CN115323442A - 一种基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精密加工技术领域，具体提供了一种基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其中，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置包括：电源、基板、光源和光纤管电极，所述基板用于与所述电源的电源负极相连接；所述光纤管电极包括从内至外依次套接设置的金属管电极和所述中空光纤，所述金属管电极与所述电源的电源正极相连接，所述金属管电极内部设有电铸液流通通道；其中，加工装置利用光纤管电极同时将激光束与电铸液传输至基板表面，不仅很好地避免了激光束在传输过程中与电铸液接触而产生的损失，也有效地缩小了电铸液作用于基板的作用面积，因而有效地提高了定域性、成形精度、加工效率，以及成形件的致密度和性能。
Description
技术领域
本发明涉及精密加工技术领域，具体而言，涉及一种基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法。
背景技术
随着科技与材料的不断发展，使得零部件逐渐趋于微型化和集成化，尤其是金属微结构在电子封装元件、精密机械、航空航天和微机电***等微型产品中起着越来越重要的作用，然而采用单一的机械加工或特种加工技术，难以实现微结构的精密制造。
近年来，增材制造技术(又称3D打印技术)因其适用材料范围广、节约成本、加工效率高及可制备复杂形状等特点受到了科学研究领域与工业应用领域人士的青睐，且在航空航天、汽车模具、医疗电子和国防装备等领域表现出独特的优势。
电沉积增材制造技术作为一种采用原子逐层沉积的理论而开发的增材制造技术，因其低温加工和可制备具有极低应力和少量缺陷的精密微结构特点，成为了金属微结构加工领域的研究热点。
喷射电沉积作为一类典型的无掩膜电沉积增材制造技术，其采用喷嘴代替固体阳极作为阳极工具，使得电铸液由喷嘴处冲击至阴极表面，并在阴极上选择性沉积金属。由于具有相对较高的电流密度，因而，与传统电沉积增材制造技术相比，其沉积速率较高。现有技术中，已有研究表明，采用激光的热、力和光效应可进一步提高喷射电沉积的速率，且由于高能量激光的存在，可制备致密性较高且性能较优的零部件。然而，在已开发的激光辅助喷射电沉积技术由于激光在电铸液内传输，因而损耗较大，且喷嘴仅在阴极上方工作，因而限制了其发展。
发明内容
本发明所要解决的问题是现有的激光辅助喷射电沉积技术由于激光在电铸液内传输导致损耗较大，且喷嘴仅在阴极上方工作，因而限制沉积效果。
为解决上述问题，本发明提出如下技术方案：
一种基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其中，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置包括：电源、基板、光源和光纤管电极，所述基板用于与所述电源的电源负极相连接；
所述光纤管电极包括从内至外依次套接设置的金属管电极和所述中空光纤，所述金属管电极与所述电源的电源正极相连接，所述金属管电极内部设有电铸液流通通道；
所述光源发出的激光束用于通过所述中空光纤导光，并聚焦于所述金属管电极的轴线上而与电铸液在所述基板上共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层；
所述加工方法包括如下步骤：
S1、将所述基板固定于机床上，并将所述基板与所述电源的电源负极相连形成阴极，将所述光纤管电极与所述电源的电源正极相连形成阳极，开启所述电源；
S2、使电铸液从供液槽进入所述光纤管电极的金属管电极内的电铸液流通通道中并流至所述基板上；
S3、使光源发出的激光束经过所述光纤管电极中的中空光纤，并在所述中空光纤的末端射出以照射至所述基板上，以使所述激光束与所述电铸液共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层。
本发明提供的一种基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：
