，常用于材料加工的纳秒激光仅几个毫焦，皮秒、飞秒激光的脉冲能量通常不超过1毫焦，加工深度非常有限，加工较大深径比的小孔采用以往毫秒脉冲激光常用的冲击加工与旋切加工已不适用，不但效率低，而且因长时间未穿透，小孔内部热积累使得孔壁质量明显变差，因此，在加工较大深径比小孔时，纳秒、皮秒、飞秒激光更有效的方法是填充加工方式，可以明显提高加工效率与质量，见图2。
3.现有技术途径之一是采用扫描振境扫描的填充方式加工小孔，激光聚焦后与孔轴平行，见图3，由于扫描速度更快，具有热影响相对更小的优点，但该方法加工小孔锥度偏大，优化后通常仍存在2-3
°
的锥度，如果待加工小孔实际深度与理论测算的不一致，即零件实际厚度与理论设计存在偏差，采用理论深度选择的工艺参数会导致孔径偏差；采用激光偏轴、倾斜并自旋的光学装置实现激光聚焦后倾斜入射旋转的填充加工方式，理论上可以实现无锥度小孔加工，避免了孔锥度影响孔径精度，但该方法同样存在小孔实际深度偏差导致选择的加工时间或设定半径、倾斜角等工艺参数不合适而导致小孔孔径不一致等问题。


技术实现要素：

4.(1)要解决的技术问题
5.本发明提供一种用于提高孔径精度的激光加工方法，获取待加工零件上所有目标孔所在不同位置处的设计参数信息，根据参数信息选择具有第二厚度值的试验样板并根据参数信息与第二厚度值计算出目标孔的孔深度值，对试验样板采用超快激光加工来获取首次穿透时间；构建首次穿透时间与该孔深度具有数学对应关系的第一数据库以及根据孔深度构建孔深度与二次加工的工艺参数具有数学对应关系的第二数据库；再采用超快激光对实际厚度值与第一厚度值有偏差的待加工零件进行加工，并选择第二数据库中的工艺参数进行二次加工得到符合该孔径值要求的目标孔，有效控制了因厚度偏差导致孔径偏差的发生，提高了孔径的一致性和加工精度。
6.(2)技术方案
7.第一方面，本发明的实施例提出了一种用于提高孔径精度的激光加工方法，适用于实际厚度与设计理论厚度存在偏差的待加工零件上加工小孔，，包括步骤如下：步骤s1：获取所述待加工零件上所有目标孔所在不同位置处的设计参数信息，所述参数信息包括倾斜角度值、孔径设计值以及所述目标孔所在位置处的第一厚度值；步骤s2：根据步骤s1中各所述第一厚度值中的最大值以及最小值选择采用与所述待加工零件相同材料制作多个已知第二厚度值的试验样板，且所述第二厚度值中的最大值大于所述第一厚度值的最大值，所述第二厚度值中的最小值小于所述第一厚度值的最小值，各所述第二厚度值呈阶梯变化且相邻两个所述第二厚度值的差值不大于0.1mm。步骤s3：根据所述目标孔的倾斜角度值以及试验样板的第二厚度值计算出目标孔的孔深度值；步骤s4：采用超快激光在各所述试验样板上进行所述目标孔加工，直至检测到所述超快激光首次穿透所述试验样板时立即停止加工并记录首次穿透时间；步骤s5：构建第一数据库，用于建立所述首次穿透时间与所述目标孔的孔深度值、所述倾斜角度值以及所述孔径设计值的数学对应关系；步骤s6：采用超快激光二次加工所述步骤s4中已被所述超快激光首次穿透的各所述试验样板上的所述目标孔，通过工艺试验获得合适的工艺参数得到满足所述步骤s1中所述孔径设计值要求的所述目标孔，保存所述工艺参数；步骤s7：构建第二数据库，用于建立所述目标孔的孔深度值、倾斜角度值、孔径设计值与所述步骤s6中的所述工艺参数的数学对应关系；步骤s8：将所述第一数据库与所述第二数据库写入用于加工所述待加工零件的超快激光加工设备的控制器内；步骤s9：采用步骤s4中的超快激光对未知第一厚度值的所述待加工零件进行所述目标孔的加工；步骤s10：检测到所述超快激光首次穿透所述待加工零件后获得所述首次穿透时间；步骤s11：所述控制器根据所述第一数据库内的数学对应关系得到所述目标孔的孔深度值，再根据得到的所述孔深度值基于所述第二数据库内的数学对应关系得到二次加工所需的所述工艺参数；步骤s12：采用所述超快激光基于步骤s11的所述工艺参数对已被所述超快激光首次穿透的所述待加工零件上的所述目标孔进行二次加工，最终得到符合所述步骤s1中的所述孔径设计值要求的所述目标孔。
8.进一步地，在所述步骤s2中，各所述试验样板的所述第二厚度值的最大值是所述第一厚度值的最大值的1.2倍，所述第二厚度值的最小值是所述第一厚度值的最小值的0.8倍。
