專利名稱：噴射液束電解－激光復(fù)合加工方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加工細(xì)小孔、縫、槽等結(jié)構(gòu)的方法，尤其涉及一種利用電解和激光的復(fù)合加工方法，同時(shí)涉及一種該方法專用的加工裝置。
背景技術(shù)：
電解加工、激光加工是上世紀(jì)五、六十年代才開始發(fā)展起來的加工工藝，由于其各具不同的優(yōu)越性而得到了飛速發(fā)展，在航空航天、武器裝備、汽車、電子、船舶等制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。兩者對于上述領(lǐng)域中廣泛存在的尺寸在0.25mm～1.5mm的細(xì)小孔、縫、槽的加工具有各自鮮明的特點(diǎn)。激光加工是一種高能束流加工方法，它以光量子為能量載體，利用聚焦后光的高能量密度產(chǎn)生的光熱效應(yīng)來去除材料，具有加工速度快、加工精度高(可至微米級)、無切削力、無需加工工具等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)加工過程的自動化、數(shù)字化。但激光加工后工件表面存在再鑄層、殘余應(yīng)力和微裂紋等缺陷而影響工件的疲勞強(qiáng)度，例如在現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)上，其渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、燃燒室等高溫工作零件上，一般都設(shè)計(jì)有幾十個(gè)到數(shù)萬個(gè)直徑在0.25mm～1.25mm的氣膜冷卻孔，在機(jī)械沖擊載荷、熱沖擊載荷工作條件下激光加工后的表面缺陷會嚴(yán)重影響零件使用的安全可靠性，因而限制了激光加工在航空航天等高可靠性制造中的應(yīng)用。上述細(xì)小孔的電解加工方法主要采用型管電解加工和電液束加工。電液束加工是利用陰極充電電解液噴射到工件表面，在噴射點(diǎn)上產(chǎn)生陽極溶解而去除材料，該工藝技術(shù)具有可達(dá)性好、表面完整性好、深徑比大的特點(diǎn)，是公認(rèn)的“三無”(無再鑄層、無殘余應(yīng)力、無微裂紋)加工技術(shù)。美、俄、英、德等國家已成熟應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)葉片的小孔加工。我國于上世紀(jì)70年代開展了電液束加工的試驗(yàn)研究，并在90年代成功加工出“三無”群孔葉片，但其加工速度遠(yuǎn)不及激光加工，加工過程也不如激光加工那樣穩(wěn)定。
目前國內(nèi)外研究的減薄、消除激光加工再鑄層的技術(shù)措施包括后續(xù)光整加工、輔助氣體噴射、水射流引導(dǎo)激光加工、化學(xué)輔助激光加工、超聲輔助激光加工、零件局部預(yù)熱等，但這些技術(shù)還沒有能夠比較成功地實(shí)現(xiàn)在線消除再鑄層、熱應(yīng)力、微裂紋問題。近期發(fā)展的高能密度、超短脈沖激光加工，如飛秒激光加工，已經(jīng)可以成功實(shí)現(xiàn)“三無”加工，但受技術(shù)難度、激光器功率、壽命、加工成本的制約，目前還只處于試驗(yàn)室研究階段，還只是在微納加工領(lǐng)域顯示其應(yīng)用前景。因此研究在激光加工過程就能夠在線減薄再鑄層、殘余應(yīng)力、微裂紋，探索工程實(shí)用的優(yōu)質(zhì)高效加工技術(shù)途徑，很有必要。
在綜合分析以上介紹的背景技術(shù)基礎(chǔ)上，借鑒水射流引導(dǎo)激光加工和電液束小孔加工技術(shù)原理，創(chuàng)新提出了噴射液束電解—激光復(fù)合加工工藝技術(shù)并發(fā)明設(shè)計(jì)了相應(yīng)裝置，保證在激光加工過程、與激光束同軸噴射充電“陰極化”的電解液束，實(shí)現(xiàn)以激光加工為主的噴射液束電解—激光復(fù)合加工。既有高效率的電解—激光復(fù)合加工；又有電解液束高速噴射及激光—噴射液束電解復(fù)合加工作用，可以在線去除再鑄層；對解決航空航天、武器裝備、汽車、電子、船舶等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛存在的尺寸在0.25mm～1.5mm之間的細(xì)小孔、縫、槽等結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)高效加工具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種可以加工細(xì)小孔、縫、槽等結(jié)構(gòu)，并可消除再鑄層、無殘余應(yīng)力、無微裂紋、效率高的方法，同時(shí)提供了該方法專用的加工裝置。