其中，电铸液通过金属管电极内部的电铸液流通通道流到基板上，激光束经过光纤管电极中的中空光纤在基板的表面聚集，以使激光束与电铸液共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层；其中，加工装置利用光纤管电极同时将激光束与电铸液传输至基板表面，不仅很好地避免了激光束在传输过程中与电铸液接触而产生的损失，也有效地缩小了电铸液作用于基板的作用面积，因而有效地提高了定域性、成形精度、加工效率，以及成形件的致密度和性能。
优选地，在步骤S1之前，所述加工方法还包括采用三维软件建立三维模型，并利用切片软件进行分层切片而形成切片文件，随后将所述切片文件导入计算机中，以使所述光纤管电极随着成形件轨迹的运动而运动；配置所需浓度的电铸液，并将所述电铸液加入所述供液槽内；
对所述基板进行预处理，首先进行打磨和抛光处理，后进行表面除油、除垢和钝化处理，将所述基板固定于所述机床上，通过观察CCD相机Ⅱ反馈至计算机上的结果，调节所述机床的X轴和Y轴，找到加工位置，以使所述激光束聚焦于所述基板表面。
优选地，在步骤S2中，通过所述计算机控制所述电铸液流动，通过观察所述电铸液流动状态和流量计示数，调节离心泵和调节阀获得所需的所述电铸液流速。
优选地，在步骤S3中，所述加工方法还包括确认加工参数与设备状态，通过所述计算机开启各设备，使所述光纤管电极沿着所建立模型的轨迹逐层成形，以形成成形件，同时通过所述计算机显示的结果监控成形过程。
优选地，在步骤S3之后，所述加工方法还包括对所述成形件进行光整处理。
优选地，所述光整处理包括如下步骤：
第一步：将成形过程中产生的废液排至废液槽中，并控制所述计算机开启供气装置，采用由气体喷嘴喷出的气体将所述成形件上表面的废液清除；
第二步：确认光整参数，使得所述光源发出的激光束经过所述中空光纤射出并辐照于所述成形件表面，随后控制所述机床，使得所述机床沿着所规划的轨迹对当前层进行光整处理；
第三步：使所述激光束通过所述中空光纤传输至所述成形件表面，同时，使去离子水通过所述金属管电极进入所述光纤管电极的下端与所述成形件表面之间的加工间隙，以使所述激光束与水射流同步复合对所述成形件进行光整处理；待处理完毕后，按照当前层继续成形，直至工件成形完毕。
优选地，在步骤S3中，以激光器作为光源，所述激光器发出的一部分所述激光束经过二向色分光镜、圆锥透镜Ⅰ、圆锥透镜Ⅱ、激光分束模块和反射镜，所述二向色分光镜倾斜设置，所述二向色分光镜用于将所述激光束进行反射，所述圆锥透镜Ⅰ、所述圆锥透镜Ⅱ、所述激光分束模块和所述反射镜从上至下依次设置于经过所述二向色分光镜反射的所述激光束的光路上；所述反射镜倾斜设置，以使经过所述反射镜反射形成的环形光束传播至所述光纤管电极中。
优选地，在步骤S3中，经过所述反射镜反射形成的环形光束还经过光电液耦合机构之后进入到所述光纤管电极中；
所述光电液耦合机构包括耦合机构本体、中空金属管、中空反射镜和激光合束模块；
所述耦合机构本体的内部从上至下依次设置有所述中空反射镜和所述激光合束模块，所述中空金属管穿过所述中空反射镜和所述激光合束模块，所述中空金属管上端与所述供液槽相连，所述中空金属管下端与所述光纤管电极的所述金属管电极相连，以形成封闭的所述电铸液导入通路。
优选地，在步骤S3中，所述激光器发出的另一部分所述激光束通过滤光片和凸透镜照射于CCD相机Ⅰ上，用于观察激光、电铸液、电源与光纤管电极是否精准耦合，以及观察未注入电铸液时聚焦于基板上的光斑状态，从而实现光-电-液的精确传输及其相互作用；
所述滤光片、所述凸透镜和所述CCD相机Ⅰ位于所述二向色分光镜的上方且从下至上依次设置的，所述CCD相机Ⅰ用于与工控机相连接，所述工控机用于与所述计算机相连接，所述计算机用于与所述电源相连接。
优选地，在步骤S3中，进入所述光纤管电极的所述激光束通过所述中空光纤导光，并从所述中空光纤的下端的聚焦型微透镜结构射出，形成聚焦为实心光斑或者聚焦为中空环形光斑。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的激光分束模块的整体结构示意图；
图3为本发明实施例的激光合束模块的整体结构示意图；
图4为本发明实施例的光纤管电极的俯视结构示意图；
图5为本发明实施例的光纤管电极的剖面结构示意图一；
图6为本发明实施例的光纤管电极的剖面结构示意图二；
图7为本发明实施例的光纤管电极的剖面结构示意图三；
图8为本发明实施例的整体结构和供气装置、气体喷嘴结构示意图；
