一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置及方法。為了解決現(xiàn)有技術(shù)難以高效加工出無缺陷的微小孔的問題，本裝置包括設(shè)置有工件夾具的機床底座，以及垂直設(shè)置在機床底座上的機床立柱，工件夾具上方設(shè)置有固定在機床立柱上的通過轉(zhuǎn)換電機帶動的電解加工陰極噴嘴和激光器發(fā)射頭，電解加工陰極噴嘴和激光器發(fā)射頭軸線共面設(shè)置，通過轉(zhuǎn)換電機轉(zhuǎn)換，整合激光加工高效率和電解加工質(zhì)量好的優(yōu)點，實現(xiàn)了微小群孔的高質(zhì)量高效加工。
【專利說明】—種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無重鑄層微小孔的加工裝置及方法，具體涉及一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，精密器械產(chǎn)品和航空工業(yè)中微小群孔結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，使得微小孔加工技術(shù)引起了國內(nèi)外科學(xué)界和工程界的普遍關(guān)注。微小孔加工方法分為三大類:機械加工、特種加工以及復(fù)合加工。機械加工主要包括機械鉆孔、機械沖孔；特種加工主要包括激光加工、電火花加工、電解加工、超聲加工、電子束加工、離子束加工等。
[0003]對于某些具有特殊技術(shù)要求的微小孔或者采用高溫合金等難加工材料制造的零件上的微小孔，如航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜冷卻孔，其孔徑大致在0.3-1.5mm范圍內(nèi)，承受著很大的熱負荷和機械負荷，傳統(tǒng)的機械加工方法顯然難于滿足要求。而幾種特種加工方式都各有其優(yōu)勢和局限性，激光加工是典型的熱加工過程，其加工速度快，材料適用范圍廣，但是極易在工件表面形成重鑄層和微裂紋，嚴重影響零件的使用壽命和性能，因而限制了激光加工技術(shù)在航空航天等高可靠性制造中的應(yīng)用；電火花加工效率較激光加工低，且同樣存在重鑄層；電解加工利用陽極電化學(xué)溶解原理對材料進行蝕除，該技術(shù)具有不受材料力學(xué)性能、機械性能限制，零件表面加工質(zhì)量好，無重鑄層和殘余應(yīng)力，無熱影響區(qū)，工具陰極無損耗等優(yōu)點，但加工效率遠低于電火花加工和激光加工技術(shù)。
[0004]目前，去除激光、電火花加工微小孔重鑄層的通用方法是采用磨料流工藝，磨料流加工是利用一種含磨料的半流動狀態(tài)的粘彈性磨料介質(zhì)，在一定壓力下強迫在被加工表面上流過，由磨料顆粒的刮削作用去除工件表面微觀不平材料的工藝方法。該方法可以獲得較好的表面質(zhì)量，但死角難以去除，且對重鑄層的去除不夠均勻。近來，也有人提出采用特定的化學(xué)溶液對工件進行腐蝕去除重鑄層，這種方法是基于重鑄層和基體材料由于組織和成分的差異對化學(xué)溶液具有不同的耐蝕性原理，具有去除重鑄層均勻、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，但是通用性差，而且可能會對工件重要部位有一定程度的損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置及方法，能夠整合激光加工高效率和電解加工質(zhì)量好的優(yōu)點，實現(xiàn)了微小群孔的高質(zhì)量高效加工。
[0006]為了達到上述目的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置包括設(shè)置有工件夾具的機床底座，以及垂直設(shè)置在機床底座上的機床立柱，工件夾具上方設(shè)置有固定在機床立柱上的通過轉(zhuǎn)換電機帶動的電解加工系統(tǒng)和激光器系統(tǒng)；
[0007]所述電解加工系統(tǒng)包括與轉(zhuǎn)換電機連接并具有工具陰極的陰極噴嘴，以及與陰極噴嘴相連的電解液循環(huán)系統(tǒng)和供電回路，供電回路的正極連接工件夾具，負極連接工具陰極；[0008]所述激光器系統(tǒng)包括Nd:YAG毫秒脈沖激光器、與Nd:YAG毫秒脈沖激光器相連的冷水機，以及與轉(zhuǎn)換電機相連的激光器發(fā)射頭，NdiYAG毫秒脈沖激光器和轉(zhuǎn)換電機連接計算機。
