CN109277691A - 一种多电极同步激光与电解复合加工装置 - Google Patents

一种多电极同步激光与电解复合加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多电极同步激光与电解复合加工装置，包括激光束和管电极，管电极的数量为多个，并排间隔布置在分液腔的电解液中。通过至少一个比例分光镜和反射镜，将射入的激光束均匀分成多束。分光后的激光束经过聚集位置调节装置，在对应的管电极上端口对中射入，并作用于管电极下端的加工区域。本发明采用比例分光镜及反射镜构成的比例分光***，实现了激光能量在各个离散分布管电极中的近似均匀分布。利用分液腔实现了电解液在各个离散分布管电极中的均匀分配，通过设计的聚集位置调节装置实现了分光后激光束与管电极的对中耦合，大幅度提高了激光与电解复合加工效率。

Description

一种多电极同步激光与电解复合加工装置
技术领域
本发明涉及零件精密微细加工领域，具体地说是一种多电极同步激光与电解复合加工装置。
背景技术
大深径比深小孔结构广泛应用于航空航天、精密仪器、生物医疗工程等领域核心零部件，随着产品性能的提高和服役条件的多样化、极端化，对深小孔的表面质量，如重铸层、热影响层、微裂纹等提出了严格的设计要求，对当前深小孔的精密制造技术提出了挑战。目前，深小孔的制造方法主要有机械钻孔、放电加工、电解加工、激光打孔等。每一种加工技术都有其优势，但也存在一定的局限性。基于热效应的加工技术往往导致加工表现再铸层、微裂纹的出现，影响深小孔的工作可靠性。以电解电火花加工、激光与电解复合加工、超声电火花加工、电解磨削加工等为代表的复合加工技术，可综合利用各种加工技术的优势，扬长避短，有望解决高表面质量深小孔的高效制造难题。
激光与电解复合加工技术综合了激光加工效率高及电解加工加工表面质量好等优势，在深小孔加工方面具有较大优势，有望实现高精度、加工表面无重铸层深小孔的制造。本文作者所申请专利201711136281.3提出了一种激光介入式激光与电解复合加工技术，利用激光在管电极中的全反射约束传输效应，实现了激光随动式介入大深度加工区域。该专利在端面加工间隙中综合利用激光加工和电解加工去除工件材料，实现了工件材料的高效率去除。侧面加工间隙中工件材料在电解加工作用下被同步去除。由于电解加工表面无重铸层、微裂纹及热影响层等缺陷，确保了该复合加工方法所加工深小孔表面具有较高的表面完整性，但该技术无法实现多个管电极同步进给作业，在加工效率上仍然具有一定局限。
发明内容
本发明针对上述现有技术局限于单管电极进行激光与电解复合加工的不足，而提供一种多电极同步激光与电解复合加工装置，实现了激光与电解液在各个管电极中的均匀分配，并保证激光与管电极的可靠性耦合，利用多个管电极同步进给大幅度提高激光与电解复合加工效率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种多电极同步激光与电解复合加工装置，包括激光束和管电极，管电极的数量为多个，并排间隔布置在分液腔的电解液中。通过至少一个比例分光镜和反射镜，将射入的激光束均匀分成多束。分光后的激光束经过聚集位置调节装置，在对应的管电极上端口对中射入，并作用于管电极下端的加工区域。该技术方案采用比例分光镜及反射镜构成的比例分光***，实现了激光能量在各个离散分布管电极中的近似均匀分布，并利用分液腔实现了电解液在各个离散分布管电极中的均匀分配，通过设计的聚集位置调节装置实现了分光后激光束与管电极的对中耦合。
上述的管电极是由金属层、外部绝缘层及内部含氟聚合物层构成的筒形体。含氟聚合物层的光学折射率小于电解液的折射率，筒形体的内部通孔构成激光全反射通道。
上述的聚集位置调节装置包括聚焦透镜、以及能上下移动以调节对焦距离的透镜安装支架。分光后的激光束经过聚焦透镜聚焦于管电极的上端部入口中心位置，激光束通过内全反射传输至管电极的下端部，通过端面加工间隙作用于加工区域。