图9为本发明实施例的整体流程结构实体图。
附图标记说明：
1电源、10示波器、2基板、20机床、3光纤管电极、31金属管电极、310电铸液流通通道、32中空光纤、321导光基体、322外反射层、323导光入口、324导光出口、33实心光斑、34中空环形光斑、4计算机、41供气装置、42气体喷嘴、5光电液耦合机构、51耦合机构本体、52中空金属管、53中空反射镜、54激光合束模块、541合光棱镜、542反射镜Ⅳ、543反射镜Ⅴ、544中空环形光束、6激光发生机构、60激光束、61激光器、62二向色分光镜、63圆锥透镜Ⅰ、64圆锥透镜Ⅱ、65激光分束模块、651分光棱镜、652反射镜Ⅰ、653反射镜Ⅱ、654两个半圆形中空环形光束、66反射镜、67滤光片、68凸透镜、691CCD相机Ⅰ、692CCD相机Ⅱ、7工控机、8供液槽、81离心泵、82流量计、83调节阀、84过滤装置、85废液槽、86供液管道、9成形件、90工作腔体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不能用来限制本申请的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本文提供的坐标系XZ中，X轴正向代表右方，X轴的反向代表左方，Z轴的正向代表上方，Z轴的反向代表下方；Z轴、X轴表示含义仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参阅图1-图9，本发明提供的一种基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其中，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置包括：电源1、基板2、光源和光纤管电极3，所述基板2用于与所述电源1的电源负极相连接；
参阅图4-图5，所述光纤管电极3包括从内至外依次套接设置的金属管电极31、中空光纤32和反射层，所述金属管电极31与所述电源1的电源正极相连接，所述金属管电极31内部设有电铸液流通通道310；
所述光源发出的激光束60用于通过所述中空光纤32导光，并聚焦于所述金属管电极31的轴线上而与电铸液在所述基板2上共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层。
在本实施例中，所述电铸液通过所述金属管电极31内部的所述电铸液流通通道310流到所述基板2上，所述激光束60经过所述光纤管电极3中的中空光纤32在所述基板2的表面聚集，以使所述激光束60与所述电铸液共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层；其中，所述加工装置利用所述光纤管电极3同时将所述激光束60与所述电铸液传输至所述基板2表面，不仅很好地避免了所述激光束60在传输过程中与所述电铸液接触而产生的损失，也有效地缩小了所述电铸液作用于所述基板2的作用面积，因而有效地提高了定域性、成形精度、加工效率，以及成形件9的致密度和性能。
具体地，所述金属管电极31镶嵌于所述中空光纤32内，所述中空光纤32包括导光基体321及所述导光基体321外壁涂覆的外反射层322，所述中空光纤32材料为石英玻璃；所述导光基体321的外径范围是0.15-1.5mm，所述导光基体321的内径范围是为0.1-1mm；所述外反射层322材料为金、银、铜和铝中的任意一种；所述外反射层322厚度范围是5μm-30μm。
所述金属管电极31为中空管状结构；所述金属管电极31的材料为不锈钢、铜和钛等中的任意一种；所述金属管电极31直径范围是10μm-500μm。
所述光纤管电极3的上端位于所述中空光纤32的上端设置有导光入口323，所述中空光纤32的下端设置有导光出口324。
参阅图1和图3，优选地，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置还包括安装于所述光纤管电极3上端的光电液耦合机构5，所述光电液耦合机构5包括耦合机构本体51、中空金属管52、中空反射镜53和激光合束模块54；其中，所述中空金属管52为铜管。
具体地，所述激光合束模块54包括合光棱镜541、反射镜Ⅳ542和反射镜Ⅴ543。
