CN108535070A - 一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置及方法 - Google Patents

一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置及方法,涉及激光打孔领域,包括工作平台、磨抛盘、砂纸/抛光织物、样品、装夹头、压力传感器、移动轴、X轴移动组件、第一电机、Z轴移动组件、第二电机、计算机、入水管、入水管控制器、调速电机、出水管;该方法精准控制磨抛距离,获得微孔轴心处纵截面,通过调节磨抛时的压力,大大降低磨抛过程中微孔被堵住的概率,对实验微孔内壁质量、纵截面形貌、重铸层、热影响区等的表征更加准确,提高了实验研究的准确性和科学性,并可选择使用检测相机检测样品磨抛情况,且同样适用于实验中其他样品的磨抛,兼具目前市面上自动磨抛机的功能。

Description

一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置及方法
技术领域
本发明涉及激光打孔领域,尤其是一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置及方法。
背景技术
激光打孔是通过对激光束进行聚焦,使焦点位置的温度瞬间达到数千摄氏度,材料在这种高温的作用下会被迅速的熔化、汽化,汽化的金属带着熔融的金属喷射而出最后形成微孔。
激光打孔具有加工速度快、经济效益高、加工材料范围广、无污染等优点,尤其在航天航空工业的激光群孔加工中具有明显的优势。在将激光打孔技术应用到某一工业应用上时,必须对其进行大量的实验。为了更深入的对微孔质量进行表征分析,就必须将微孔剖开,对其内壁和截面质量进行研究。国内外研究学者一般采用磨抛的方法获得微孔截面,但大都并没有对磨抛方法进行详细介绍,且一般采用人工完成,很难磨抛出理想的界面孔,经常出现磨不平、磨过了的现象,几乎无法获得微孔轴心处纵截面,误差较大。采用市面上的自动磨抛机虽然可以获得质量较高的截面,但不是针对微孔磨制设计的,无法控制磨抛距离,在磨制微孔截面时,需要边磨边观察,以防残留物堵塞微孔和磨过,依然无法获得微孔轴心处纵截面。专利号为201710247113.5的中国专利《一种用于激光微孔制造的试样磨抛装置》提出了一种用于激光微孔制造的试样磨抛装置,结构简单轻便,磨抛头可根据需要进行更换,适用于任意普通磨抛机,适用面广节省了人力物力,极大地提高了实验效率。但依然无法对激光打孔微孔截面进行精准磨抛,较难获得微孔轴心处纵截面。
本发明很好地解决了上述问题,提供一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置及方法。可以精准控制磨抛距离,获得微孔轴心处纵截面,通过调节磨抛时的压力,大大降低磨抛过程中微孔被堵住的概率,对实验微孔内壁质量、纵截面形貌、重铸层、热影响区等的表征更加准确,提高了实验研究的准确性和科学性,并可选择使用检测相机检测样品磨抛情况。一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置同样适用于实验中其他样品表面的磨抛,兼具目前市面上自动磨抛机的功能。
发明内容
本发明为了解决目前激光打孔样品截面磨抛中微孔经常被堵住、微孔轴心处纵截面无法获得的问题,提供一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置及方法。
本发明为解决技术问题所提供的技术方案如下:
一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,包括工作平台、磨抛盘、压力传感器、移动轴、X轴移动组件、第一电机、Z轴移动组件、第二电机、计算机和调速电机;所述工作平台上设置有磨抛盘;工作平台的一侧垂直滑动设置有Z轴移动组件;在Z轴移动组件上,与Z轴移动组件垂直滑动设置有X轴移动组件;且X轴移动组件与工作平台平行;所述X轴移动组件上滑动设置有移动轴的一端;且该移动轴与Z轴移动组件平行;移动轴的另一端上安装有装夹头;所述X轴移动组件、Z轴移动组件分别与第一电机和第二电机连接;所述工作平台与调速电机连接;所述第一电机、第二电机和调速电机均与计算机连接。
