CN109352102A - 一种激光与电解复合旋转加工装置 - Google Patents

一种激光与电解复合旋转加工装置 Download PDF

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杨峰
王玉峰
张文武
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Abstract

本发明公开了一种激光与电解复合旋转加工装置，在安装基座上设有旋转电极单元和旋转驱动单元，旋转电极单元包括中空主轴、与中空主轴上部转动配合的旋转密封座、与中空主轴下部固定连接的管状电极，管状电极与供电单元电连接。中空主轴和管状电极的内部连通构成介质通道。旋转驱动单元包括电机，电机通过传动机构带动中空主轴转动。旋转密封座通过冲液管路与电解单元连接用于向介质通道输入电解液。中空主轴的上端设有用于向介质通道射入激光束的激光单元。本发明采用激光与电解复合旋转加工技术，全反射的激光束与电解液进行高效耦合，实现大深径比小孔的激光电解复合加工，提高材料的去除速率及加工深度。

Description

一种激光与电解复合旋转加工装置
技术领域
本发明涉及激光电解加工技术领域，具体地说是一种激光与电解复合旋转加工装置。
背景技术
航空航天、精密仪器、生物医疗工程等领域部分核心零部件具有大量的深小孔结构，由于产品的综合性能和服役条件具有高质化和极端化特性，对当前深小孔的精密制造技术提出了挑战。深小孔结构多为难加工材料，传统加工以无法满足加工要求，但激光加工、电加工以及超声加工等特种加工技术具有一定的优势。
每一种加工技术都有其优势，也存在一定的局限性。激光加工具有打孔速度快、加工范围广以及加工精度高等优点，但其属于热加工范畴，其打孔表面存在再铸层、微裂纹缺陷，从而影响零件的安全可靠性。电解加工具有可加工各种难切削金属材料、加工表面不会产生冷作硬化层、热再铸层以及由此产生的残余应力和微裂纹等工艺缺陷。激光与电解复合加工综合了激光加工加工效率高、精度高、温度升高及电解加工表面完整性好等优势，但是目前激光与电解复合加工研究仍然处于初级阶段，存在加工深度浅以及加工效率低等技术问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术现状，而提供一种激光与电解复合旋转加工装置，采用激光电解复合旋转加工技术，激光束全反射与电解液的高效耦合，利用旋转管状电极电解进给深入材料加工，实现大深径比小孔的激光与电解复合加工，提高材料的去除速率及加工深度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种激光与电解复合旋转加工装置，在安装基座上设有旋转电极单元和旋转驱动单元，旋转电极单元包括能转动的中空主轴、与中空主轴上部转动配合的旋转密封座、与中空主轴下部固定连接的管状电极，管状电极与供电单元电连接。中空主轴和管状电极的内部连通构成介质通道。旋转驱动单元包括电机，电机通过传动机构带动中空主轴转动。旋转密封座通过冲液管路与电解单元连接用于向介质通道输入电解液。中空主轴的上端设有用于向介质通道射入激光束的激光单元。
上述的旋转密封座具有与介质通道连通的内腔，在旋转密封座上设有与内腔连通的快插接头；旋转密封座内腔设有两个O型动密封圈与轴套配合实现内腔的旋转密封。
上述旋转密封座的上部具有向介质通道射入激光束的窗口，窗口设有玻璃加膜镜片，并通过窗口压盖和硅胶垫片密封固定。激光单元包括激光器、光路和聚焦透镜，聚焦透镜、玻璃加膜镜片和旋转密封座中轴线同心安装。聚焦透镜将激光束聚焦后穿过玻璃加膜镜片进入中空主轴中，玻璃加膜镜片上下侧各放置一个硅胶垫片，其压紧密封通过窗口压盖与旋转密封座螺纹固定连接实现。
上述的中空主轴通过轴套和胶盖密封轴承转动设置在安装基座上。供电单元包括脉冲电源，脉冲电源具有与胶盖密封轴承电连接的负极、与工件夹具电连接的正极。脉冲电源的负极通过导线将电能传输到螺钉连接的胶盖密封轴承外圈，电能依次经过胶盖密封轴承内圈、中空主轴、电极夹块座和电极夹块后传递至管状电极。