所述耦合机构本体51的上端具有激光入口，所述耦合机构本体51的内部从上至下依次设置有所述中空反射镜53和所述激光合束模块54，所述中空金属管52穿过所述中空反射镜53和所述激光合束模块54，所述中空金属管52上端与所述供液槽8相连，所述中空金属管52下端与所述光纤管电极3的所述金属管电极31相连，以形成封闭的所述电铸液导入通路。
在本实施例中，所述中空金属管52穿过固定于所述光电液耦合机构5内的所述中空反射镜53和所述激光合束模块54中的合光棱镜541，且其上端与供液槽8相连，下端与所述光纤管电极3中镶嵌于所述导光基体321内的所述金属管电极31相连，因而使得所述电铸液由所述供液槽8进入所述中空金属管52，进而沿着所述电铸液流通通道310流入加工间隙。其中，所述光电液耦合机构5下端与所述光纤管电极3相连，便于将所述激光束60与所述电铸液分别导入所述导光基体321和所述金属管电极31内。
参阅图1，具体地，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置还包括电铸液处理机构，所述电铸液处理机构包括供液槽8、离心泵81、流量计82、调节阀83、过滤装置84和废液槽85，所述供液槽8内安装所述过滤装置84和所述离心泵81并装有所述电铸液，所述供液槽8连接有供液管道86，并通过所述供液管道86与所述中空金属管52相连接，所述供液管道86上设置有所述调节阀83和所述流量计82。
在本实施例中，在所述过滤装置84、所述离心泵81、所述调节阀83和所述流量计82共同作用下，将电铸液导入固定于所述耦合机构本体51内的所述中空金属管52中，所述电铸液从所述供液管道86流入到所述中空金属管52并沿着所述电铸液流通通道310导入加工间隙，从而，便于进行金属颗粒沉积。其中，在传输过程中，可通过观察所述流量计82，调节所述离心泵81的压力和调节所述调节阀83获得加工所需的电铸液流速。
具体地，所述中空金属管52、所述中空反射镜53、所述耦合机构本体51、所述激光合束模块54和所述光纤管电极3同轴设置。
在本实施例中，上述结构同轴设置有利于减少所述电铸液以及所述激光束60在传输的过程中产生的损耗，并且有利于提高所述电铸液与所述激光束60在传输过程中的速度，从而提高加工效率。
参阅图1-图2，优选地，所述光电液耦合机构5还包括所述激光发生机构6，所述激光发生机构6包括激光器61、二向色分光镜62、圆锥透镜Ⅰ63、圆锥透镜Ⅱ64、激光分束模块65和反射镜66。
具体地，所述激光分束模块65包括分光棱镜651、反射镜Ⅰ652和反射镜Ⅱ653组成。
所述激光器61用于发射所述激光束60，所述二向色分光镜62倾斜设置，所述二向色分光镜62用于将所述激光束60进行反射，所述圆锥透镜Ⅰ63、所述圆锥透镜Ⅱ64、所述激光分束模块65和所述反射镜66从上至下依次设置于经过所述二向色分光镜62反射的所述激光束60的光路上；
所述反射镜66倾斜设置，以使经过所述反射镜66反射形成的环形光束进入到所述耦合机构本体51内，并传播至所述光纤管电极3中。
具体地，所述激光束60由所述激光器61发射后，照射于所述二向色分光镜62上，进而使得部分所述激光束60照射于所述圆锥透镜Ⅰ63和所述圆锥透镜Ⅱ64形成中空环形光束544，进而照射于所述激光分束模块65上，使其形成两个半圆形中空环形光束654。所述两半圆形中空环形光束544经所述反射镜66反射后照射于所述激光合束模块54上，进而形成完整的中空环形光束544，并与所述光纤管电极3中的所述导光基体321耦合。
优选地，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置还包括工控机7以及与所述工控机7相连接的计算机4，所述计算机4用于与所述电源1相连接。
具体地，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置还包括示波器10，所述电源1的一端与所述工控机7相连接，所述电源1的另一端与所述示波器10相连接；所述电铸液从所述中空金属管52流动至所述电铸液流通通道310中，以形成由所述中空金属管52和所述光纤管电极3组成的阳极导电通路，所述基板2放置于上端开口设置的工作腔体90内，所述基板2与所述电源1的电源负极相连，形成阴极导电通路，在所述工作腔体90内输入电铸液，以形成导电通路；所述工作腔体90上设有废液出口，所述废液出口上连接有废液管道，所述废液管道的另一端与所述废液槽85相连接，所述废液管道上也设置有所述调节阀83；所述供液槽8和所述废液槽85之间设置有连接管道，所述连接管道上安装有过滤装置84，所述过滤装置84用于将所述废液槽85内的废液过滤处理流入到供液槽8内，以实现循环利用。
