一种内孔的激光抛光方法和内孔的激光抛光装置

1.本发明涉及激光抛光技术领域，尤其涉及一种内孔的激光抛光方法和激光抛光装置。


背景技术：

2.孔类零件如轴承、阀门、缸套等内壁均有抛光需求，抛光质量直接影响零件的使用性能，实际工业生产这些孔类零件结构存在阶梯状、y形孔、内壁起伏等复杂结构特点。
3.现有内孔抛光的方法主要包括机械抛光、磨粒流抛光和激光抛光。机械抛光采用抛光轮或抛光头置入内孔，并与内壁直接接触，通过旋转零件或抛光轮，实现对内壁进行打磨抛光；磨粒流抛光利用两个相对的磨料缸挤压磨料，使磨料在内孔来回挤压流动，利用磨料摩擦内壁表面实现研磨抛光；激光抛光利用聚焦激光束对金属材料的粗糙表面进行重熔，熔融金属流动，实现平滑抛光处理。
4.其中，机械抛光调节适应性差，不同内径的零件需匹配不同的抛光轮或抛光头，另外，抛光轮在使用过程中有损耗，需要经常更换，同时磨损的抛光轮会影响抛光效果；磨粒流抛光必须使待抛光零件或者内孔形成通道才能抛光，对于盲孔结构的内孔零件无法抛光；另外，磨料也是耗材，循环数次后需更换，抛光成本高；激光抛光受限于光路，多用于工件外表面抛光，现有技术中公开了一种激光抛光装置及抛光方法，参见cn201811043552.5，其中具体公开了将所述第一光束、第二光束和第三光束投射到待加工元件，在待加工元件上形成第一光束对应的预热光斑、第二光束对应的抛光光斑以及第三光束对应的退火光斑对待加工元件进行抛光处理，该装置并未涉及激光抛光装置对于内孔的抛光问题，且该装置更不具备调节功能，来适应不同内壁情况的内孔的加工，所以目前对于内孔激光抛光，尤其是复杂内孔的激光抛光，仍然难以实现精密激光抛光处理；同时对于不规则内孔激光抛光的适应性问题也难以解决。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种内孔的激光抛光方法和激光抛光装置，可以实现对复杂形状内孔的抛光处理，尤其对阶梯孔、y型孔和起伏内壁特征的抛光处理，提升激光抛光的适应性和抛光质量。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种内孔的激光抛光方法，包括如下步骤：
8.s1、工作端进入内孔；
9.s2、测量内孔的内径，并使工作端调整到内孔的轴心线上；
10.s3、调整激光发射器的高度，使能够发射激光束的激光发射器所发射的激光束焦点位于内孔的内壁上；
11.s4、工作端发射的激光束对内孔旋转抛光；
12.s5、工作端沿着内孔深度方向移动，并重复s2-s4；
13.s6、工作端到达内孔的另一端时，工作端退出内孔。
14.作为一种激光抛光方法的优选方案，
15.在步骤s1之前还包括s01，其中步骤s01：
16.确定待抛光零件所有内孔的抛光轨迹；
17.在步骤s6后还包括s61,其中步骤s61：
18.根据步骤s01的抛光轨迹，对剩余内孔依次重复执行步骤s1-s6。
19.一种内孔的激光抛光装置，基于上述任一项技术方案中所述的内孔的激光抛光方法，包括：
20.激光光路组件，用以产生和发射激光束；
21.测量组件，用以测量内孔的内径；
22.聚焦组件，设于所述激光光路组件的光路下游，包括聚焦透镜和高度调整组件，所述高度调整组件与所述聚焦透镜连接，能根据测量组件所得的所述内孔的内径，来调节所述聚焦透镜的高度；
23.反射镜组件，设于所述聚焦组件的光路下游，包括反射镜和转动组件，所述反射镜与所述转动组件连接，所述转动组件能使所述反射镜转动。
24.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述高度调整组件包括内螺纹调节筒和外螺纹调节筒，所述内螺纹调节筒和所述外螺纹调节筒螺接配合，所述聚焦透镜设于所述外螺纹调节筒内。
25.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述高度调整组件还包括第一驱动件，所述第一驱动件的输出端设有第一带轮，所述内螺纹调节筒上套设有第二带轮，所述第一带轮和所述第二带轮之间通过第一同步带传动连接。
26.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述高度调整组件还包括安装压环，所述安装压环设于所述外螺纹调节筒内部，所述聚焦透镜设于所述安装压环内。