上述电解单元由冲液回路和废液回路组成。冲液回路包括储液罐、冲液泵、过滤器、压力表和冲液管路，冲液泵从储液罐内抽出电解液依次经过所述冲液管路、快插接头向所述介质通道冲液。废液回路包括用于放置工件的电解槽、回液管路和废液桶，电解槽和废液桶通过回液管路连接。
上述管状电极的外部设有导向单元。导向单元包括竖直调整板、水平调整板、导向器安装座和导向器。竖直调整板安装在安装基座一侧，且竖直调整板、水平调整板和导向器安装座依次连接，导向器固定在导向器安装座的内部。
上述管状电极由特氟龙内壁和铜管外壁组成，激光束的光斑在管状电极上端口处形成，并在管状电极内壁发生全反射与介质通道内的电解液进行耦合后输出。
上述中空主轴的下端与电极夹块座固定连接，电极夹块座上U型槽内安装有O型静密封圈，O型静密封圈与中空主轴底座配合实现静止密封。管状电极通过电极夹块进行夹紧固定。电极夹块座的中心具有锥形腔，电极夹块通过锥形面安装在锥形腔内，并通过电极夹块顶板固定。
上述旋转驱动单元包括步进电机和同步带传动机构。同步带传动机构由主动带轮、从动带轮和同步带组成。步进电机固定在安装基座上，主动带轮与步进电机的动力输出轴固定连接，从动带轮固定安装在中空主轴的下部。
上述安装基座的一侧固定有连接架，连接架与激光电解复合旋转加工机床的Z轴固定连接。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明的激光与电解复合旋转加工装置，可设置成独立的模块化设计单元，可以直接安装在机床上进行激光电解复合加工，有较好的适用性和互换性；该加工装置在中空主轴内实现了激光、电解液和电能的多场耦合，属于新型复合加工方式；采用管状电极内部冲液和工件浸液组合方式加工，具有更好的排屑效果，保持加工过程中电解液的充足供应。该激光与电解复合旋转加工装置产生激光电解复合加工能量场，可以大幅度提高被加工材料的蚀除效率和加工深度。
附图说明
图1是本发明实施例的立体结构示意图。
图2是图1的剖视结构示意图。
图3是本发明实施例的工作原理示意图。
图4是图3中A部的局部放大图。
图1至图4中的标号名称为：窗口压盖1、硅胶垫片2、玻璃加膜镜片3、快插接头4、旋转密封座5、O型动密封圈6、轴套7、安装基座8、胶盖密封轴承9、中空主轴10、O型静密封圈11、电极夹块座12、竖直调整板13、水平调整板14、导向器15、管状电极16、导向器安装座17、电极夹块顶板18、电极夹块19、从动带轮20、主动带轮21、同步带22、步进电机23、连接架24、冲液管路25、压力表26、过滤器27、冲液泵28、储液罐29、脉冲电源30、废液桶31、回液管路32、工件夹具33、电解槽34、工件35、聚焦透镜36、光路37、激光器38。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1至图4所示，本实施例提供了一种激光与电解复合旋转加工装置，其中图1是激光与电解复合旋转加工装置的结构示意图，图2为激光与电解复合旋转加工装置的剖视结构示意图，图3为激光与电解复合旋转加工装置加工工件35时的原理示意图，图4为激光与电解复合旋转加工装置加工工件35时管状电极的局部放大图。
激光与电解复合旋转加工装置主要包括旋转电极单元、旋转驱动单元、供电单元、导向单元、电解单元和激光单元。
在本实施例中，旋转电极单元包括能转动的中空主轴10、与中空主轴10上部转动配合的旋转密封座5、与中空主轴10下部固定连接的管状电极16，管状电极16通过胶盖密封轴承9与供电单元电连接。中空主轴10和管状电极16的内部连通构成介质通道。旋转驱动单元包括步进电机23，步进电机23通过传动机构带动中空主轴10转动。旋转密封座5通过冲液管路25与电解单元连接用于向介质通道输入电解液。中空主轴10的上端设有用于向介质通道射入激光束的激光单元。
旋转密封座5具有与介质通道连通的内腔，在旋转密封座5上设有与内腔连通的快插接头4。旋转密封座5上开设有两个密封圈安装腔，O型动密封圈6安装在该密封圈安装腔内，与轴套7实现旋转密封功能。中空主轴10在旋转密封座5中可以自由转动，同时满足电解液输送的密封性。旋转密封座5上设有通孔，安装基座8上设有螺纹孔，两者通过螺纹连接实现固定。
