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的細小孔、縫、槽的加工具有各自鮮明的特點。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，易于實現(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度，例如在現(xiàn)代航空發(fā)動機上，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)計有幾十個到數(shù)萬個直徑在0.25mm～1.25mm的氣膜冷卻孔，在機械沖擊載荷、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，在噴射點上產(chǎn)生陽極溶解而去除材料，該工藝技術(shù)具有可達性好、表面完整性好、深徑比大的特點，是公認的“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)動機葉片的小孔加工。我國于上世紀70年代開展了電液束加工的試驗研究，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，同時提供了該方法專用的加工裝置。
2、技術(shù)方案為了達到上述的發(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行孔的加工，同時，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)進行冷卻、沖刷的同時，還進行電化學(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，負極與陰極連接使噴射液束帶負電。
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，從進液接頭進入噴射液束腔體，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行復(fù)合，實現(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，同時噴射液束對激光加工區(qū)進行的冷卻、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，從而可以實現(xiàn)在激光加工過程中“在線”去除再鑄層；復(fù)合加工機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、促進了電解作用，使得工件電解液束噴射點的陽極溶解更為集中有效；同時也使得噴嘴到工件間的電解液束輝光放電更為強烈；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，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，且電解液束噴射點與激光束聚焦點在工件表面打孔位置重合，可以同時實現(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，綜合達到優(yōu)質(zhì)、高效的技術(shù)經(jīng)濟效果。(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、進液接頭，23、噴射液束裝置五具體實施方式
實施例1本實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行孔的加工，同時，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)進行冷卻、沖刷的同時，還進行電化學(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％。
實施例2本實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，負極與陰極9連接使噴射液束帶負電。
本實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，從進液接頭22進入噴射液束腔體，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。
實施例3本實施例與實施例2的結(jié)構(gòu)基本相同，電源1為直流脈沖電源。
實施例2和實施例3的裝置工作時，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行激光打孔加工，同時噴射液束對激光加工區(qū)進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光路順暢、聚焦透鏡4、防護鏡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三個方向)，將工件待加工區(qū)置于激光聚焦點；(3)電路檢測將電源1的正、負極通過導(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，從進液接頭22進入電液束腔體，從噴嘴11的小孔高速噴射出，噴射點與激光聚焦點重合，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，同時開啟電源1，進行噴射液束電解—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?。煌ㄟ^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行孔、縫、槽的加工，其特征在于，同時，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，負極與陰極(9)連接使噴射液束帶負電。
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)，從進液接頭(22)進入噴射液束腔體，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行孔、縫、槽的加工，同時，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，可同時實現(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)