在上述技术方案的基础上，设有CCD视觉***对激光焦点与管电极相对位置在线监测，通过控制透镜安装支架的上下位置调节激光焦点与管电极的相对垂直位置，通过调节比例分光镜和反射镜的水平位置，调节激光焦点与管电极的相对水平位置，实现激光焦点与管电极相对位置的精密调节。
上述的分液腔具有输入电解液的入口。分液腔中的电解液分别进入各个离散分布的管电极中，通过管电极的内部通孔以一定压力流向端面加工区域，从管电极下端侧面加工间隙中流出。
上述加工区域的工件安装于三维运动平台上。通过控制三维运动平台的运动，实现工件相对于管电极的精密运动。工件为金属导电材料，管电极的金属层和工件分别与高频脉冲电源的负极和正极连接。
上述的金属层为黄铜、钛或不锈钢。绝缘层为陶瓷或聚合物。
上述管电极的数量为两个，射入的激光束通过一个比例分光镜和一个反射镜，比例分光镜是透光率与反射率比例为50/50的第一比例分光镜，射入的激光束被分为两束独立能量近似一致的激光束，分别射入对应的管电极。
上述管电极的数量为三个。射入的激光束依次通过两个比例分光镜和一个反射镜。两个比例分光镜分别为透光率与反射率比例为30/70的第二比例分光镜、透光率与反射率比例为50/50的第三比例分光镜。射入的激光束被分为三束独立能量近似一致的激光束，分别射入对应的管电极。
上述管电极的数量为五个。射入的激光束依次通过四个比例分光镜和一个反射镜。四个比例分光镜分别为透光率与反射率比例为20/80的第四比例分光镜、透光率与反射率比例为25/75的第五比例分光镜、透光率与反射率比例为30/70的第六比例分光镜、透光率与反射率比例为50/50的第七比例分光镜。射入的激光束被分为五束独立能量近似一致的激光束，分别射入对应的管电极。
与现有技术相比，本发明的多电极同步激光与电解复合加工装置，适用于二个及以上的管电极同步进给作业，利用比例分光***和分液腔实现了激光与电解液在各个管电极中的均匀分配，并通过聚集位置调节装置保证激光与管电极的可靠性耦合，大幅度提高了激光与电解复合加工效率。
附图说明
图1是实施例1的结构原理示意图。
图2是实施例1中激光与电解复合加工的原理示意图。
图3是激光束在管电极中的全反射传输示意图。
图4是实施例2中激光束通过比例分光镜和反射镜分为能量近似一致的三束离散激光束的示意图。
图5是实施例3中激光束通过比例分光镜和反射镜分为能量近似一致的五束离散激光束的示意图。
图1至图5中的标号名称为：高频脉冲电源1、入口2、透镜安装支架3、装置主体4、反射镜5、第一窗口6、第一比例分光镜7、CCD视觉***8、第二窗口9、激光束10、聚焦透镜11、第一窗口6、电解液13、绝缘层14、金属层15、含氟聚合物层16、工件17、三维运动平台18、加工后电解液19、激光加工产物20、入射激光束21、反射激光束22、第二比例分光镜23、第三比例分光镜24、第四比例分光镜25、第五比例分光镜26、第六比例分光镜27、第七比例分光镜28。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
实施例1
本发明的多电极同步激光与电解复合加工装置，包括激光束10和管电极，管电极的数量为多个，并排间隔布置在分液腔的电解液13中。通过至少一个比例分光镜和反射镜5，将射入的激光束10均匀分成多束。分光后的激光束10经过聚集位置调节装置，在对应的管电极上端口对中射入，并作用于管电极下端的加工区域。
本发明采用比例分光镜及反射镜5构成的比例分光***，实现了激光能量在各个离散分布管电极中的近似均匀分布，利用分液腔实现了电解液13在各个离散分布管电极中的均匀分配，通过设计的聚集位置调节装置实现了分光后激光束与管电极的对中耦合。该技术方案实现了激光束与电解液13在各个离散分布管电极中的均匀分配，通过多个管电极的同步进给方式，大幅度提高激光与电解复合加工效率。