进一步的,所述X轴移动组件的一端与Z轴移动组件滑动连接;移动轴的一端与X轴移动组件滑动连接。
进一步的,所述X轴移动组件、Z轴移动组件结构相同;均为滚柱丝杠副和滚动直线导轨结构。
进一步的,所述移动轴安装在X轴移动组件的滚动直线导轨的滑块座上;X轴移动组件整体安装在Z轴移动组件中滚动直线导轨的滑块座上;所述第一电机与第二电机与X轴移动组件及Z轴移动组件齿轮副连接。
进一步的,所述工作平台上方位置处设置有检测相机;所述计算机通过检测相机控制器来控制检测相机;所述检测相机用于精确检测样品的磨抛情况。
进一步的,所述装夹头夹持样品;且压力传感器置于样品的上方;所述压力传感器用于感应样品磨抛时的实时压力大小,并将压力值传输给计算机;所述磨抛盘上设置有砂纸和抛光织物;所述砂纸为粗砂或者金相砂纸,所述抛光织物用于样品抛光。
进一步的,所述工作平台上还设置有入水管和出水管;所述入水管与入水控制器连通。
基于一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置的方法,包括以下步骤:
步骤一:在样品边缘位置进行激光打孔,通过显微镜测量样品边缘到微孔圆心的直线距离Z0;
步骤二:打开激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,将样品安装在装夹头上,砂纸/抛光织物安装在磨抛盘上;
步骤三:在计算机上输入设定的压力值和磨抛量Zx,设定磨抛盘转速/入水量;
步骤四:进行样品磨抛,样品与砂纸/抛光织物接触,当压力达到计算机上设定压力值时,计算机记录此时的样品高度Z1,***自动将这一高度设定为Z轴0点位置,入水管出水,磨抛盘转动;在计算机的控制下,样品随着移动轴向下移动Zx,移动过程中保持压力值不变;磨抛结束,样品向上移动一段距离,到达样品清洗位置,入水管继续出水,对样品进行清洗;清洗结束后,入水管关闭,磨抛盘停止转动,样品继续向上移动到预设位置;
步骤五:更换砂纸/抛光织物,重复以上步骤三和步骤四,直至获得微孔轴线处纵截面,及总磨抛量达到Z0。
步骤五:卸下样品,并使用超声波清洗机对样品进行清洗;
步骤六:通过显微镜和其他表征设备经行观察测量,主要对微孔截面和内壁质量进行测量分析;
步骤七:再次使用超声波清洗机对加工后的样品进行清洗,然后对样品进行腐蚀,获得微孔纵截面的金相组织,并进行表征分析;主要对重铸层和热影响区进行研究分析;整理数据,对样品进行保存。
进一步的,所述步骤二中,样品安装时,样品安装时保证微孔轴线平行与磨抛盘平面;所述步骤三重复过程中,压力值设定原则为由大到小;磨抛量Zx设定原则为由大到小,总磨抛量为Z0;所述步骤四中样品清洗位置为方便对样品进行清洗的位置,所述预设位置为方便样品、砂纸/抛光织物安装,高度安全的位置。
进一步的,所述步骤五中,先使用砂纸后使用抛光织物;先使用粗砂,后使用金相砂纸,砂纸颗粒从粗到细,最终选择金相砂纸目数为1000﹟~1400﹟;抛光织物配合抛光剂进行使用,抛光剂使用原则为颗粒由粗到细,最终磨粒大小控制在0.25μm~0.5μm之间;压力值设定由大到小;所述步骤七中的表征设备为显微镜、激光共聚焦显微镜、三维轮廓仪、SEM扫描电镜、EDS能谱仪或者XRDX射线衍射仪。
本发明的有益效果是:
1.可以精准控制磨抛距离,获得微孔轴心处纵截面;可以设定不同步骤磨抛时的压力,大大降低磨抛过程中微孔被堵住的概率,对实验微孔内壁质量、纵截面形貌、重铸层、热影响区等的表征更加准确,提高了实验研究的准确性和科学性,并可选择使用检测相机检测样品磨抛情况。
2.一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置同样适用于实验中其他样品表面的磨抛,兼具目前市面上自动磨抛机的功能。本发明自动化程度较高,只需将工件定位好,通过计算机控制便可以实现自动化加工。