27.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述内螺纹调节筒远离所述第一驱动件的一端设有隔离镜片，所述隔离镜片用以密封所述聚焦透镜。
28.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述转动组件包括第一套筒和第二驱动件，所述第一套筒一端与所述第二驱动件的输出端连接，所述第二驱动件能驱动所述第一套筒转动，所述第一套筒的另一端与所述反射镜连接。
29.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述转动组件还包括第三带轮和第四带轮，所述第三带轮与所述第二驱动件的所述输出端连接，所述第四带轮套设在所述第一套筒上，所述第三带轮与所述第四带轮通过第二同步带传动连接。
30.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述转动组件还包括安装座，所述反射镜设于所述安装座上，所述安装座与所述第一套筒远离所述第二驱动件一端相连接。
31.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述激光光路组件包括激光器和激光头，所述激光器与所述激光头通过光纤连接，所述激光器用于产生所述激光束，所述激光头用于发射所述激光束。
32.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述激光光路组件还包括准直模块，所述准直模块与所述激光头连接，用以准直所述激光束。
33.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述激光光路组件还包括光束衰减
器，所述光束衰减器与分束镜连接，所述分束镜能使所述激光束位于所述转动组件的旋转中心。
34.作为一种内孔的激光抛光装置的优选方案，所述测量组件还包括发射头，所述发射头能发射测量光束，所述测量光束能透过所述分束镜，并通过所述测量光束测量所述内孔的内径。
35.有益效果：
36.在本发明中，通过测量内孔的内径，并使工作端调整到内孔的轴心线上，再通过调整激光发射器的高度，准确调整激光束焦点位于内孔的内壁上，工作端发射的激光束对内孔旋转抛光，实现了对复杂形状内孔的实时测量调整，尤其对阶梯孔、y型孔和起伏内壁特征的抛光处理，保证抛光效率，提升激光抛光工艺的适应性和抛光质量，。
37.本发明还涉及一种基于上述内孔的激光抛光方法的激光抛光装置，本装置通过激光光路组件产生并发射激光束，通过测量组件测量内孔的内径，高度调整组件能根据测量组件所得的内孔的内径，来调节聚焦透镜的高度，使激光束焦点能够始终保持在内孔的内壁上，通过转动组件使反射镜转动，完成内孔内壁的周向扫描激光抛光过程。通过本装置能实现对复杂形状内孔的抛光处理，尤其对阶梯孔、y型孔和起伏内壁特征的抛光处理，无需更换工作端，只需要上下调节聚焦透镜位置，使激光焦点位于内孔的内壁表面，提升了该装置的适应性，另外,内径测量和抛光过程同步处理，根据实际的内径测量值，实时调整聚焦透镜的轴向位置，确保了激光焦点能始终位于内孔的内壁表面，不会受到内孔加工误差和内壁起伏形貌的影响。
附图说明
38.图1是本发明实施例提供的激光抛光方法的流程图
39.图2是本发明实施例提供的内孔的激光抛光装置的剖视图；
40.图3是本发明实施例提供的内孔的激光抛光装置的轴测图；
41.图4是本发明实施例提供的高度调整组件的爆炸示意图；
42.图5是本发明实施例提供的反射镜组件的结构示意图；
43.图6是本发明实施例提供的激光光路组件的结构示意图；
44.图中：
45.100、激光光路组件；111、激光器；112、光纤；113、激光头；114、准直模块；115、光束衰减器；
46.200、测量组件；210、分束镜；220、发射头；
47.300、聚焦组件；310、聚焦透镜；320、高度调整组件；321、内螺纹调节筒；322、外螺纹调节筒；323、第一驱动件；324、第一带轮；325、第二带轮；326、第一同步带；327、安装压环；328、隔离镜片；329、第一轴承；3210、连接座；3211、第一驱动座；