在本实施例中，在工作时，通过所述计算机4控制所述离心泵81，开启所述电铸液的供给，即所述电铸液首先经过所述过滤装置84，后又经过所述离心泵81、所述调节阀83、所述流量计82、所述中空金属管52以及所述金属管电极31，进而获得加工间隙所需流速的所述电铸液，使得所述供液槽8中的所述电铸液沿着所述电铸液流通通道310进入加工间隙。而从加工间隙流出的废液流入所述工作腔体90，并随着所述废液出口流经所述废液管道并进入所述废液槽85。通过调节所述调节阀83使得所述工作腔体90内的的电铸液可控的被排出。此外，进入所述废液槽85的废液经过所述过滤装置84过滤后，可作为电铸液重新被利用。
所述激光发生机构6还包括位于所述二向色分光镜62上方的从下至上依次设置的滤光片67、凸透镜68和CCD相机Ⅰ691，所述CCD相机Ⅰ691用于与所述工控机7相连接；
所述激光器61发射的另一部分所述激光束60通过所述滤光片67和所述凸透镜68照射于所述CCD相机Ⅰ691上。
具体地，所述激光器61也与所述工控机7相连接。
在本实施例中，通过所述计算机4启动所述激光器61、所述电源1、所述CCD相机Ⅰ691、所述机床20和所述离心泵81，使得所述激光束60穿过所述二向色分光镜62，后照射于所述圆锥透镜Ⅱ64上形成中空环形光束544，随后照射于所述反射镜66上，并反射于所述耦合机构本体51中的所述中空反射镜53上，经所述中空反射镜53反射后导入所述光纤管电极3中的导光入口323，进而进入所述光纤管电极3中，在其内部发生全反射，并在聚焦型所述导光出口324处导出，进而在所述基板2表面形成聚焦光斑。
参阅图6-图7，优选地，所述光纤管电极3中的所述中空光纤32下端部设置有聚焦型微透镜结构，用于形成聚焦为实心光斑33或者聚焦为中空环形光斑34。
具体地，所述光纤管电极3中的导光基体321下端部被加工为聚焦型微透镜结构，用于形成聚焦为实心光斑33或者聚焦为中空环形光斑34。当所述的实心光斑33使得激光在电沉积区域被聚集，可有效提高成形件9的致密度和性能；当所述的中空环形光斑34使得激光聚焦于电沉积周围的区域，可蚀除其周围残留的沉积物，进而有效提高加工的定域性和加工精度。
其中，所述光纤管电极3可仅利用中空光纤32使用，即可仅将光纤管电极3中的所述导光基体321作为导光介质，进而仅传输激光至成形件9表面，该结构通过激光烧蚀技术去除材料；
或者，所述光纤管电极3可仅利用金属管电极31使用，即可仅将其作为导液介质，仅传输盐溶液或去离子水至成形件9表面，通过利用电沉积技术沉积金属结构；
或者，所述光纤管电极3也可仅利用中空光纤32与金属管电极31使用，即可将所述光纤管电极3作为导光导液的介质，进而传输激光与溶液至成形件9表面，形成水射流辅助激光加工技术去除材料。
具体地，所述光纤管电极3可深入工件内部，并结合旋转工装后，可对金属零部件的内部损伤进行修复。
参阅图1和图9，所述基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法包括如下步骤：
S1、将所述基板2固定于机床20上，并将所述基板2与所述电源1的电源负极相连形成阴极，将所述光纤管电极3与所述电源1的电源正极相连形成阳极，开启所述电源1；
S2、使电铸液从供液槽8进入所述光纤管电极3的金属管电极31内的电铸液流通通道310中并流至所述基板2上；
S3、使光源发出的激光束60经过所述光纤管电极3中的中空光纤32，并在所述中空光纤32的末端射出以照射至所述基板2上，以使所述激光束60与所述电铸液共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层。
