本發(fā)明涉及激光加工微孔，具體是一種變?nèi)肷浣歉哔|(zhì)量微孔加工方法。

背景技術(shù)：

1、微孔作為一種微細(xì)結(jié)構(gòu)，在航空航天、航海、新能源、微流體等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，其加工質(zhì)量和精度更是衡量一個國家工業(yè)制造水平的高低，目前，隨著產(chǎn)品和部件的微型化，航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω呱顝奖群透哔|(zhì)量微孔的需求呈現(xiàn)出穩(wěn)定的增長態(tài)勢，例如發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔、發(fā)動機燃油噴嘴孔、航天器推力控制噴射孔等。

2、傳統(tǒng)的微孔加工方法如機械鉆孔，存在適配微型刀具制造困難的問題，且刀具的剛度和強度等性能無法滿足加工要求，尤其在加工深微孔時，產(chǎn)生排屑和散熱困難，容易導(dǎo)致刀具損傷和加工硬化等影響微孔精度的問題；超聲加工微孔同樣存在刀具磨損嚴(yán)重的問題；高壓水射流法制孔成本過高且加工表面質(zhì)量差；電化學(xué)加工和微細(xì)電火花加工能夠不受材料的強度和硬度限制加工微孔，但加工出來的微孔存在著重鑄層、錐度大和微裂紋等問題，待加工基體僅受限于具備導(dǎo)電性能的材料，制孔精度較低；電子束加工和離子束加工成本高，適配的加工設(shè)備昂貴，且制孔環(huán)境需要真空；綜合現(xiàn)有的加工方法可見，針對高質(zhì)量微孔的加工技術(shù)亟需開發(fā)。

3、激光加工技術(shù)作為一種高效率、高質(zhì)量、綠色環(huán)保、柔性智能的技術(shù)方法，它利用激光脈沖在極短的時間內(nèi)向材料注入巨大的能量，具有高質(zhì)量可控加工優(yōu)點，利用光熱效應(yīng)可實現(xiàn)不與工件材料直接接觸加工出微孔，從根本上很好的解決了傳統(tǒng)機械加工微細(xì)刀具制造困難，強度低等問題，在加工最小尺寸和加工精度，高硬度、強度的材料以及微細(xì)群孔等特征結(jié)構(gòu)上的高精密、高質(zhì)量加工上具備極大的潛力，然而，孔形錐度缺陷是激光微孔加工難以解決的一個問題，受限于激光能量高斯分布、焦點難以調(diào)控、入射角不可變等因素，本質(zhì)上是激光本身的能量特性和作用材料機理的一個表現(xiàn)，通過工藝參數(shù)的直接優(yōu)化可以讓激光能量分布更加集中和均勻，但無法達(dá)到完美的理想無錐直孔加工狀態(tài)，只能做到盡量減小錐度，但無法徹底消除，嚴(yán)重制約了微孔的高質(zhì)量加工。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的主要技術(shù)問題是提供一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，實現(xiàn)微孔錐度的可控加工。

2、為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，包括如下步驟：

3、s1：依據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和性能要求確定微孔材料類型，設(shè)計微孔的幾何特征參數(shù)，所述參數(shù)包括尺寸及深徑比；

4、s2：針對所述的微孔材料類型和參數(shù)，編寫加工路徑圖檔，控制激光束逐層以螺旋線方式按照圖檔路徑進行打孔；

5、s3：對每一層進行加工時，激光按照圖檔路徑以螺旋線方式進行掃描，之后在每層邊緣以同心圓方式進行修邊；

6、s4：通過實驗擬合出入射角α和錐度θ和函數(shù)關(guān)系得α＝f(θ)，通過該函數(shù)確定每層入射角度的補償量，逐層遞減角度補償，將通孔內(nèi)的正錐度逐步消除；

7、s5：如此循環(huán)，按照這種方式，完成所有層數(shù)的加工；

8、s6：加工至最后一層后，以同心圓方式進行自下而上、自上而下往復(fù)修邊。

9、在一較佳實施例中：所述材料類型包括金屬、合金、陶瓷、聚合物以及復(fù)合材料。

10、在一較佳實施例中：述裝置包括激光發(fā)生器、反射鏡、pbs功率衰減模組、偏振調(diào)節(jié)模組、五軸振鏡掃描系統(tǒng)、加工平臺、工裝夾具、輔助系統(tǒng)和運動系統(tǒng)；所述激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過反射鏡、pbs功率衰減模組、偏振調(diào)節(jié)模組、五軸振鏡掃描系統(tǒng)后，作用在工件上進行打孔；

11、所述激光發(fā)生器用于產(chǎn)生激光脈沖，脈沖持續(xù)時間在納秒至飛秒量級，依據(jù)不同材料的微孔選擇不同且合適的輸出波長的激光器；

12、所述五軸振鏡掃描系統(tǒng)用于控制激光束在待加工材料預(yù)定位置進行打孔，并實現(xiàn)激光入射角的改變；

13、所述工裝夾具用于夾持待打孔的工件；

14、所述輔助系統(tǒng)用于去除激光打孔過程中產(chǎn)生的粉塵；

15、所述運動系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)激光加工的位置、深度以及輔助系統(tǒng)作用的位置。