48.400、反射镜组件；410、反射镜；420、转动组件；421、第一套筒；422、第二驱动件；423、第三带轮；424、第四带轮；425、第二同步带；426、安装座；427、安装板；428、第二驱动座；429、第二轴承；4210、连接环；4211、第二套筒；4212、底板。
具体实施方式
49.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
50.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
52.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
53.请参阅附图1，在本实施例中，内孔的激光抛光方法包括如下步骤：
54.s1、工作端进入内孔；
55.s2、测量内孔的内径，并使工作端调整到内孔的轴心线上；
56.s3、调整激光发射器的高度，使能够发射激光束的激光发射器所发射的激光束焦点位于内孔的内壁上；
57.s4、工作端发射的激光束对内孔旋转抛光；
58.s5、工作端沿着内孔深度方向移动，并重复s2-s4；
59.s6、工作端到达内孔的另一端时，工作端退出内孔。
60.通过测量内孔的内径，并使工作端调整到内孔的轴心线上，再通过调整激光发射器的高度，准确调整激光束焦点位于内孔的内壁上，工作端发射的激光束对内孔旋转抛光，实现了对复杂形状内孔的实时测量调整，尤其对阶梯孔、y型孔和起伏内壁特征的抛光处理，保证抛光效率，提升激光抛光工艺的适应性和抛光质量，。
61.可选地，在步骤s1之前还包括s01，其中步骤s01：确定待抛光零件所有内孔的抛光轨迹；
62.在步骤s6后还包括s61,其中步骤s61：根据步骤s01的抛光轨迹，对剩余内孔依次重复执行步骤s1-s6。
63.为了对同一零件的多个内孔进行连续加工，可以通过读取零件的三维模型结构，从而确定该零件上内孔数量以及所有的内孔内壁抛光轨迹，并在对一内孔完成抛光操作后，按照既定的控制程序，调整工作端进入零件的其他内孔，重复步骤s1-s6，继续完成整个零件其它内孔的抛光处理。
64.本实施例还涉及一种内孔的激光抛光装置(以下简称“装置”)，请参阅附图2和附图3，该装置包括激光光路组件100、测量组件200、聚焦组件300和反射镜组件400，其中，激光光路组件100用以产生和发射激光束；测量组件200用以测量所述内孔的内径；聚焦组件300设于激光光路组件100的光路下游，包括聚焦透镜310和高度调整组件320，高度调整组件320与聚焦透镜310连接，能根据测量组件200所得的内孔的内径，来调节聚焦透镜310的高度；反射镜组件400设于聚焦组件300的光路下游，包括反射镜410和转动组件420，反射镜410与转动组件420连接，转动组件420能使反射镜410转动。本装置通过激光光路组件100产生并发射激光束，通过测量组件200测量内孔的内径，高度调整组件320能根据测量组件200所得的内孔的内径，来调节聚焦透镜310的高度，使激光束焦点能够始终保持在内孔的内壁上，通过转动组件420使反射镜410转动，完成内孔内壁的周向激光扫描抛光过程。
65.通过本装置能实现对复杂形状内孔的抛光处理，尤其对阶梯孔、y型孔和起伏内壁特征的抛光处理，无需更换工作端，只需要上下调节聚焦透镜310位置，使激光焦点位于内孔的内壁表面，提升了该装置的适应性；另外内径测量和抛光过程同步处理，根据实际的内径测量值，实时调整聚焦透镜310的轴向位置，确保了激光焦点能始终位于内孔的内壁表面，不会受到内孔加工误差和内壁起伏形貌的影响。
66.请进一步参阅附图2-附图4，高度调整组件320包括内螺纹调节筒321和外螺纹调节筒322，内螺纹调节筒321和外螺纹调节筒322螺接配合，聚焦透镜310设于外螺纹调节筒322内。通过内螺纹调节筒321和外螺纹调节筒322之间的螺纹连接，能使外螺纹调节筒322相对于内螺纹调节筒321随着两者之间的转动进行高度调节，进而实现设于外螺纹调节筒322内的聚焦透镜310的高度可调，周向调节结构简单，调整方便。本领域的技术人员能够理解，通过优化内外螺纹的加工精度和配合精度能实现对聚焦透镜310高度的精准调节，保证了通过聚焦透镜310的激光束的焦点准确地落入内孔的内壁上，提升装置的加工精度和效率。