具体地，所述激光束60由激光器61出射后，照射于所述二向色分光镜62上，使得其中一部分所述激光束60照射于所述圆锥透镜Ⅰ63上，进而作用于所述圆锥透镜Ⅱ64上形成中空环形光束544，随后照射于所述激光分束模块65上。进入所述激光分束模块65内的所述激光束60经过所述分光棱镜651分光后，反射于所述反射镜Ⅰ652和所述反射镜Ⅱ653上，随后又经所述反射镜Ⅰ652和所述反射镜Ⅱ653反射至所述反射镜66，进而被反射至所述激光合束模块54上。反射于所述激光合束模块54上的所述激光束60经过所述合光棱镜541、所述反射镜Ⅳ542和所述反射镜Ⅴ543作用后，从所述反射镜Ⅳ542和所述反射镜Ⅴ543出射，并与所述光纤管电极3中的所述导光基体321耦合，进而从所述光纤管电极3中的导光入口323入射进入所述导光基体321内。其中，由所述激光分束模块65形成的所述激光束60为两个半圆形中空环形光束654，而由所述激光合束模块54形成的所述激光束60则为一个完整的中空环形光束544。
进入所述导光基体321内的所述激光束60在所述外反射层322和所述金属管电极31的作用下，使其在所述导光基体321内发生全反射，并于所述导光出口324处出射。所述导光出口324则被加工为聚焦型的聚焦型微透镜结构，进而可形成实心光斑33或者中空环形光斑34。其中，所述实心光斑33使得激光在电沉积区域被聚集，当激光能量密度较高时，可使原子层沉积的成形层熔化并快速凝固，进而有效提高成形件9的致密度和性能。所述中空环形光斑34则使得激光聚焦于电沉积周围的区域，可很好地蚀除其周围残留的沉积物，进而可有效提高加工的定域性和加工精度。
参阅图9，优选地，在步骤S1之前，所述加工方法还包括采用三维软件建立三维模型，并利用切片软件进行分层切片而形成切片文件，随后将所述切片文件导入计算机4中，以使所述光纤管电极3随着成形件9轨迹的运动而运动；
配置所需浓度的电铸液，并将所述电铸液加入所述供液槽8内；
对所述基板2进行预处理，首先进行打磨和抛光处理，后进行表面除油、除垢和钝化处理，将所述基板2固定于所述机床20上，通过调节所述机床20的X轴和Y轴，找到加工位置，以使所述激光束60聚焦于所述基板2表面。
具体地，对所述基板2首先采用SiC砂纸进行打磨和抛光处理，后采用蒸馏水、丙酮和稀硫酸溶液进行表面除油、除垢和钝化处理，随后将其固定于所述机床20上，通过调节所述机床20的X轴和Y轴，找到合适的加工位置。
优选地，在步骤S2中，通过所述计算机4控制所述电铸液流动，通过观察CCD相机Ⅱ692反馈至计算机4上的结果，观察所述电铸液流动状态和流量计82示数，调节离心泵81和调节阀83获得所需的所述电铸液流速。
优选地，在步骤S3中，所述加工方法还包括确认加工参数与设备状态，通过所述计算机4开启各设备，使所述光纤管电极3沿着所建立模型的轨迹逐层成形，以形成成形件9，同时通过所述计算机4显示的结果监控成形过程。
具体地，在确认加工参数与设备状态中，控制所述计算机4开启各***，使由所述圆锥透镜Ⅰ63、所述圆锥透镜Ⅱ64、所述激光分束模块65、所述反射镜66、所述激光合束模块54以及所述光纤管电极3与所述光电液耦合机构5组成的部分沿着所建立模型的轨迹逐层成形，并通过所述计算机4上显示的结果监控成形过程。
参阅图8和图9，优选地，在步骤S3之后，所述加工方法还包括对所述成形件9进行光整处理。
具体地，成形的成形件表面质量差时，采用所述光整处理步骤进行光整处理。
优选地，所述光整处理包括如下步骤：
第一步：将成形过程中产生的废液排至废液槽85中，并控制所述计算机4开启供气装置41，采用由气体喷嘴42喷出的气体将所述成形件9上表面的废液清除。
第二步：确认光整参数，使得所述光源发出的激光束60经过所述中空光纤32射出并辐照于所述成形件9表面，随后控制所述机床20，使得所述机床20沿着所规划的轨迹对当前层进行光整处理。
具体地，在确认光整参数中，通过控制所述计算机4开启所述光电液耦合机构5和光所述纤管电极，使得所述激光器61发射所述激光束60，并先后经过所述二向色分光镜62、所述圆锥透镜Ⅰ63、所述圆锥透镜Ⅱ64、所述激光分束模块65、所述反射镜66、所述激光合束模块54以及所述导光基体321后，从所述导光出口324处出射并辐照于所述成形件9表面，然后控制所述机床20，使得其沿着所规划的轨迹对当前层进行光整处理。
第三步：使所述激光束60通过所述中空光纤32传输至所述成形件9表面，同时，使去离子水通过所述金属管电极31进入所述光纤管电极3的下端与所述成形件9表面之间的加工间隙，以使所述激光束60与水射流同步复合对所述成形件9进行光整处理；待处理完毕后，按照当前层继续成形，直至工件成形完毕。
在本实施例中，所述光整处理步骤有利于解决因热力效应而产生的重铸层与微裂纹等问题。