轴套7使用紧定螺钉固定安装在中空主轴10上部，轴套7下端的胶盖密封轴承9安装在中空主轴10中部，中空主轴10通过轴套7和胶盖密封轴承9转动设置在安装基座8上。胶盖密封轴承9的内圈上端通过轴套7实现固定，外圈上端通过旋转密封座5实现固定，内圈下端通过从动带轮20实现固定，外圈下端通过安装在安装基座8上实现固定。
旋转密封座5的上部具有向介质通道射入激光束的窗口，窗口设有玻璃加膜镜片3，并通过窗口压盖1和密封垫片密封固定。
在本实施例中，激光单元包括激光器38、光路37和聚焦透镜36，聚焦透镜36、玻璃加膜镜片3和旋转密封座5中轴线同心安装。聚焦透镜36将激光束聚焦后穿过玻璃加膜镜片3进入中空主轴10中。激光束的光斑在管状电极16上端口处形成，在管状电极16内壁发生全反射并与电解液进行耦合，最终到达工件35表面。
玻璃加膜镜片3的上下侧各设置有一个硅胶垫片2，与玻璃加膜镜片3压紧密封配合，窗口压盖1与旋转密封座5通过螺纹固定连接，实现内腔密封性。
供电单元包括脉冲电源30。脉冲电源30具有与胶盖密封轴承9电连接的负极、与工件夹具33电连接的正极。
脉冲电源30的负极通过导线将电能传输到螺钉连接的胶盖密封轴承9外圈，电能依次经过胶盖密封轴承9内圈、中空主轴10、电极夹块座12和电极夹块19后传递至管状电极16。
在本实施例中，电解单元由冲液回路和废液回路组成。冲液回路包括储液罐29、冲液泵28、过滤器27、压力表26和冲液管路25。冲液泵28从储液罐29内抽出电解液依次经过所述冲液管路25、快插接头4向介质通道冲液。废液回路包括用于放置工件35的电解槽34、回液管路32和废液桶31，电解槽34和废液桶31通过回液管路32连接。
冲液泵28一端与储液罐29连接，其另一端与过滤器27连接，过滤器27通过冲液管路25与快插接头4连接，压力表26安装在冲液管路25上，快插接头4通过螺纹连接固定安装在旋转密封座5上。
冲液泵28工作时，将电解液从储液罐29抽出输送到过滤器27进行过滤净化，通过冲液管路25和快插接头4进入旋转密封座5内，该电解液依次通过中空主轴10、电极夹块座12和管状电极16，最终到达管状电极16与工件35之间的加工间隙，压力表26用于显示***中的电解液压力。
复合加工时，电解槽34充满电解液，工件35完全浸入在电解槽34中，随着加工的不断进行，电解槽34中的电解液含有加工产物，通过回液管路32将加工后的废液回流到废液桶31中，方便废液的集中处理。
管状电极16的外部设有导向单元。导向单元包括竖直调整板13、水平调整板14、导向器安装座17和导向器15。竖直调整板13安装在安装基座8一侧，且竖直调整板13、水平调整板14和导向器安装座17依次连接，导向器15固定在导向器安装座17的内部。
竖直调整板13上端设有长槽通过螺钉固定安装在安装基座8的一侧，用于调整导向器15在Z方向上的位置，水平调整板14通过螺钉固定安装在竖直调整板13下端的长槽处，用于调整导向器15在X方向上的位置，导向器安装座17通过螺钉固定安装在水平调整板14上端的长槽处，用于调整导向器15在Y方向上的位置。导向器15安装在导向器安装座17内，且通过紧定螺钉进行固定，用于保证旋转电极单元的回转精度。
管状电极16由特氟龙内壁和铜管外壁组成，激光束的光斑在管状电极16上端口处形成，并在管状电极16内壁发生全反射与介质通道内的电解液进行耦合后输出。
中空主轴10的下端与电极夹块座12固定连接，电极夹块座12上U型槽内安装有O型静密封圈11，O型静密封圈11与中空主轴10底座配合实现静止密封。极夹块座12顶端设有螺纹通孔，中空主轴10的底部具有螺纹孔，两者通过螺钉连接，实现管状电极16与中空主轴10的同步旋转。
管状电极16通过电极夹块19进行夹紧固定。电极夹块座12的中心具有锥形腔，电极夹块19通过锥形面安装在锥形腔内。电极夹块座12的底端设有螺纹孔，电极夹块顶板18设有螺纹通孔，两者通过螺钉进行固定连接，实现电极夹块19的定位夹紧。锥形腔可以实现中空主轴10轴心与管状电极16轴心的自主对中，方便管状电极16的安装调节。