67.在本实施例中，高度调整组件320还包括第一驱动件323，第一驱动323的输出端设有第一带轮324，内螺纹调节筒321上套设有第二带轮325，第一带轮324和第二带轮325之间通过第一同步带326传动连接。
68.可选地，第一带轮324和第二带轮325上设有轮齿，能与第一同步带326的内齿面传动配合；当然，第一带轮324和第二带轮325也可通过摩擦柱面与第一同步带326的内摩擦面传动连接；甚至可以在满足传动空间的条件下，取消第一同步带326，使第一带轮324和第二带轮325直接传动配合。本领域的技术人员应能理解只要保证第一驱动件323能够驱动第二带轮325，进而实现内螺纹调节筒321转动即可，此处对于中间传动机构的具体种类不再扩展赘述。
69.在本实施例中，高度调整组件320还包括第一轴承329和连接座3210，请参阅附图4，连接座3210与第一轴承329的外圈固定连接，第一轴承3210的内圈与第二带轮325固定连接。
70.可选地，第一驱动件323为电机。
71.请继续参阅附图4，在本实施例中，高度调整组件320还包括第一驱动座3211，第一驱动座3211呈“z”字形，其一端固定，另一端开设有安装孔，用以与第一驱动件323固定连接，保证连接稳定。
72.可选地，高度调整组件320还包括安装压环327，安装压环327设于外螺纹调节筒322内部，聚焦透镜320设于安装压环327内。具体地，安装压环327固定在外螺纹调节筒322，安装压环327能与外螺纹调节筒322同步转动和高度调节。
73.作为优选，内螺纹调节筒321远离第一驱动件323的一端设有隔离镜片328，隔离镜片328用以密封聚焦透镜310，由于聚焦透镜310设于外螺纹调节筒322的内部空腔，随着外螺纹调节筒322与内螺纹调节筒321之间的相对运动，灰尘极易进入外螺纹调节筒322的内部空腔，并吸附在聚焦透镜310的表面，随着灰尘不断积累，当激光束通过聚焦透镜310时，在聚焦透镜310会局部发热，将使聚焦透镜310的光学机构受损，影响本装置的寿命。
74.在本实施例中，转动组件420包括第一套筒421和第二驱动件422，第一套筒421一端与第二驱动件422的输出端连接，第二驱动件422能驱动第一套筒421转动，第一套筒421的另一端与反射镜410连接。反射镜410与第一套筒421连接，当第二驱动件422驱动第一套筒421转动时，反射镜410也做周向旋转运动。
75.作为优选，第二驱动件422为电机。
76.请进一步参阅附图2、附图3和附图5，在本实施例中，转动组件420还包括第三带轮423和第四带轮424，第三带轮423与第二驱动件422的输出端连接，第四带轮424套设在第一套筒421上，第三带轮423与第四带轮424通过第二同步带425传动连接。
77.可选地，第三带轮423和第四带轮424上设有轮齿，能与第二同步带425的内齿面传动配合；当然，第三带轮423和第四带轮424也可通过摩擦柱面与第二同步带425的内摩擦面传动连接；甚至可以在满足传动空间的条件下，取消第二同步带425，使第三带轮423和第四带轮424直接传动配合。本领域的技术人员应能理解只要保证第二驱动件422能够驱动第三带轮423，进而实现第一套筒421转动即可，此处对于中间传动机构的具体种类不再扩展赘述。
78.可选地，转动组件420还包括安装座426，反射镜410设于安装座426上，安装座426与第一套筒421远离第二驱动件422一端相连接。安装座426能够调整反射镜410相对于水平面之间的夹角且使反射镜410固定，在本实施例中，激光束，由聚焦透镜310聚焦后，到达反射镜410的镜面，通过调整反射镜410的镜面角度，能够调整激光束的出射方向。作为优选，为了保证激光束到达内孔的内壁为垂直入射，且保证装置的工作端周向转动一周后，激光束的焦点始终在内孔的内壁上，反射镜410的镜面与水平面之间的夹角为45
°
。
79.请继续参阅附图2和附图5，在本实施例中，转动组件420还包括安装板427和第二驱动座428，具体地，第二驱动座428呈“z”字形，其一端固定在安装板427上，另一端与第二驱动件422固定连接。
80.可选地，第一驱动座3211一端固定在安装板427远离第二驱动座428的一端。