9.进一步地，在所述步骤s4中，所述超快激光基于扫描振镜装置对各所述试验样板进行加工，且采用ccd图像传感器对所述超快激光首次穿透各所述试验样板进行识别并记录所述首次穿透时间。
10.进一步地，所述扫描振镜装置包括沿所述超快激光的传输光路依次布置有光学镜片、扫描振镜和聚焦镜，所述光学镜片用于将所述超快激光反射至所述扫描振镜，所述扫描振镜用于将所述超快激光反射至所述聚焦镜上，所述聚焦镜用于聚焦所述超快激光并作用于所述试验样板上且用于透射所述试验样板在所述超快激光加工过程中形成的可见光至所述扫描振镜，所述扫描振镜用于反射所述可见光至所述光学镜片，所述ccd图像传感器设于所述光学镜片的一侧用于采集所述光学镜片透射的可见光所产生的图像。
11.进一步地，所述步骤s9中的超快激光在进行二次加工前的工艺参数与所述步骤s4中的超快激光加工所述目标孔采用的工艺参数相同。
12.进一步地，所述超快激光的运动路径在步骤s4与步骤s9中为待加工的所述目标孔
区域上的多个同心圆。
13.进一步地，所述步骤s1中的所述目标孔的参数信息的获取为根据所述待加工零件的设计图或三维设计数模来确定所述目标孔的参数信息并确定该位置处的所述第一厚度值。
14.(3)有益效果
15.综上，本发明通过预先获取待加工零件上所有目标孔在不同位置处的多种参数信息，该参数信息包括倾斜角度值、孔径设计值以及目标孔所在位置处的第一厚度值，并根据第一厚度值来选择已知第二厚度值的试验样板，再根据第二厚度值与倾斜角度值计算出目标孔的孔深度值，利用超快激光对各试验样板进行加工获取首次穿透该试验样板的首次穿透时间，并构建首次穿透时间与该孔深度值具有数学对应关系的第一数据库以及根据孔深度值构建孔深度值与二次加工的工艺参数具有数学对应关系的第二数据库，使得对未知第一厚度的待加工零件进行加工时，通过获取目标孔的首次穿透时间，再利用第一数据库以及第二数据库中的数学对应关系选取对应的二次加工的工艺参数对首次穿透的目标孔继续加工得到符合该孔径设计值要求的目标孔，不仅有效控制了因待加工零件的加工误差而导致实际厚度与设计理论厚度发生偏差而造成孔径偏差的发生，还提高了目标孔孔径的一致性和加工精度。
16.本发明通过采用脉冲宽度为皮秒与飞秒的超快激光，用于提高制孔的精确性，即同样工艺条件(如加工方式、工艺参数等)以及同样工件状态下(如相同材料等)超快激光穿透相同厚度的材料具有更确定的时间周期，相应识别准确性、精度更高。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明的激光加工方法的工艺流程图。
19.图2是本发明的超快激光运动路径的示意图。
20.图3是本发明的超快激光的垂直入射加工的原理示意图。
21.图4是本发明双层平板试验件的结构示意图。
22.图5是本发明扫描振镜装置的工作原理图。
23.图中：
24.1-扫描振镜；2-光学镜片；3-ccd图像传感器；4-聚焦镜；5-平板试验件；6-防护材料。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
27.图1是本发明实施例的一种发明的激光加工方法的工艺流程图，如图1至图5所示，该用于提高孔径精度的激光加工方法，适用于在实际厚度与理论设计厚度存在偏差待加工零件上加工小孔，该小孔为航空发动机叶片气膜孔，包括步骤如下：步骤s1：获取待加工零件上所有目标孔所在不同位置处的参数信息，该参数信息包括倾斜角度值(该倾斜角度值为该目标孔孔轴线与待加工零件的表面切向所形成的夹角大小)、孔径设计值(该孔径设计值为该实际需要在待加工零件上已经确定的目标孔孔径大小)以及目标孔所在位置处的第一厚度值(该第一厚度值为根据目标孔设计的孔深度而确定的理论厚度值)，该目标孔的参数信息的获取为根据待加工零件的设计图或三维设计模型确定该目标孔的位置，并根据目标孔的参数信息，即倾斜角度值和孔深度值确定该位置处的第一厚度值，也可以根据待加工零件的相应设计说明或设计数据信息，这些数据信息包括该目标孔所在位置处第一厚度值以及倾斜角度值和孔径设计值；步骤s2：根据步骤s1中的第一厚度值中的最大值与最小值确定试验样板的第二厚度值范围，即各个试验样板的具体第二厚度值为已知的，且各试验样板5的第二厚度值中的最大值大于第一厚度值的最大值，以及各试验样板5的第二厚度值中的最小厚度值小于第一厚度值的最小值，各试验样板5的其它第二厚度值在最大值和最小值之间呈阶梯分布且相邻两个第二厚度值的差值不大于0.1mm。