3.可以精准获得微孔轴心处的纵截面,且微孔直径越大,纵截面位置越准确。样品的磨抛压力可以进行设定,且磨抛过程中压力值保持不变,具体数值根据样品种类磨抛要求进行设定。
附图说明
图1为本发明涉及到的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置的示意图;
附图标记如下:
1.工作平台、2.磨抛盘、3.砂纸和抛光织物、4.样品、5.装夹头、6.压力传感器、7.移动轴、8.X轴移动组件、9.第一电机、10.Z轴移动组件、11.第二电机、12.计算机、13.入水管、14.入水管控制器、15.调速电机、16.检测相机控制器、17.出水管、18.检测相机。
具体实施方式
为对本发明做进一步的了解,先结合附图做如下描述:
实施例一:
一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,结合附图1所示,包括工作平台1、磨抛盘2、砂纸/抛光织物3、样品4、装夹头5、压力传感器6、移动轴7、X轴移动组件8、第一电机9、Z轴移动组件10、第二电机11、计算机12、入水管13、入水管控制器14、调速电机15、检测相机控制器16、出水管17、检测相机18等。所述样品4装夹在装夹头5上;压力传感器6安装在装夹头5和移动轴7之间;移动轴7与X轴移动组件8相连;步进电机19与X轴移动组件8相连;X轴移动组件8与Z轴移动组件10相连;第二电机11与Z轴移动组件10相连;Z轴移动组件10、磨抛盘2、入水管13、出水管17安装在工作平台1上;入水管13与入水管控制器14相连;调速电机15与磨抛盘2相连;砂纸和抛光织物3固定在磨抛盘2上;检测相机18与检测相机控制器16相连;步进电机19、第二电机11、入水管控制器14、调速电机15、检测相机控制器16与计算机12相连。
其中,所述X轴移动组件8、Z轴移动组件10采用滚柱丝杠副和滚动直线导轨;移动轴7安装在X轴移动组件8中滚动直线导轨的滑块座上;X轴移动组件8整体安装在Z轴移动组件10中滚动直线导轨的滑块座上。
所述步进电机19控制X轴移动组件8中滚动直线导轨的滑块座在X轴方向上移动,从而带动样品4在X轴方向上移动;所述第二电机11控制Z轴移动组件10中滚动直线导轨的滑块座在Z轴方向上移动,从而带动样品4在Z轴方向上移动。X轴/Z轴移动定位精度在微米级别,精度大于等于0.2μm。所述调速电机15控制磨抛盘2的转速,磨抛盘2的转速为无级可调,满足样品4磨制和抛光等对转速的不同要求。
其中,所述压力传感器6用于感应样品4磨抛时的实时压力大小,并将压力值传输给计算机12;所述入水管控制器14用于控制入水量大小;所述检测相机18用于精确检测样品4磨抛情况,具有观察与测量功能,可以测量样品4的磨抛余量,检测相机18为辅助装置,实际样品4磨抛中可以不使用;所述砂纸3为粗砂或金相砂纸,所述抛光织物3用于样品抛光。
一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样方法,可以精准获得微孔轴心处的纵截面,且微孔直径越大,纵截面位置越准确。当微孔直径为8μm时,X轴/Z轴移动定位精度大于等于0.2μm时,纵截面位置误差仍可控制在10%以内。样品的磨抛压力可以进行设定,且磨抛过程中压力值保持不变,具体数值根据样品种类磨抛要求进行设定。
一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样方法,包括以下步骤:
步骤一:在样品4边缘位置进行激光打孔,通过显微镜测量样品边缘到微孔圆心的直线距离Z0;
步骤二:打开装置,将样品安装在装夹头5上,砂纸和抛光织物3安装在磨抛盘2上;
步骤三:在计算机12上输入设定的压力值和磨抛量Zx,设定磨抛盘2转速/入水量;