[0009]所述工件夾具下設(shè)置有Y軸工作臺，y軸工作臺下設(shè)置有X軸工作臺，X軸工作臺的一側(cè)設(shè)置有定位板，轉(zhuǎn)換電機通過z軸工作臺固定在機床立柱上,z軸工作臺連接有z軸伺服電機；所述X軸工作臺、y軸工作臺和z軸工作臺均連接計算機。
[0010]所述陰極噴嘴包括頂套、連接板、鉆夾頭后軸、鉆夾頭、內(nèi)導(dǎo)流套、外導(dǎo)流套和工具陰極；
[0011]所述連接板通過兩個對稱布置的直角連接塊連接在z軸工作臺上，陰極噴嘴頂端設(shè)置具有中心孔的頂套，鉆夾頭后軸和頂套通過中心孔連接固定；連接板下端設(shè)置具有空腔的內(nèi)導(dǎo)流套，內(nèi)導(dǎo)流套下端同軸連接有外導(dǎo)流套，內(nèi)導(dǎo)流套和外導(dǎo)流套的間隙形成了電解液流道，流道呈收斂狀，內(nèi)導(dǎo)流套的空腔中設(shè)置有鉆夾頭，工具陰極與鉆夾頭連接并伸到外導(dǎo)流套外，工具陰極的前端包裹絕緣導(dǎo)向套。
[0012]所述鉆夾頭與內(nèi)導(dǎo)流套間設(shè)置有第一密封圈，所述工具陰極與絕緣導(dǎo)向套間設(shè)置有第二密封圈。
[0013]所述工件夾具設(shè)置在工作箱內(nèi)，工作箱底部連接電解液循環(huán)系統(tǒng)，工作箱包括絕緣安裝臺，以及設(shè)置在絕緣安裝臺上的夾具安裝臺，工件夾具設(shè)置在夾具安裝臺上。
[0014]所述夾具安裝臺通過T型螺栓和法蘭面螺母固定在夾具安裝臺上。
[0015]所述工作箱的四周圍欄的材料采用有機玻璃。
[0016]所述工作箱具有環(huán)氧樹脂蓋，環(huán)氧樹脂蓋的上面和下面均設(shè)有導(dǎo)流槽，并設(shè)置有加工所需的相應(yīng)空間。
[0017]一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工方法，包括以下步驟:
[0018]步驟一:利用計算機設(shè)定脈沖激光參數(shù)，并編制相應(yīng)的運動程序，通過激光器開關(guān)的通斷控制激光加工過程和輔助運動過程，一次性在固定在工件夾具上的工件制備出若干預(yù)制孔；
[0019]步驟二:保持X軸工作臺和J軸工作臺位置不變，升起激光器發(fā)射頭，使轉(zhuǎn)換電機逆時針準確旋轉(zhuǎn)90度，將電解工具陰極切換到工作位置；
[0020]步驟三:開啟對刀電源，在工具陰極與工件陽極間施加I伏的對刀電壓，z軸工作臺緩慢進給，利用短路對刀法引導(dǎo)棒狀電極伸入預(yù)制孔中；
[0021]步驟四:在z軸工作臺的帶動下使工具陰極緩慢進給，使外導(dǎo)流套下端橡膠襯墊緊貼工件，啟動電解液循環(huán)系統(tǒng)，并將電源輸出電壓調(diào)整為加工電壓，開始重鑄層的去除工序，完成一個孔后，升起電解加工頭，逆向運行工作臺運動程序，對下一個孔的重鑄層進行去除。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置具有激光器系統(tǒng)和電解加工系統(tǒng)，整合了激光加工高效率和電解加工質(zhì)量好的優(yōu)點，可實現(xiàn)微小群孔的高質(zhì)量高效加工，且工序切換只需在z軸工作臺上調(diào)整，大幅減少了電解對刀的工作量。
[0023]進一步的，本發(fā)明一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置具有X軸工作臺、y軸工作臺和z軸工作臺，能夠通過計算機程序控制實現(xiàn)聯(lián)動。[0024]進一步的，本發(fā)明一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置具有有機玻璃的工作箱，便于觀察加工過程。
[0025]進一步的，本發(fā)明一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置的工作箱具有環(huán)氧樹脂蓋，防止電解過程中鹽霧飛濺。