优选地，在步骤S3中，以激光器61作为光源，所述激光器61发出的一部分所述激光束60经过二向色分光镜62、圆锥透镜Ⅰ63、圆锥透镜Ⅱ64、激光分束模块65和反射镜66，所述二向色分光镜62倾斜设置，所述二向色分光镜62用于将所述激光束60进行反射，所述圆锥透镜Ⅰ63、所述圆锥透镜Ⅱ64、所述激光分束模块65和所述反射镜66从上至下依次设置于经过所述二向色分光镜62反射的所述激光束60的光路上；所述反射镜66倾斜设置，以使经过所述反射镜66反射形成的环形光束传播至所述光纤管电极3中。
优选地，在步骤S3中，经过所述反射镜66反射形成的环形光束还经过光电液耦合机构5之后进入到所述光纤管电极3中；
所述光电液耦合机构5包括耦合机构本体51、中空金属管52、中空反射镜53和激光合束模块54；
所述耦合机构本体51的内部从上至下依次设置有所述中空反射镜53和所述激光合束模块54，所述中空金属管52穿过所述中空反射镜53和所述激光合束模块54，所述中空金属管52上端与所述供液槽8相连，所述中空金属管52下端与所述光纤管电极3的所述金属管电极31相连，以形成封闭的所述电铸液导入通路。
优选地，在步骤S3中，所述激光器61发出的另一部分所述激光束60通过滤光片67和凸透镜68照射于CCD相机Ⅰ691上，用于观察激光、电铸液、电源与光纤管电极是否精准耦合，以及观察未注入电铸液时聚焦于基板上的光斑状态，从而实现光-电-液的精确传输及其相互作用
所述滤光片67、所述凸透镜68和所述CCD相机Ⅰ691位于所述二向色分光镜62的上方且从下至上依次设置的，所述CCD相机Ⅰ691用于与工控机7相连接，所述工控机7用于与所述计算机4相连接，所述计算机4用于与所述电源1相连接。
优选地，在步骤S3中，进入所述光纤管电极3的所述激光束60通过所述中空光纤32导光，并从所述中空光纤32的下端的聚焦型微透镜结构射出，形成聚焦为实心光斑33或者聚焦为中空环形光斑34。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，所述光纤激光与电沉积同轴复合加工装置包括：电源(1)、基板(2)、光源和光纤管电极(3)，所述基板(2)用于与所述电源(1)的电源负极相连接；
所述光纤管电极(3)包括从内至外依次套接设置的金属管电极(31)和中空光纤(32)，所述金属管电极(31)与所述电源(1)的电源正极相连接，所述金属管电极(31)内部设有电铸液流通通道(310)；
所述光源发出的激光束(60)用于通过所述中空光纤(32)导光，并聚焦于所述金属管电极(31)的轴线上而与电铸液在所述基板(2)上共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层；
所述加工方法包括如下步骤：
S1、将所述基板(2)固定于机床(20)上，并将所述基板(2)与所述电源(1)的电源负极相连，将所述光纤管电极(3)与所述电源(1)的电源正极相连，开启所述电源(1)；
S2、使电铸液从供液槽(8)进入所述光纤管电极(3)的所述金属管电极(31)内的电铸液流通通道(310)中并流至所述基板(2)上；
S3、使光源发出的激光束(60)经过所述光纤管电极(3)中的中空光纤(32)，并在所述中空光纤(32)的末端射出以照射至所述基板(2)上，以使所述激光束(60)与所述电铸液共同完成金属颗粒沉积，以形成沉积层。
2.根据权利要求1所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括采用三维软件建立三维模型，并利用切片软件进行分层切片而形成切片文件，随后将所述切片文件导入计算机(4)中，以使所述光纤管电极(3)随着成形件轨迹的运动而运动；
配置所需浓度的电铸液，并将所述电铸液加入所述供液槽(8)内；
对所述基板(2)进行预处理，首先进行打磨和抛光处理，后进行表面除油、除垢和钝化处理，将所述基板(2)固定于所述机床(20)上，通过观察CCD相机Ⅱ(692)反馈至计算机(4)上的结果，调节所述机床(20)的X轴和Y轴，找到加工位置，以使所述激光束(60)聚焦于所述基板(2)表面。
3.根据权利要求2所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S2中，通过所述计算机(4)控制所述电铸液流动，通过观察所述电铸液流动状态和流量计(82)示数，调节离心泵和调节阀(83)获得所需的所述电铸液流速。