步骤四:进行样品4磨抛,样品与砂纸/抛光织物3接触,当压力达到设定压力值时,计算机记录此时的样品高度Z1,***自动将这一高度设定为Z轴0点位置,入水管出水,磨抛盘2转动。在计算机12的控制下,样品4向下移动Zx,移动过程中保持压力值不变。磨抛结束,样品4向上移动一段距离,到达样品清洗位置,入水管13继续出水,对样品进行清洗。清洗结束后,入水管13关闭,磨抛盘2停止转动,样品继续向上移动到预设位置。
步骤四:更换砂纸/抛光织物3,重复以上步骤三和步骤四,直至获得微孔轴线处纵截面,及总磨抛量达到Z0。
步骤五:卸下样品,并使用超声波清洗机对样品进行清洗。
步骤六:通过显微镜等其他表征设备经行观察测量,主要对微孔截面和内壁质量进行测量分析;
步骤七:再次使用超声波清洗机对样品进行清洗,然后对样品进行腐蚀,获得微孔纵截面的金相组织,并进行表征分析。主要对重铸层和热影响区进行研究分析,整理数据,对样品进行保存。
其中,所述步骤二中样品安装时,样品安装时保证微孔轴线平行与磨抛盘平面;所述步骤三中重复过程中,压力值设定原则为由大到小;磨抛量Zx设定原则为由大到小,总磨抛量为Z0;所述步骤四中样品清洗位置为方便对样品进行清洗的位置,距离磨抛盘较近;所述预设位置为方便样品、砂纸/抛光织物安装,高度安全的位置。
一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样方法,所述步骤五中,更换砂纸/抛光织物3原则为,先使用砂纸后使用抛光织物;先使用粗砂,后使用金相砂纸,砂纸颗粒从粗到细,最终选择金相砂纸目数为1000﹟~1400﹟;抛光织物配合抛光剂进行使用,抛光剂使用原则为颗粒由粗到细,最终磨粒大小控制在0.25μm~0.5μm之间;压力值设定由大到小;
一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样方法,所述步骤七中的表征设备可以为显微镜、激光共聚焦显微镜、三维轮廓仪、SEM扫描电镜、EDS能谱仪、XRDX射线衍射仪等。可以对微孔内壁三维形貌、纵截面形貌、重铸层、热影响区等进行表征研究。
上述技术方案体现了本发明专利的优选方案,本技术领域的技术人员对部分功能进行修改体现本专利原理的,属于本专利保护范围之内。所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,其特征在于,包括工作平台(1)、磨抛盘(2)、压力传感器(6)、移动轴(7)、X轴移动组件(8)、第一电机(9)、Z轴移动组件(10)、第二电机(11)、计算机(12)和调速电机(15);所述工作平台(1)上设置有磨抛盘(2);工作平台(1)的一侧垂直滑动设置有Z轴移动组件(10);在Z轴移动组件(10)上,与Z轴移动组件(10)垂直滑动设置有X轴移动组件(8);且X轴移动组件(8)与工作平台(1)平行;所述X轴移动组件(8)上滑动设置有移动轴(7)的一端;且该移动轴(7)与Z轴移动组件(8)平行;移动轴(7)的另一端上安装有装夹头(5);所述X轴移动组件(8)、Z轴移动组件(10)分别与第一电机(9)和第二电机(11)连接;所述工作平台(1)与调速电机(15)连接;所述第一电机(9)、第二电机(11)和调速电机(15)均与计算机(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,其特征在于,所述X轴移动组件(8)的一端与Z轴移动组件(10)滑动连接;移动轴(7)的一端与X轴移动组件(8)滑动连接。
3.根据权利要求1所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,其特征在于,所述X轴移动组件(8)、Z轴移动组件(10)结构相同;均为滚柱丝杠副和滚动直线导轨结构。
4.根据权利要求3所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,其特征在于,所述移动轴(7)安装在X轴移动组件(8)的滚动直线导轨的滑块座上;X轴移动组件(8)整体安装在Z轴移动组件(10)中滚动直线导轨的滑块座上;所述第一电机(9)与第二电机(11)与X轴移动组件(8)及Z轴移动组件(10)齿轮副连接。