[0026]本發(fā)明一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工方法充分發(fā)揮了激光加工高效率和電解加工無缺陷的優(yōu)點，利用激光加工技術(shù)快速形成預(yù)制孔，孔壁殘留的少許重鑄層和加工余量由電解方法去除，由于有預(yù)制孔，利用高壓環(huán)電極外沖液方式的電解加工去除預(yù)期厚度的重鑄層，并實現(xiàn)孔內(nèi)壁的拋光，使用這種加工方案的工具電極可以是實心的棒狀電極，故能獲得比中空管狀電極更小的電極尺寸，擴展了加工的孔徑范圍，電解加工工序去除的材料比較少，相比傳統(tǒng)的電解方法，復(fù)合加工可以取得接近激光加工的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明裝置的三維示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明裝置中陰極噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明裝置中工作腔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明激光快速形成孔形的示意圖；
[0031]圖5為本發(fā)明電解去除重鑄層和裂紋的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0033]參見圖1，一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置包括設(shè)置有工件夾具13的機床底座11，機床底座11上垂直設(shè)置有機床立柱17，工件夾具13下設(shè)置有y軸工作臺10，y軸工作臺10下設(shè)置有X軸工作臺9，X軸工作臺9的一側(cè)設(shè)置有定位板8，轉(zhuǎn)換電機2通過z軸工作臺16固定在機床立柱17上，z軸工作臺16連接有z軸伺服電機18，x軸工作臺9、y軸工作臺10和z軸工作臺16均連接計算機，工件夾具13上方設(shè)置有固定在機床立柱17上的通過轉(zhuǎn)換電機2轉(zhuǎn)換的電解加工系統(tǒng)和激光器系統(tǒng)；電解加工系統(tǒng)包括與轉(zhuǎn)換電機2連接并具有工具陰極14的陰極噴嘴，以及與陰極噴嘴相連的電解液循環(huán)系統(tǒng)和供電回路，供電回路的正極連接工件夾具13，負極連接工具陰極14。陰極噴嘴連接有進液管，進液管的另一端伸入電解液槽7中，進液管從入口到出口依次設(shè)置有過濾器6、耐蝕泵5、調(diào)壓閥4和流量計3，耐蝕泵5和調(diào)壓閥4間設(shè)置有伸入電解液槽7的溢流管，溢流管上設(shè)置有溢流閥，調(diào)節(jié)電解液在噴嘴處的流速；激光器系統(tǒng)包括Nd = YAG毫秒脈沖激光器、與Nd = YAG毫秒脈沖激光器相連的冷水機，以及與轉(zhuǎn)換電機2相連的激光器發(fā)射頭15，NdiYAG脈沖激光器所產(chǎn)生的毫秒脈沖激光由光纖引導(dǎo)進入激光器發(fā)射頭15，Nd:YAG脈沖激光器和轉(zhuǎn)換電機2連接計算機。
[0034]參見圖2，陰極噴嘴包括頂套27、連接板20、鉆夾頭后軸19、鉆夾頭22、內(nèi)導(dǎo)流套23、外導(dǎo)流套25和工具陰極14 ;連接板20通過兩個對稱布置的直角連接塊連接在z軸工作臺16上，陰極噴嘴頂端設(shè)置具有螺紋中心孔的頂套27，鉆夾頭后軸19和頂套27通過螺紋連接中心孔固定；連接板20下端通過定位槽固定具有空腔的內(nèi)導(dǎo)流套23，內(nèi)導(dǎo)流套23下端同軸連接有外導(dǎo)流套25，連接板20與頂套27以及內(nèi)導(dǎo)流套23均采用內(nèi)六角螺釘連接，并由相應(yīng)的定位凸臺和定位槽保證同軸度，內(nèi)導(dǎo)流套23和外導(dǎo)流套25的間隙形成了電解液流道，流道呈收斂狀，內(nèi)導(dǎo)流套23外圓柱面上加工出外螺紋，同軸連接著外導(dǎo)流套25，內(nèi)導(dǎo)流套23的空腔中設(shè)置有鉆夾頭22，工具陰極14與鉆夾頭22連接并伸到外導(dǎo)流套25外，工具陰極14的前端包裹絕緣導(dǎo)向套24，鉆夾頭22與內(nèi)導(dǎo)流套23間設(shè)置有三個第一密封圈21，所述工具陰極14與絕緣導(dǎo)向套24間設(shè)置有一個第二密封圈26。