在本实施例中，旋转驱动单元包括步进电机23和同步带传动机构。同步带传动机构由主动带轮21、从动带轮20和同步带22组成。步进电机23固定在安装基座8上，主动带轮21与步进电机23的动力输出轴固定连接，从动带轮20固定安装在中空主轴10的下部。
从动带轮20通过紧定螺钉进行与中空主轴10的外部固定连接。主动带轮21安装在步进电机23的单扁丝伸出轴上，并通过紧定螺钉进行固定连接。步进电机23通过螺钉固定连接安装基座8的上侧，主动带轮21位于安装基座8的下侧。安装基座8具有长槽型的电机安装位，可以调节步进电机23位置，方便同步带传动结构的安装调节。
安装基座8的一侧固定有连接架24，连接架24与激光辅助电解复合旋转加工机床的Z轴连接。
在本实施方式中，激光与电解复合旋转加工装置的装配过程如下。
首先，用电极夹块19将管状电极16夹紧后，通过电极夹块顶板18固定安装在电极夹块座12的锥形腔内，将O型静密封圈11安装在电极夹块座12上端的U型密封安装腔内，将上述已安装好的零部件通过螺钉固定连接在中空主轴10底部。从动带轮20通过紧定螺钉安装在中空主轴10下部，将以上安装部分穿过安装基座8上的圆孔，之后将胶盖密封轴承9安装在中空主轴10中部，胶盖密封轴承9放置在安装基座8上，最后将轴套7通过紧定螺钉安装在中空主轴10上部。将同步带22安装在从动带轮20和主动带轮21上，将主动带轮21安装在步进电机23的单扁丝伸出轴上，通过安装基座8设置的长槽实现同步带22的张紧，上述安装好的部分称为主轴单元。
然后，可将一片硅胶垫片2放置在旋转密封座5上设有的圆孔内，再将玻璃加膜镜片3放置在硅胶垫片2后，再将一片硅胶垫片2放置在玻璃加膜镜片3上，窗口压盖1通过螺钉固定在旋转密封座5，起到压紧密封玻璃加膜镜片3的作用。旋转密封座5内设有两个密封安装腔，将O型动密封圈6安装在密封安装腔内，再将快插接头4通过螺纹连接安装在旋转密封座5四面，以上安装好的部分称为窗口单元。将窗口单元通过螺钉连接安装在安装基座8上并与主轴单元配合，实现旋转电极单元的密封旋转功能。
其次，可将脉冲电源30的正极用导线经过工件夹具33连接到被加工的工件35上，将脉冲电源30的负极直接经过螺钉传至胶盖密封轴承9后依次传导至管状电极16处。
其次，竖直调整板13通过螺钉固定安装在安装基座8一侧，水平调整板14通过螺钉固定安装在竖直调整板13下端，导向器安装座17通过螺钉固定安装在水平调整板14上端，导向器15通过紧定螺钉安装在导向器安装座17内，导向器15的X/Y/Z三轴方向位置通过水平调整板14、导向器安装座17和竖直调整板13实现。
其次，储液罐29、冲液泵28、过滤器27、压力表26、快插接头4依次通过冲液管路25连接，实现电解液供给。废液桶31与电解槽34通过回液管路32连接，实现加工废液的回收。
将激光与电解复合旋转加工装置装配至机床的Z轴上，进行工件35加工时，可首先开启步进电机23以实现中空主轴10和管状电极16的转动。开启冲液泵28，使电解液依次通过过滤器27、压力表26、冲液管路25、快插接头4、中空主轴10、电极夹块座12和管状电极16并最终进入加工间隙。开启激光器38，激光束依次通过光路37、聚焦透镜36、中空主轴10和管状电极16射入工件35表面。同时接通脉冲电源30，通过自动步进进给，实现激光电解复合加工对工件35的材料实现连续的去除。
尽管已参照本发明的示例性实施例说明了本发明，但应当理解，本发明不限于上述的实施例或构造。此外，尽管以各种示例性的组合和构型示出了所公开发明的各种要素，但包括更多、更少或仅单个要素的其它组合和构型也在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：在安装基座(8)上设有旋转电极单元和旋转驱动单元，所述旋转电极单元包括能转动的中空主轴(10)、与中空主轴(10)上部转动配合的旋转密封座(5)、与中空主轴(10)下部固定连接的管状电极(16)，所述管状电极(16)与供电单元电连接；所述中空主轴(10)和管状电极(16)的内部连通构成介质通道；所述旋转驱动单元包括电机，所述电机通过传动机构带动所述中空主轴(10)转动；所述旋转密封座(5)通过冲液管路(25)与电解单元连接用于向所述介质通道输入电解液；所述中空主轴(10)的上端设有用于向所述介质通道射入激光束的激光单元。