在本实施例中，管电极的数量为两个。如图1所示，装置主体4的上部设有比例分光镜、反射镜5以及用于射入激光束10的第二窗口9。装置主体4的下部设有独立的分液腔，分液腔具有输入电解液13的入口2。管电极的上端位于分液腔内，并且保持平齐。管电极的下端伸出装置主体4并作用于加工区域。在装置主体4的中部设有调节分光激光束的聚集位置调节装置。
如图2所示，管电极是由金属层15、外部绝缘层14及内部含氟聚合物层16构成的筒形体。含氟聚合物层16的光学折射率小于电解液13的折射率，本实施例中的电解液13折射率一般为1.33。
管电极的金属层15优选为黄铜、钛或不锈钢等金属材料。管电极的绝缘层14优选为陶瓷或聚合物等非导电材料。
分液腔中的电解液13分别进入各个离散分布的管电极中，通过管电极的内部通孔以一定压力流向端面加工区域，从管电极下端侧面加工间隙中流出，有利于及时冲刷端面加工间隙中产生的热量、电解加工产物及激光加工产物20等，有效保证激光与电解复合加工的持续稳定进行。
本实施例中，射入的激光束10通过一个比例分光镜和一个反射镜5，比例分光镜是透光率与反射率比例为50/50的第一比例分光镜7。射入的激光束10被分为两束独立能量近似一致的激光束10，分别射入对应的管电极，在管电极的内部通孔中形成全反射，通过端面加工间隙作用于加工区域。
如图3所示，管电极的入射激光束21以一定范围的入射角θ射向含氟聚合物层16时，其θ≥arcsinn1/n2，入射激光束21在电解液13与含氟聚合物层16界面发生内全反射。
当发生内全反射时，入射激光束21无法穿越含氟聚合物层16，入射激光束21全部被反射回至电解液13中形成反射激光束22并继续在电解液13中传输，因此激光束10可以通过内部通孔高效率全反射传输至管电极端部加工区域。
聚集位置调节装置包括聚焦透镜11、以及能上下移动以调节对焦距离的透镜安装支架3。分光后的激光束10经过聚焦透镜11聚焦于管电极的上端部入口中心位置，保证激光束10可以通过内全反射传输至管电极的下端部。
装置主体4上设有用于观察激光焦点与管电极相对位置的第一窗口6，在第一窗口6的外部设有CCD视觉***8。CCD视觉***8对激光焦点与管电极相对位置在线监测，通过控制透镜安装支架3的上下位置以调节激光焦点与管电极的相对垂直位置，通过调节第一比例分光镜7和反射镜5的水平位置，调节激光焦点与管电极的相对水平位置，实现激光焦点与管电极相对位置的精密调节。
加工区域的工件17安装于三维运动平台18上。通过控制三维运动平台18的运动，实现工件17相对于管电极的精密运动。工件17为金属导电材料，管电极的金属层15和工件17分别与高频脉冲电源1的负极和正极连接。
实施例2
本实施例以三个管电极同步进给作业为例。如图4所示，射入装置主体4的激光束10依次通过两个比例分光镜和一个反射镜5。两个比例分光镜分别为透光率与反射率比例为30/70的第二比例分光镜23、透光率与反射率比例为50/50的第三比例分光镜24。射入的激光束10被分为三束独立能量近似一致的激光束10，分别射入对应的管电极上端中心，再通过内全反射传输至管电极的下端部，通过端面加工间隙作用于加工区域。
实施例3
本实施例以五个管电极同步进给作业为例。如图5所示，射入装置主体4的激光束10依次通过四个比例分光镜和一个反射镜5。四个比例分光镜分别为透光率与反射率比例为20/80的第四比例分光镜25、透光率与反射率比例为25/75的第五比例分光镜26、透光率与反射率比例为30/70的第六比例分光镜27、透光率与反射率比例为50/50的第七比例分光镜28。射入的激光束10被分为五束独立能量近似一致的激光束10，分别射入对应的管电极上端中心，再通过内全反射传输至管电极的下端部，通过端面加工间隙作用于加工区域。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多电极同步激光与电解复合加工装置，包括激光束(10)和管电极，其特征在于：所述管电极的数量为多个，并排间隔布置在分液腔的电解液(13)中；通过至少一个比例分光镜和反射镜(5)，将射入的激光束(10)均匀分成多束；分光后的激光束(10)经过聚集位置调节装置，在对应的管电极上端口对中射入，并作用于管电极下端的加工区域。