[0035]內(nèi)導(dǎo)流套23和外導(dǎo)流套25的間隙形成了電解液流道，流道呈收斂狀，出口指向微細電極，實現(xiàn)了電解加工時的軸向沖液。這種沖液方式相比傳統(tǒng)的沖液方式(正流、反流、側(cè)流)，可避免工具電極的振動，同時帶走加工過程中的金屬離子和微小氣泡，顯著提高了加工過程的穩(wěn)定性。參見圖3，工件夾具13設(shè)置在四周圍欄采用有機玻璃制成的工作箱12內(nèi)，并具有環(huán)氧樹脂蓋28，環(huán)氧樹脂蓋28的上面和下面均設(shè)有導(dǎo)流槽，中心區(qū)域切割出復(fù)合加工所需的相應(yīng)空間，工作箱12整體置于安裝基座上，安裝基座中心開有通氣孔，便于裝配，工作箱12底部設(shè)置有連接電解液槽7的回液管，工作箱12包括絕緣安裝臺31，以及設(shè)置在絕緣安裝臺31上的夾具安裝臺30，工件夾具13設(shè)置在夾具安裝臺30上，夾具安裝臺30通過T型螺栓29和法蘭面螺母32固定在夾具安裝臺30上，工件夾具13上設(shè)置有引電螺釘33并連接供電回路I的正極，連接有機玻璃圍欄的硅橡膠有較好的彈性，箱蓋和箱體側(cè)壁有機玻璃圍欄采用過盈配合以增強密封效果。
[0036]參見圖1、圖4和圖5，一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工方法，包括以下步驟:
[0037]步驟一:在計算機上設(shè)定好所用脈沖激光的參數(shù)——峰值功率、脈寬、重復(fù)頻率、工作模式等，在專用軟件里編制工作臺的運動程序，之后啟動激光加工程序，程序會自動控制激光器開關(guān)的通斷，在需要去除材料的部位開啟開關(guān)，進行加工過程；從一個孔到下一個孔的輔助運動期間，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，在計算機的控制下，Nd =YAG大功率激光器可一次性制備出若干錐度較小的預(yù)制孔。
[0038]步驟二:保持工作臺位置不變，升起激光器發(fā)射頭，在程序中輸入指令，使轉(zhuǎn)換電機逆時針準確旋轉(zhuǎn)90度，將電解陰極噴嘴切換到工作位置。
[0039]步驟三:開啟對刀電源，在工具陰極與工件34陽極間施加I伏左右的對刀電壓，z軸緩慢進給，利用短路對刀法引導(dǎo)棒狀電極伸入預(yù)制孔中，當(dāng)觀察到電流有突變時，就表明工具電極與工件34接觸，發(fā)生了短路，這時就要回退電極，微調(diào)電極軸線與孔中心的相對位置,重新對刀。
[0040]工具電極伸入預(yù)制孔后，以微小步距調(diào)整工作臺在X方向位置，利用短路時的電流突變確定孔的一個邊界坐標(biāo)X1，然后反向調(diào)整工作臺的位置，確定孔的另一個邊界坐標(biāo)X2,則可確定其中心的X坐標(biāo)為X。= 1/2(x1+x2),同樣的方法得到中心的y坐標(biāo)yQ,保證工具電極的對中性。
[0041]步驟四:繼續(xù)使陰極噴嘴在z軸工作臺16的帶動下緩慢進給，使陰極噴嘴的外導(dǎo)流套25底端的橡膠襯墊緊貼工件34，實現(xiàn)自適應(yīng)密封啟動電解液循環(huán)系統(tǒng)，并將電源輸出電壓調(diào)整為加工電壓U，開始重鑄層的后處理工序，電解加工過程中，電解液由耐蝕泵5抽取，經(jīng)過濾器6、調(diào)壓閥4、流量計3等元件進入陰極噴嘴的流道中，沿著工具陰極14的外壁高速沖出，注入工具陰極14與圓孔壁的間隙中，帶走電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，及時更新加工區(qū)的電解液，完成一個孔后，升起電解加工頭，逆向運行工作臺運動程序，對下一個孔的重鑄層進行去除，預(yù)制孔的相對位置是由CAD程序決定的，故之后的電解后處理工序無需再進行繁瑣的對刀工作。
【權(quán)利要求】
1.一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:包括設(shè)置有工件夾具(13)的機床底座(11)，以及垂直設(shè)置在機床底座(11)上的機床立柱(17)，工件夾具(13)上方設(shè)置有固定在機床立柱(17)上的通過轉(zhuǎn)換電機(2)帶動的電解加工系統(tǒng)和激光器系統(tǒng)，所述電解加工系統(tǒng)包括與轉(zhuǎn)換電機(2)連接并具有工具陰極(14)的陰極噴嘴，以及與陰極噴嘴相連的電解液循環(huán)系統(tǒng)和供電回路，供電回路的正極連接工件夾具(13)，負極連接工具陰極(14)； 所述激光器系統(tǒng)包括Nd: YAG毫秒脈沖激光器、與Nd: YAG毫秒脈沖激光器相連的冷水機，以及與轉(zhuǎn)換電機⑵相連的激光器發(fā)射頭(15)，Nd: YAG毫秒脈沖激光器和轉(zhuǎn)換電機(2)連接計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述工件夾具(13)下設(shè)置有y軸工作臺(10)，y軸工作臺(10)下設(shè)置有X軸工作臺(9)，X軸工作臺(9)的一側(cè)設(shè)置有定位板(8)，轉(zhuǎn)換電機(2)通過z軸工作臺(16)固定在機床立柱(17)上，z軸工作臺(16)連接有z軸伺服電機(18)； 所述X軸工作臺(9)、y軸工作臺(10)和z軸工作臺(16)均連接計算機。