2.根据权利要求1所述激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述旋转密封座(5)具有与介质通道连通的内腔，在旋转密封座(5)上设有与内腔连通的快插接头(4)；所述旋转密封座(5)内腔设有两个O型动密封圈(6)与所述轴套(7)配合实现所述内腔的旋转密封。
3.根据权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述旋转密封座(5)的上部具有向所述介质通道射入激光束的窗口，所述窗口设有玻璃加膜镜片(3)，并通过窗口压盖(1)和硅胶垫片(2)密封固定。
4.根据权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述中空主轴(10)通过所述轴套(7)和所述胶盖密封轴承(9)转动设置在所述安装基座(8)上；所述供电单元包括脉冲电源(30)；所述脉冲电源(30)具有与胶盖密封轴承(9)电连接的负极、与工件夹具(33)电连接的正极。
5.根据权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述电解单元由冲液回路和废液回路组成；所述冲液回路包括储液罐(29)、冲液泵(28)、过滤器(27)、压力表(26)和冲液管路(25)；所述冲液泵(28)从储液罐(29)内抽出电解液依次经过所述冲液管路(25)、快插接头(4)向所述介质通道冲液；所述废液回路包括用于放置工件(35)的电解槽(34)、回液管路(32)和废液桶(31)，所述电解槽(34)和所述废液桶(31)通过所述回液管路(32)连接。
6.根据权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述管状电极(16)的外部设有导向单元；所述的导向单元包括竖直调整板(13)、水平调整板(14)、导向器安装座(17)和导向器(15)；所述竖直调整板(13)安装在所述安装基座(8)一侧，且所述竖直调整板(13)、所述水平调整板(14)和所述导向器安装座(17)依次连接，所述导向器(15)固定在所述导向器安装座(17)的内部。
7.如权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述管状电极(16)由特氟龙内壁和铜管外壁组成，激光束的光斑在所述管状电极(16)上端口处形成，并在管状电极(16)内壁发生全反射与介质通道内的电解液进行耦合后输出。
8.如权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述中空主轴(10)的下端与电极夹块座(12)固定连接，所述电极夹块座(12)电极夹块座上U型槽内安装有O型静密封圈(11)，所述O型静密封圈(11)与所述中空主轴(10)底座配合实现静止密封；所述的管状电极(16)通过电极夹块(19)进行夹紧固定；所述电极夹块座(12)的中心具有锥形腔，所述电极夹块(19)通过锥形面安装在所述的锥形腔内，并通过电极夹块顶板(18)固定。
9.如权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述旋转驱动单元包括步进电机(23)和同步带传动机构；所述同步带传动机构由主动带轮(21)、从动带轮(20)和同步带(22)组成；所述的步进电机(23)固定在安装基座(8)上，所述的主动带轮(21)与步进电机(23)的动力输出轴固定连接，所述的从动带轮(20)固定安装在中空主轴(10)的下部。
10.如权利要求1所述的激光与电解复合旋转加工装置，其特征在于：所述安装基座(8)的一侧固定有连接架(24)，所述的连接架(24)与激光电解复合旋转加工机床的Z轴固定连接。
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