5.根据权利要求1所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,其特征在于,所述工作平台(1)上方位置处设置有检测相机(18);所述计算机(12)通过检测相机控制器(16)来控制检测相机(18);所述检测相机(18)用于精确检测样品(4)的磨抛情况。
6.根据权利要求1所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,其特征在于,所述装夹头(5)夹持样品(4);且压力传感器(6)置于样品(4)的上方;所述压力传感器(6)用于感应样品(4)磨抛时的实时压力大小,并将压力值传输给计算机(12);所述磨抛盘(2)上设置有砂纸和抛光织物(3);所述砂纸为粗砂或者金相砂纸,所述抛光织物用于样品(4)抛光。
7.根据权利要求1所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,其特征在于,所述工作平台(1)上还设置有入水管(13)和出水管(17);所述入水管(13)与入水控制器(14)连通。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:在样品(4)边缘位置进行激光打孔,通过显微镜测量样品边缘到微孔圆心的直线距离Z0;
步骤二:打开激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样装置,将样品(4)安装在装夹头(5)上,砂纸/抛光织物(3)安装在磨抛盘(2)上;
步骤三:在计算机(12)上输入设定的压力值和磨抛量Zx,设定磨抛盘(2)转速/入水量;
步骤四:进行样品(4)磨抛,样品(4)与砂纸和抛光织物(3)接触,当压力达到计算机(12)上设定压力值时,计算机(12)记录此时的样品高度Z1,***自动将这一高度设定为Z轴0点位置,入水管(13)出水,磨抛盘(2)转动;在计算机(12)的控制下,样品(4)随着移动轴(7)向下移动Zx,移动过程中保持压力值不变;磨抛结束,样品(4)向上移动一段距离,到达样品(4)清洗位置,入水管(13)继续出水,对样品(4)进行清洗;清洗结束后,入水管(13)关闭,磨抛盘(2)停止转动,样品(4)继续向上移动到预设位置;
步骤五:更换砂纸/抛光织物(3),重复以上步骤三和步骤四,直至获得微孔轴线处纵截面,及总磨抛量达到Z0。
步骤五:卸下样品(4),并使用超声波清洗机对样品(4)进行清洗;
步骤六:通过显微镜与其他表征设备经行观察测量,主要对微孔截面和内壁质量进行测量分析;
步骤七:再次使用超声波清洗机对加工后的样品进行清洗,然后对样品进行腐蚀,获得微孔纵截面的金相组织,并进行表征分析;主要对重铸层和热影响区进行研究分析;整理数据,对样品进行保存。
9.根据权利要求8所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样方法,其特征在于,所述步骤二中,样品(4)安装时,样品(4)安装时保证微孔轴线平行与磨抛盘(2)平面;所述步骤三重复过程中,压力值设定原则为由大到小;磨抛量Zx设定原则为由大到小,总磨抛量为Z0;所述步骤四中样品清洗位置为方便对样品进行清洗的位置,所述预设位置为方便样品、砂纸/抛光织物安装,高度安全的位置。
10.根据权利要求8所述的一种激光打孔微孔截面和内壁质量分析制样方法,其特征在于,所述步骤五中,先使用砂纸后使用抛光织物;先使用粗砂,后使用金相砂纸,砂纸颗粒从粗到细,最终选择金相砂纸目数为1000﹟~1400﹟;抛光织物配合抛光剂进行使用,抛光剂使用原则为颗粒由粗到细,最终磨粒大小控制在0.25μm~0.5μm之间;压力值设定由大到小;所述步骤七中的表征设备为显微镜、激光共聚焦显微镜、三维轮廓仪、SEM扫描电镜、EDS能谱仪或者XRDX射线衍射仪。
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