2.根据权利要求1所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述的管电极是由金属层(15)、外部绝缘层(14)及内部含氟聚合物层(16)构成的筒形体；所述含氟聚合物层(16)的光学折射率小于电解液(13)的折射率，所述筒形体的内部通孔构成激光全反射通道。
3.根据权利要求1或2所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述的聚集位置调节装置包括聚焦透镜(11)、以及能上下移动以调节对焦距离的透镜安装支架(3)；分光后的激光束(10)经过聚焦透镜(11)聚焦于管电极的上端部入口中心位置，激光束(10)通过内全反射传输至管电极的下端部，通过端面加工间隙作用于加工区域。
4.根据权利要求3所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：通过CCD视觉***(8)对激光焦点与管电极相对位置在线监测，通过控制透镜安装支架(3)的上下位置调节激光焦点与管电极的相对垂直位置，通过调节比例分光镜和反射镜(5)的水平位置，调节激光焦点与管电极的相对水平位置，实现激光焦点与管电极相对位置的精密调节。
5.根据权利要求1或2所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述的分液腔具有输入电解液(13)的入口(2)；分液腔中的电解液(13)分别进入各个离散分布的管电极中，通过管电极的内部通孔以一定压力流向端面加工区域，从管电极下端侧面加工间隙中流出。
6.根据权利要求2所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述加工区域的工件(17)安装于三维运动平台(18)上；通过控制三维运动平台(18)的运动，实现工件(17)相对于管电极的精密运动；所述的工件(17)为金属导电材料，所述管电极的金属层(15)和工件(17)分别与高频脉冲电源(1)的负极和正极连接。
7.根据权利要求2所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述的金属层(15)为黄铜、钛或不锈钢；所述的绝缘层(14)为陶瓷或聚合物。
8.根据权利要求1所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述管电极的数量为两个，射入的激光束(10)通过一个比例分光镜和一个反射镜(5)，所述的比例分光镜是透光率与反射率比例为50/50的第一比例分光镜(7)，射入的激光束(10)被分为两束独立能量近似一致的激光束(10)，分别射入对应的管电极。
9.根据权利要求1所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述管电极的数量为三个；射入的激光束(10)依次通过两个比例分光镜和一个反射镜(5)；两个比例分光镜分别为透光率与反射率比例为30/70的第二比例分光镜(23)、透光率与反射率比例为50/50的第三比例分光镜(24)；射入的激光束(10)被分为三束独立能量近似一致的激光束(10)，分别射入对应的管电极。
10.根据权利要求1所述的多电极同步激光与电解复合加工装置，其特征在于：所述管电极的数量为五个；射入的激光束(10)依次通过四个比例分光镜和一个反射镜(5)；四个比例分光镜分别为透光率与反射率比例为20/80的第四比例分光镜(25)、透光率与反射率比例为25/75的第五比例分光镜(26)、透光率与反射率比例为30/70的第六比例分光镜(27)、透光率与反射率比例为50/50的第七比例分光镜(28)；射入的激光束(10)被分为五束独立能量近似一致的激光束(10)，分别射入对应的管电极。
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