步骤s3：根据目标孔的倾斜角度值以及试验样板的第二厚度值计算出目标孔的孔深度值，该孔深度值根据三角函数数学公式已知倾斜角度值与第二厚度值计算得到，由于倾斜角度值与第二厚度值具有多个，则计算出来的孔深度值对应也有多个；步骤s4：采用超快激光在各试验样板5上进行所有目标孔加工(该超快激光的加工方式为现有技术中的填充加工方式)，直至检测到超快激光首次穿透试验样板5时立即停止加工并记录首次穿透时间，该超快激光采用脉冲宽度为飞秒或皮秒的激光；步骤s5：构建第一数据库，用于建立首次穿透时间与目标孔的孔深度值、倾斜角度值以及孔径设计值的数学对应关系；步骤s6：采用超快激光二次加工步骤s4中已被超快激光首次穿透的各试验样板5上的目标孔，通过工艺试验(该工艺试验为采用超快激光根据首次加工试验样板5的工艺参数经过多次调整反复试验得到最终符合要求的孔径设计值的加工过程)，获得合适的工艺参数，满足步骤s1中孔径设计值要求的目标孔，保存该工艺参数；步骤s7：构建第二数据库，用于建立目标孔的孔深度值、倾斜角度值、孔径设计值与步骤s6中的工艺参数的数学对应关系；步骤s8：将第一数据库与第二数据库写入用于加工待加工零件的超快激光加工设备的控制器内；步骤s9：采用步骤s4中的超快激光对未知第一厚度值的待加工零件进行目标孔的加工，其中根据目标孔的参数信息可以先确定该目标孔的孔径设计值以及倾斜角度值，即在正式加工未知第一厚度值(具体为待加工零件上与理论设计厚度因加工导致偏差的实际厚度)的待加工零件之前，预先确定待加工零件上的目标孔的孔径设计值和倾斜角度值，进而选择与步骤s4中超快激光加工目标孔采用的相同的工艺参数，即激光参数、喷嘴尺寸、透镜焦距等以及同轴辅助吹气喷嘴出口处激光实际功率、运动路径、扫描速度、焦点位置、辅助吹气种类、压力、喷嘴出口端与工件间距、激光与喷嘴出口的相对位置等均相同；步骤s10：检测到超快激光首次穿透待加工零件后获得首次穿透时间；步骤s11：控制器根据第一数据库内的数学对应关系得到目标孔的孔深度值，再根据得到的孔深度值基于第二数据库内的数学对应关系得到二次加工所需的工艺参数；
步骤s12：采用超快激光基于步骤s11的工艺参数对已被超快激光首次穿透的待加工零件上的目标孔进行二次加工，最终得到符合步骤s1中的孔径设计值要求的目标孔。需要说明的是，若该待加工零件具有空腔结构，比如叶片，则在构建试验样板5时会采用两块上下布置结构的双层结构，并在该双层结构之间填充防护材料(如图4所示)，该双层结构的上、下平板的厚度值均为试验样板5的第二厚度值。
28.通过预先获取待加工零件上所有目标孔在不同位置处的多种参数信息，该参数信息包括倾斜角度值、孔径设计值以及目标孔所在位置处的第一厚度值，并根据第一厚度值来选择已知第二厚度值的试验样板，再根据第二厚度值与倾斜角度值计算出目标孔的孔深度值，利用超快激光对各试验样板进行加工获取首次穿透该试验样板的首次穿透时间，并构建首次穿透时间与该孔深度值具有数学对应关系的第一数据库以及根据孔深度值构建孔深度值与二次加工的工艺参数具有数学对应关系的第二数据库，使得对未知第一厚度的待加工零件进行加工时，通过获取目标孔的首次穿透时间，再利用第一数据库以及第二数据库中的数学对应关系选取对应的二次加工的工艺参数对首次穿透的目标孔继续加工得到符合该孔径设计值要求的目标孔，不仅有效控制了孔径偏差的发生，还提高了孔径的一致性和加工精度。
29.作为另一种优选实施方式，如图1所示，在步骤s2中，各试验样板5的第二厚度值中的最大值为第一厚度值的最大值的1.2倍，各试验样板5的第二厚度值中的最小厚度值为第一厚度值的最小值的0.8倍，根据倾斜角度值以及第一厚度值预估在试验样板5上加工目标孔的最大孔深度，考虑到试验样板5的余量设计要求，通过将各试验样板5的第二厚度值设计与其对应的第一厚度值存在差值，保障在试验样板5上能够模拟出待加工零件上目标孔的孔深度值要求，避免后续构建孔深度值与首次穿透时间的数据库中的数据存在失真而导致目标孔加工错误的风险，用于确保第一数据库之间各数值参数(倾斜角度值、孔径设计值、孔深度值以及第二厚度值)对应关系的精准性。