81.请继续参阅附图5，在本实施例中，转动组件420还包括第二轴承429和连接环4210。第二轴承429外圈通过安装孔安装在安装板427的底部，第一套筒421在远离反射镜410的一端设有端面法兰，连接环4210呈阶梯环状，一侧为大直径端，另一侧为小直径端，其中大直径端与第一套筒421的端面法兰连接，小直径端与轴承内圈固定连接，其中小直径端开设有键槽，通过键槽与第四带轮424键连接。通过上述连接关系，能够实现第四带轮424转动，带动连接环4210转动，并进一步带动第一套筒421转动。
82.请继续参阅附图5，在本实施例中，转动组件420还包括第二套筒4211和底板4212，
第二套筒4211一端与第一套筒421的底部连接，反射镜410和安装座426设于第二套筒4211内部，第二套筒4211的底部连接有底板4212，底板用于密封反射镜410，阻挡灰尘进入；另外，在第二套筒4211的侧壁上，设置有工作端，该工作端与反射镜410的位置相匹配，保证了激光束经过反射镜410后通过工作端聚焦到内孔的内壁上。
83.请参阅附图6，在本实施例中，激光光路组件100包括激光器111和激光头113，激光器111与激光头113通过光纤112连接，激光器111用于产生激光束，激光头113用于发射激光束。
84.可选地，激光光路组件100还包括准直模块114，准直模块114与激光头113连接，用以准直激光束。
85.可选地，激光光路组件100还包括光束衰减器115，光束衰减器115与分束镜210连接，分束镜210能使激光束位于转动组件420的旋转中心。
86.请再次参阅附图2，测量组件200还包括发射头220，发射头220能发射测量光束，测量光束能透过分束镜210，并通过测量光束测量内孔的内径。在本实施例中，分束镜210具有两个作用，其一，完成入射激光束的反射，当激光光路组件100发射的初始激光束到达分束镜210后，通过分束镜210的反射作用，使激光束沿着预设光路反射到达聚焦透镜310，并进一步到达反射镜410，通过反射镜410进入工作端，并聚焦到内孔的内壁上；其二，完成测量光束的透射，由发射头220发射的测量光束，通过分束镜210的投射作用，使测量光束通过聚焦透镜310，达到反射镜410，并通过工作端到达内孔的内壁。
87.本领域的技术人员也能理解，通过设置测距装置，并将测距装置安装在与反射镜同步转动的位置，同样可实现上述功能，此举无需安装发射头220并发射测量光束，示例性地，测距装置安装在第二套筒4211上。
88.本装置的工作原理：首先可通过机械臂引导激光抛光装置的工作端悬伸入待加工的内孔，完成内孔的粗定位过程；通过测量组件200发射测量光束，并通过聚焦透镜310到达反射镜410，在由反射镜410通过工作端到达内孔的内壁，转动组件420带动反射镜410转动，使测量光束扫描内孔一周，测量内壁形貌，并根据内径的测量值，微调工作端的位置，使工作端置于内孔轴心线的位置；根据所得的内径测量值调节聚焦透镜410轴向高度，将内壁表面置于聚焦透镜410焦点位置，此时激光抛光工作面位于内壁表面；根据内孔的内壁抛光扫描轨迹，工作端沿着内孔轴心线向着内孔的另一端运动，反射镜410旋转运动，使工作端按照内壁抛光扫描轨迹运动，进行抛光处理，抛光过程中，测量组件200实时测量抛光中心点的内壁距离，根据测量值，调节聚焦透镜310位置，确保抛光全过程激光焦点的工作面始终位于内壁表面。
89.需要说明的是，可以针对于不同待抛光零件的材料，配置不同波长和脉宽的激光器，如波长为1064nm的连续光纤激光和纳秒脉冲光纤激光可抛光金属材料的内孔结构；10.6μm的二氧化碳连续激光和354nm的紫外皮秒激光可抛光玻璃材料。
90.本装置抛光过程与内径测量同步处理，根据实际内径值实时调整聚焦透镜310轴向位置，确保激光焦点始终位于内壁表面，不受内孔加工误差和内壁起伏形貌影响；可实现异形多孔零件的抛光；根据内孔的内径值调节透镜轴向位置，实现不同孔径的内孔的抛光，对于不同孔径的内孔，无需更换抛光头，只需沿轴向上下调节聚焦透镜310的位置即可。
91.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对
本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。