2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的方法是利用激光發(fā)生裝置產(chǎn)生激光束在工件上進(jìn)行孔的加工，同時(shí)，噴射液束裝置產(chǎn)生與激光束同軸的高速噴射液束，激光束在噴射液束的引導(dǎo)下去除材料，噴射液束對激光加工區(qū)進(jìn)行冷卻、沖刷的同時(shí)，還進(jìn)行電化學(xué)陽極溶解，可以有效減薄再鑄層至0.01mm以下，甚至完全消除。
本方法中使用的噴射液為中性鹽水溶液或者超純水；所述的超純水為去離子水或者蒸餾水；中性鹽水溶液為低濃度中性鹽水溶液，濃度為3％-15％。
本發(fā)明的裝置包括激光器和工件安裝夾具，還包括電源和噴射液束裝置，其中，噴射液束裝置包括噴射裝置安裝座、絕緣轉(zhuǎn)接座、陰極、聚焦透鏡、防護(hù)鏡、絕緣外套和噴嘴，噴射裝置安裝座分別與激光器及絕緣轉(zhuǎn)接座連接；陰極與絕緣轉(zhuǎn)接座連接，陰極中空部分形成噴射液束腔體，陰極與激光器產(chǎn)生的激光束同軸安裝；聚焦透鏡與防護(hù)鏡分別固定在絕緣轉(zhuǎn)接座的上下兩端面上；陰極外設(shè)有絕緣外套，噴嘴固定于絕緣外套的下端，并且位于絕緣外套的下端的中間位置，激光器產(chǎn)生的激光束通過噴嘴；電源的正極與工件連接使其帶有正電，負(fù)極與陰極連接使噴射液束帶負(fù)電。
電源可以為直流電源或者直流脈沖電源。
本裝置還包括電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)，該電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括溢流調(diào)壓閥、輸液泵、球閥、進(jìn)液接頭、工作箱、回液管和電解液槽，噴射液束裝置置于工作箱內(nèi)，進(jìn)液接頭與噴射液束裝置中陰極中空部分形成的噴射液束腔體連接，電解液槽中的電解液依次經(jīng)過輸液泵和球閥，從進(jìn)液接頭進(jìn)入噴射液束腔體，再從噴嘴噴出，然后流入工作箱底部經(jīng)由回液管回流至電解液槽；溢流調(diào)壓閥設(shè)于球閥與電解液槽之間，調(diào)節(jié)電解液的噴射速度。
本裝置還包括過濾器，設(shè)于輸液泵與電解液槽之間，用于過濾電解液中的雜質(zhì)。
電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)中設(shè)有液壓表；在噴射液束電解電流回路中，安裝有測量電解加工電壓、電流的電壓表和電流表。
本發(fā)明的方法中，將噴射液束電解與激光加工進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了一種優(yōu)質(zhì)高效又無表面缺陷的加工方法，用于解決航空航天、武器裝備、汽車、電子裝備中大量存在的、尺寸在0.25mm～1.5mm之間的細(xì)小孔、縫、槽等結(jié)構(gòu)的加工難題。
本發(fā)明的加工裝置，將工件接直流電源或直流脈沖電源的正極，與激光束同軸安裝的陰極絕緣外套接電源負(fù)極，使噴射液束充電“陰極化”且與激光束同軸以一定速度噴射，激光在噴射液束的引導(dǎo)下高效去除材料，同時(shí)噴射液束對激光加工區(qū)進(jìn)行的冷卻、沖刷作用，以及被“陰極化”的噴射液束在激光加工區(qū)局部高溫下的電化學(xué)陽極溶解作用，可以將激光加工過程所產(chǎn)生的再鑄層“在線”減薄至0.01mm以下、甚至完全消除，得到加工表面無再鑄層、無殘余應(yīng)力、無微裂紋的“三無”加工效果。