30.作为其他可选实施方式。
31.优选地，如图1至图5所示，优选地，步骤s4中还包括超快激光以其运动路径即进行加工所需的移动轨迹对各试验样板5进行目标孔的加工，若目标孔的倾斜角度值为0
°
，该超快激光的传输方向以垂直于试验样板5的表面切线方向对试验样板5进行加工；若目标孔的倾斜角度值为大于0
°
小于90
°
，超快激光的传输方向与试验样板5的表面切线所在的平面呈一定大小的夹角对试验样板5进行目标孔的加工，无论目标孔的倾斜角度值大小如何，该超快激光对试验样板5的加工方式均是采用现有技术中的填充加工方式对各批次的试验样板5进行目标孔的加工，且每批次加工试验样板5时均保持倾斜角度值与孔径设计值一致，用于获取不同第二厚度值的试验样板5上的采用相同倾斜角度值与孔径设计值下的不同首次穿透时间，从而构建不同孔深度值与对应首次穿透时间的第一数据库中数据对应关系的精准性，例如第一次在第一批次的所有试验样板5上均加工出倾斜角度为30
°
且孔径为400μm的目标孔；第二次在第二批次的所有试验样板5上均加工出倾斜角度为45
°
且孔径为400μm的目标孔；第三次在第三批次的所有试验样板5上均加工出倾斜角度为40
°
且孔径为400μm的目标孔，同时每次加工时均设置足够的加工时长用于确保针对加工不同倾斜角度值和孔径设计值的目标孔时下均能够穿透所有试验样板5。
32.优选地，如图5所示，在步骤s4中，超快激光基于扫描振镜装置对各试验样板5进行
加工，且采用ccd图像传感器3对超快激光首次穿透各试验样板5进行识别并记录该首次穿透时间。具体而言采用ccd图像传感器3识别各试验样板5被该超快激光首次穿透后控制超快激光停止加工，并自动记录从超快激光开始启动至停止的时间为该首次穿透时间，通过ccd图像传感器3采集激光加工该目标孔的孔区域内可见的彩色图像数字信号，并通过图像特征的变化，包括图像颜色变化、变化范围、变化程度等特征变化判断目标孔是否首次穿透。
33.优选地，如图2所示，超快激光的运动路径为设于各试验样板5上待加工的目标孔孔径区域上的多个同心圆，其中直径最大的圆的直径在采用扫描振镜装置进行加工时通常大于或等于目标孔孔径设计值。
34.为了进一步说明本发明的第一数据库中孔深度值与首次穿透时间的数学对应关系，如图1至图5所示，调整激光加工设备上的激光发生器(图中未示出)的激光输出功率为41.5w(为激光输出通道喷嘴出口处的激光输出功率)以及同轴辅助吹气压力为0.4mpa，偏焦-1mm，激光输出通道喷嘴出口位置距离试验样板5的距离为4mm，再设定超快激光的运动路径，如图2所示，以o点为圆心以r为最大半径即200μm，该同心圆间隔50μm，即4个同心圆，采用如图5的扫描振镜装置传输超快激光l并驱动整个超快激光l与扫描振镜装置同步旋转对该试验样板5进行0
°
孔加工(如图3所示)，设定扫描速度427mm/s，直至超快激光l首次穿透该试验样板5被ccd图像传感器识别后停止加工，可以获得垂直穿透不同第二厚度的试验样板5与循环扫描次数(即可以换算成首次穿透时间)的数学对应关系，如表1所示，
35.表1孔深度与首次穿透用循环次数对应关系表
36.孔深度(mm)首次穿透用循环次数13301.24501.46301.57001.8850210002.211002.513502.81850325003.229503.53600
37.将超快激光的传输方向调整为与试验样板5的表面切线所在的平面呈一定大小的夹角(即目标孔的倾斜角度值)对试验样板5进行目标孔的填充加工，设定旋转速度427mm/s，直至超快激光l首次穿透该试验样板5被ccd图像传感器识别后停止加工，可以获得不同倾斜角度入射穿透不同第二厚度的试验样板5与首次穿透时间的数学对应关系，如表2所示，
38.表2孔深度、倾斜角度与首次穿透时间对应关系表
[0039][0040][0041]
不同孔深度值的首次穿透时间范围明显存在差异，可见本发明通过测量孔首次穿透时间判断孔深度的方法并进而实现提高待加工零件上的目标孔孔径的一致性是可行的。
[0042]
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
[0043]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。