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述陰極噴嘴包括頂套(27)、連接板(20)、鉆夾頭后軸(19)、鉆夾頭(22)、內(nèi)導(dǎo)流套(23)、外導(dǎo)流套(25)和工具陰極(14)； 所述連接板(20)通過兩個對稱布置的直角連接塊連接在z軸工作臺(16)上，陰極噴嘴頂端設(shè)置具有中心孔的頂套(27)，鉆夾頭后軸(19)和頂套(27)通過中心孔連接固定；連接板(20)下端設(shè)置具有空腔的內(nèi)導(dǎo)流套(23)，內(nèi)導(dǎo)流套(23)下端同軸連接有外導(dǎo)流套(25)， 內(nèi)導(dǎo)流套(23)和外導(dǎo)流套(25)的間隙形成了電解液流道，流道呈收斂狀，內(nèi)導(dǎo)流套(23)的空腔中設(shè)置有鉆夾頭(22)，工具陰極(14)與鉆夾頭(22)連接并伸到外導(dǎo)流套(25)外，工具陰極(14)的前端包裹絕緣導(dǎo)向套(24)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述鉆夾頭(22)與內(nèi)導(dǎo)流套(23)間設(shè)置有第一密封圈(21)，所述工具陰極(14)與絕緣導(dǎo)向套(24)間設(shè)置有第二密封圈(26)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述工件夾具(13)設(shè)置在工作箱(12)內(nèi)，工作箱(12)底部連接電解液循環(huán)系統(tǒng)，工作箱(12)包括絕緣安裝臺(31)，以及設(shè)置在絕緣安裝臺(31)上的夾具安裝臺(30)，工件夾具(13)設(shè)置在夾具安裝臺(30)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述夾具安裝臺(30)通過T型螺栓(29)和法蘭面螺母(32)固定在夾具安裝臺(30)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述工作箱(12)的四周圍欄的材料采用有機玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述工作箱(12)具有環(huán)氧樹脂蓋(28)，環(huán)氧樹脂蓋(28)的上面和下面均設(shè)有導(dǎo)流槽，并設(shè)置有加工所需的相應(yīng)空間。
9.一種無重鑄層微小孔的激光-電解復(fù)合加工方法，其特征在于:包括以下步驟:步驟一:利用計算機設(shè)定脈沖激光參數(shù)，并編制相應(yīng)的運動程序，通過激光器開關(guān)的通斷控制激光加工過程和輔助運動過程，一次性在固定在工件夾具(13)上的工件(34)制備出若干預(yù)制孔； 步驟二:保持X軸工作臺(9)和y軸工作臺(10)位置不變，升起激光器發(fā)射頭，使轉(zhuǎn)換電機(2)逆時針準確旋轉(zhuǎn)90度，將電解工具陰極(14)切換到工作位置； 步驟三:開啟對刀電源，在工具陰極與工件(34)陽極間施加I伏的對刀電壓，z軸工作臺(16)緩慢進給，利用短路對刀法引導(dǎo)棒狀電極伸入預(yù)制孔中； 步驟四:在z軸工作臺(16)的帶動下使工具陰極(14)緩慢進給，使外導(dǎo)流套(25)緊貼工件(34)，啟動電解液循環(huán)系統(tǒng)，并將電源輸出電壓調(diào)整為加工電壓，開始重鑄層的去除工序，完成一個孔后，升起電解加工頭，逆向運行工作臺運動程序，對下一個孔的重鑄層進行去除。
【文檔編號】B23H5/00GK104014880SQ201410219245
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】王恪典, 高偉芳, 段文強, 梅雪松, 凡正杰 申請人:西安交通大學(xué)