3、有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)本發(fā)明的方法以激光加工為主，在激光加工的基礎(chǔ)上增加了高速噴射液束的沖刷、冷卻以及在激光輻照條件下的噴射液束電解的復(fù)合加工作用，從而可以實(shí)現(xiàn)在激光加工過程中“在線”去除再鑄層；復(fù)合加工機(jī)理以激光的光熱效應(yīng)去除材料為主，而激光聚焦后的高溫又增強(qiáng)、促進(jìn)了電解作用，使得工件電解液束噴射點(diǎn)的陽極溶解更為集中有效；同時(shí)也使得噴嘴到工件間的電解液束輝光放電更為強(qiáng)烈；如此，噴射液束電解加工不僅可以輔助激光加工去除材料，而且更重要的是可以迅速去除激光加工時(shí)所產(chǎn)生的再鑄層；另外噴射液束的冷卻作用還可以消除熱影響，減少激光加工材料熔滴在加工區(qū)的再沉積；而高速沖刷也能帶走熔滴，可以有效阻止再鑄層的生成。本發(fā)明中去除材料以激光加工作用為主，而充電“陰極化”噴射液束的電解作用以去除再鑄層，消除殘余應(yīng)力及微裂紋為主。依據(jù)一般電解加工和電液束小孔加工原理和經(jīng)驗(yàn)，選擇低濃度中性鹽水溶液、或者超純水、如去離子水、蒸餾水作為電解液，對于減輕或消除電解液對精密零件和設(shè)備的腐蝕、污染具有重要意義；(2)本發(fā)明的裝置保證了充電電解液束與激光束同軸噴射，且電解液束噴射點(diǎn)與激光束聚焦點(diǎn)在工件表面打孔位置重合，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)噴射液束中的激光加工和激光束照射下的噴射液束電解加工，如此復(fù)合加工作用，既優(yōu)化表面質(zhì)量，又提高加工效率，綜合達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。(3)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝、檢修。
四

附圖是本發(fā)明的噴射液束電解—激光復(fù)合加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中標(biāo)號名稱1、直流電源或直流脈沖電源，2、激光器，3、噴射裝置安裝座，4、聚焦透鏡，5、絕緣轉(zhuǎn)接座，6、防護(hù)鏡，7、絕緣外套，8、工作箱，9、陰極，10、陰極絕緣套，11、噴嘴，12、工件安裝夾具，13、工件，14、工作臺，15、回液管，16、電解液槽，17、過濾器，18、溢流調(diào)壓閥，19、輸液泵，20、球閥，21、液壓表，22、進(jìn)液接頭，23、噴射液束裝置五具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)施例為噴射液束電解—激光復(fù)合加工方法，首先是利用激光發(fā)生裝置產(chǎn)生激光束在工件上進(jìn)行孔的加工，同時(shí)，利用噴射液束裝置產(chǎn)生與激光束同軸的高速噴射液束，激光束在噴射液束的引導(dǎo)下去除材料，噴射液束對激光加工區(qū)進(jìn)行冷卻、沖刷的同時(shí)，還進(jìn)行電化學(xué)陽極溶解，可以有效減薄再鑄層至0.01mm以下，甚至完全消除。
所述的噴射液為超純水，也可以采用中性鹽水溶液；所述的超純水為去離子水或者蒸餾水；中性鹽水溶液為低濃度中性鹽水溶液，濃度為3％-15％。
實(shí)施例2本實(shí)施例為噴射液束電解—激光復(fù)合加工裝置，包括激光器2和工件安裝夾具12，還包括直流電源1和噴射液束裝置23，其中，噴射液束裝置23包括噴射裝置安裝座3、絕緣轉(zhuǎn)接座5、陰極9、聚焦透鏡4、防護(hù)鏡6、絕緣外套7和噴嘴11，噴射裝置安裝座3分別與激光器2及絕緣轉(zhuǎn)接座5連接；陰極9與絕緣轉(zhuǎn)接座5連接，陰極9中空部分形成噴射液束腔體，陰極9與激光器2產(chǎn)生的激光束同軸安裝；聚焦透鏡4與防護(hù)鏡6分別固定在絕緣轉(zhuǎn)接座5的上下兩端面上；陰極9外設(shè)有絕緣外套7，噴嘴11固定于絕緣外套7的下端，激光器2產(chǎn)生的激光束通過噴嘴11；直流電源1的正極與工件連接使其帶有正電，負(fù)極與陰極9連接使噴射液束帶負(fù)電。