4.根据权利要求3所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S3中，还包括确认加工参数与设备状态，通过所述计算机(4)开启各设备，使所述光纤管电极(3)沿着所建立模型的轨迹逐层成形，以形成成形件(9)，同时通过所述计算机(4)显示的结果监控成形过程。
5.根据权利要求4所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S3之后，还包括对所述成形件(9)进行光整处理。
6.根据权利要求5所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，所述光整处理包括如下步骤：
第一步：将成形过程中产生的废液排至废液槽(85)中，并控制所述计算机(4)开启供气装置(41)，采用由气体喷嘴(42)喷出的气体将所述成形件(9)上表面的废液清除；
第二步：确认光整参数，使得所述光源发出的激光束(60)经过所述中空光纤(32)射出并辐照于所述成形件(9)表面，随后控制所述机床(20)，使得所述机床(20)沿着所规划的轨迹对当前层进行光整处理；
第三步：使所述激光束(60)通过所述中空光纤(32)传输至所述成形件(9)表面，同时，使去离子水通过所述金属管电极(31)进入所述光纤管电极(3)的下端与所述成形件(9)表面之间的加工间隙，以使所述激光束(60)与水射流同步复合对所述成形件(9)进行光整处理；待处理完毕后，按照当前层继续成形，直至工件成形完毕。
7.根据权利要求1所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S3中，以激光器(61)作为光源，所述激光器(61)发出的一部分所述激光束(60)经过二向色分光镜(62)、圆锥透镜Ⅰ(63)、圆锥透镜Ⅱ(64)、激光分束模块(65)和反射镜(66)，所述二向色分光镜(62)倾斜设置，所述二向色分光镜(62)用于将所述激光束(60)进行反射，所述圆锥透镜Ⅰ(63)、所述圆锥透镜Ⅱ(64)、所述激光分束模块(65)和所述反射镜(66)从上至下依次设置于经过所述二向色分光镜(62)反射的所述激光束(60)的光路上；所述反射镜(66)倾斜设置，以使经过所述反射镜(66)反射形成的环形光束传播至所述光纤管电极(3)中。
8.根据权利要求7所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S3中，经过所述反射镜(66)反射形成的环形光束还经过光电液耦合机构(5)之后进入到所述光纤管电极(3)中；
所述光电液耦合机构(5)包括耦合机构本体(51)、中空金属管(52)、中空反射镜(53)和激光合束模块(54)；
所述耦合机构本体(51)的内部从上至下依次设置有所述中空反射镜(53)和所述激光合束模块(54)，所述中空金属管(52)穿过所述中空反射镜(53)和所述激光合束模块(54)，所述中空金属管(52)上端与所述供液槽(8)相连，所述中空金属管(52)下端与所述光纤管电极(3)的所述金属管电极(31)相连，以形成封闭的所述电铸液导入通路。
9.根据权利要求7所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S3中，所述激光器(61)发出的另一部分所述激光束(60)通过滤光片(67)和凸透镜(68)照射于CCD相机Ⅰ(691)上；
所述滤光片(67)、所述凸透镜(68)和所述CCD相机Ⅰ(691)位于所述二向色分光镜(62)的上方且从下至上依次设置的，所述CCD相机Ⅰ(691)与工控机(7)相连接，所述工控机(7)用于与所述计算机(4)相连接，所述计算机(4)用于与所述电源(1)相连接。
10.根据权利要求1所述的基于光纤激光与电沉积同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，在步骤S3中，进入所述光纤管电极(3)的所述激光束(60)通过所述中空光纤(32)导光，并从所述中空光纤(32)的下端的聚焦型微透镜结构射出，形成聚焦为实心光斑(33)或者聚焦为中空环形光斑(34)。
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