本實(shí)施例還包括電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)，該電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括溢流調(diào)壓閥18、輸液泵19、球閥20、進(jìn)液接頭22、工作箱8、回液管15和電解液槽16，噴射液束裝置23置于工作箱8內(nèi)，進(jìn)液接頭22與噴射液束裝置23中陰極9中空部分形成的噴射液束腔體連接，電解液槽16中的電解液依次經(jīng)過輸液泵19和球閥20，從進(jìn)液接頭22進(jìn)入噴射液束腔體，再從噴嘴11噴出，然后流入工作箱8底部經(jīng)由回液管15回流至電解液槽16；溢流調(diào)壓閥18設(shè)于球閥20與電解液槽16之間，調(diào)節(jié)電解液束的噴射速度。
本實(shí)施例還包括過濾器17，設(shè)于輸液泵19與電解液槽16之間，用于過濾電解液中的雜質(zhì)。
電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)中設(shè)有液壓表21；在噴射液束電解電流回路中，安裝有測量電解加工電壓、電流的電壓表和電流表。
實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)基本相同，電源1為直流脈沖電源。
實(shí)施例2和實(shí)施例3的裝置工作時(shí)，先將夾具12通過導(dǎo)電塊接電源1的正極而使工件13帶正電，與激光束同軸安裝的陰極9接電源1的負(fù)極，使噴射液束充電“陰極化”且與激光束同軸以一定速度噴射，噴射速度可通過溢流調(diào)壓閥18進(jìn)行調(diào)節(jié)；激光器2發(fā)出激光由聚焦透鏡4聚焦于工件表面加工位置進(jìn)行激光打孔加工，同時(shí)噴射液束對激光加工區(qū)進(jìn)行的冷卻和沖刷作用，以及被“陰極化”的噴射電解液束在激光加工區(qū)局部高溫條件下使工件發(fā)生的電解作用，可以將激光加工過程所產(chǎn)生的再鑄層“在線”減薄至0.01mm以下、甚至完全消除，得到加工表面無再鑄層、無殘余應(yīng)力、無微裂紋的“三無”加工效果。具體實(shí)施過程如下(1)光路檢測啟動并調(diào)整激光器2發(fā)出可視白熾光，通過白熾光的觀察確認(rèn)光路順暢、聚焦透鏡4、防護(hù)鏡6位置正常；(2)將工件13定位將工件13通過夾具12固定于工作臺14上，通過調(diào)整工作臺14的位置(X，Y，Z三個(gè)方向)，將工件待加工區(qū)置于激光聚焦點(diǎn)；(3)電路檢測將電源1的正、負(fù)極通過導(dǎo)線分別與夾具12和陰極9連接，用儀表檢測電路，檢查正極與工件13是否相通，負(fù)極與陰極9是否相通，極性不能接反，兩極也不能短路相通；(4)循環(huán)流動電解液確認(rèn)管道流暢、球閥閥門位置正確無誤后，開啟輸液泵19，則電解液依次流過過濾器17、輸液泵19、球閥20，從進(jìn)液接頭22進(jìn)入電液束腔體，從噴嘴11的小孔高速噴射出，噴射點(diǎn)與激光聚焦點(diǎn)重合，然后流入工作箱8底部經(jīng)由回液管15回流至電解液槽16；(5)啟動調(diào)整激光器2發(fā)出激光，同時(shí)開啟電源1，進(jìn)行噴射液束電解—激光復(fù)合加工。通過電流表、液壓表21的讀數(shù)得到電解電流和輸液壓力的大小；通過調(diào)節(jié)加工電源輸出電壓(調(diào)節(jié)范圍20～80V)控制加工過程中的電解電流；通過溢流調(diào)壓閥18調(diào)節(jié)電解液輸液壓力(調(diào)節(jié)范圍0.3～0.5MPa)而調(diào)節(jié)電解液束的噴射速度。
權(quán)利要求
1.一種噴射液束電解-激光復(fù)合加工方法，利用激光發(fā)生裝置產(chǎn)生激光束在工件上進(jìn)行孔、縫、槽的加工，其特征在于，同時(shí)，噴射液束裝置產(chǎn)生與激光束同軸的高速噴射液束，激光束在噴射液束的引導(dǎo)下去除材料，噴射液束對激光加工區(qū)進(jìn)行冷卻、沖刷和電化學(xué)陽極溶解。
2.如權(quán)利要求1所述的噴射液束電解-激光復(fù)合加工方法，其特征在于，噴射液為中性鹽水溶液或者超純水。
3.如權(quán)利要求2所述的噴射液束電解-激光復(fù)合加工方法，其特征在于，所述的超純水為去離子水或者蒸餾水。
4.如權(quán)利要求2所述的噴射液束電解-激光復(fù)合加工方法，其特征在于，中性鹽水溶液為低濃度中性鹽水溶液，濃度為3％-15％。
5.一種噴射液束電解-激光復(fù)合加工裝置，包括激光器(2)和工件安裝夾具(12)，其特征在于，還包括電源(1)和噴射液束裝置(23)，其中，噴射液束裝置(23)包括噴射裝置安裝座(3)、絕緣轉(zhuǎn)接座(5)、陰極(9)、聚焦透鏡(4)、防護(hù)鏡(6)、絕緣外套(7)和噴嘴(11)，噴射裝置安裝座(3)分別與激光器(2)及絕緣轉(zhuǎn)接座(5)連接；陰極(9)與絕緣轉(zhuǎn)接座(5)連接，陰極(9)中空部分形成噴射液束腔體，陰極(9)與激光器(2)產(chǎn)生的激光束同軸安裝；聚焦透鏡(4)與防護(hù)鏡(6)分別固定在絕緣轉(zhuǎn)接座(5)的上下兩端面上；陰極(9)外設(shè)有絕緣外套(7)，噴嘴(11)固定于絕緣外套(7)的下端；電源(1)的正極與工件連接使其帶有正電，負(fù)極與陰極(9)連接使噴射液束帶負(fù)電。
6.如權(quán)利要求5所述的噴射液束電解-激光復(fù)合加工裝置，其特征在于，電源(1)為直流電源或者直流脈沖電源。
7.如權(quán)利要求5或6所述的噴射液束電解-激光復(fù)合加工裝置，其特征在于，還包括電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)，該電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括溢流調(diào)壓閥(18)、輸液泵(19)、球閥(20)、進(jìn)液接頭(22)、工作箱(8)、回液管(15)和電解液槽(16)，噴射液束裝置(23)置于工作箱(8)內(nèi)，進(jìn)液接頭(22)與噴射液束裝置(23)中陰極(9)中空部分形成的噴射液束腔體連接，電解液槽(16)中的電解液依次經(jīng)過輸液泵(19)和球閥(20)，從進(jìn)液接頭(22)進(jìn)入噴射液束腔體，從噴嘴(11)噴出，然后流入工作箱(8)底部經(jīng)由回液管(15)回流至電解液槽(16)；溢流調(diào)壓閥(18)設(shè)于球閥(20)與電解液槽(16)之間，調(diào)節(jié)電解液束的噴射速度。
8.如權(quán)利要求5或6所述的噴射液束電解—激光復(fù)合加工裝置，其特征在于，還包括過濾器(17)，設(shè)于輸液泵(19)與電解液槽(16)之間。
9.如權(quán)利要求5或6所述的噴射液束電解—激光復(fù)合加工裝置，其特征在于，電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)中設(shè)有液壓表(21)。
10.如權(quán)利要求5或6所述的噴射液束電解—激光復(fù)合加工裝置，其特征在于，在噴射液束電解電流回路中，安裝有測量電解加工電壓、電流的電壓表和電流表。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種噴射液束電解—激光復(fù)合加工方法及其裝置，其方法是利用激光發(fā)生裝置產(chǎn)生激光束在工件上進(jìn)行孔、縫、槽的加工，同時(shí)，噴射液束裝置產(chǎn)生與激光束同軸的高速噴射液束去除材料；其裝置包括激光器和工件安裝夾具，還包括電源和噴射液束裝置，噴射液束裝置包括噴射裝置安裝座、絕緣轉(zhuǎn)接座、陰極、聚焦透鏡、防護(hù)鏡、絕緣外套和噴嘴。本發(fā)明的方法以激光加工為主，在激光加工的基礎(chǔ)上增加了高速噴射液束的沖刷、冷卻以及在激光輻照條件下的噴射液束電解的復(fù)合加工作用，從而可以實(shí)現(xiàn)在激光加工過程中“在線”去除再鑄層；其裝置保證了充電電解液束與激光束同軸噴射，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)噴射液束中的激光加工和激光束照射下的噴射液束電解加工。
文檔編號B23K26/00GK1919514SQ20061004159
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者徐家文, 趙建社, 張華 , 袁立新 申請人:南京航空航天大學(xué)