16、在一較佳實施例中：所述五軸振鏡掃描系統(tǒng)包括擴束模塊、偏轉(zhuǎn)模塊、掃描模塊、聚焦模塊和加工平臺；

17、所述擴束模塊包括第一凸透鏡和第一凹透鏡，用于減小光束發(fā)散角、改善光束質(zhì)量；

18、所述偏轉(zhuǎn)模塊包括兩組反射式振鏡，一組反射式振鏡用來改變光束的傾角ɑ，另一組反射式振鏡用改變光束的傾角β；

19、所述掃描模塊包括兩個反射式振鏡，實現(xiàn)激光在x和y平面的掃描；

20、所述聚焦模塊包括第二凸透鏡和第二凹透鏡，實現(xiàn)激光光束在加工平面的聚焦。

21、在一較佳實施例中：所述加工路徑圖檔中包括激光功率、掃描方式、螺距、掃描速度、掃描次數(shù)和入射角度。

22、在一較佳實施例中：在步驟s4中，通過實驗擬合出入射角α和錐度θ和函數(shù)關(guān)系得α＝f(θ)，后續(xù)每層激光加工的入射角變化量通過該函數(shù)進行確定，逐層遞減角度補償，以消除通孔正錐度。

23、在一較佳實施例中：在加工最后一層后，以同心圓方式進行自上而下，自下而上的往復(fù)修邊。

24、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案具備以下有益效果：

25、(1)適用于高深徑比微孔的加工，成形質(zhì)量好，加工成形后經(jīng)過簡單清洗后表面較光滑，無需其他的后續(xù)處理。

26、(2)試樣放置在加工平臺上進行加工。加工可設(shè)計性好，可根據(jù)需要對微加工形狀及尺寸設(shè)計和加工。

27、(3)通過逐層調(diào)整入射角以補償離焦、激光高斯分布的影響，從而精確控制孔錐度，能夠?qū)崿F(xiàn)無錐度、負(fù)錐度等微孔加工，加工出來的直孔及負(fù)錐孔可以應(yīng)用于航空航天、微流體等領(lǐng)域，顯著提高零部件的安裝精度、定位及裝配精度，提升微流體流動效率；負(fù)錐孔可以作為航天發(fā)動機葉片氣膜冷卻孔，提高葉片的散熱速度等。

技術(shù)特征：

1.一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，其特征在于包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，其特征在于：所述材料類型包括金屬、合金、陶瓷、聚合物以及復(fù)合材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，其特征在于：所述裝置包括激光發(fā)生器、反射鏡、pbs功率衰減模組、偏振調(diào)節(jié)模組、五軸振鏡掃描系統(tǒng)、加工平臺、工裝夾具、輔助系統(tǒng)和運動系統(tǒng)；所述激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過反射鏡、pbs功率衰減模組、偏振調(diào)節(jié)模組、五軸振鏡掃描系統(tǒng)后，作用在工件上進行打孔；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，其特征在于：所述五軸振鏡掃描系統(tǒng)包括擴束模塊、偏轉(zhuǎn)模塊、掃描模塊、聚焦模塊；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，其特征在于：所述加工路徑圖檔中包括激光功率、掃描方式、螺距、掃描速度、掃描次數(shù)和入射角度。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，其特征在于：在步驟s4中，通過實驗擬合出入射角α和錐度θ和函數(shù)關(guān)系得α＝f(θ)，后續(xù)每層激光加工的入射角變化量通過該函數(shù)進行確定，逐層遞減角度補償，以消除通孔正錐度。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，其特征在于：在加工最后一層后，以同心圓方式進行自上而下，自下而上的往復(fù)修邊。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種實時調(diào)整激光入射角的微孔加工方法，S1：依據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和使用性能要求確定微孔材料類型、微孔尺寸及深徑比等參數(shù)；S2：針對所述的微孔材料類型和特征參數(shù)，編寫加工路徑圖檔，控制激光束逐層以螺旋線方式按照圖檔路徑進行打孔；S3：對每一層進行加工時，激光按照圖檔路徑以螺旋線方式進行掃描，之后在邊緣位置以同心圓方式進行修邊；S4：通過實驗擬合出入射角和錐度的函數(shù)關(guān)系，調(diào)節(jié)每層激光加工的入射角，并通過該函數(shù)確定每層入射角度的補償量逐層遞減補償，消除通孔正錐度；S5：如此循環(huán)，按照這種方式，完成所有層數(shù)的加工；S6：最后一層加工結(jié)束后，以同心圓方式進行自下而上、自上而下往復(fù)修邊，實現(xiàn)微孔高質(zhì)量加工。

技術(shù)研發(fā)人員：周偉,王禹祺,羅濤,馬堯,徐文俊,林偉龍,董坤,吳粦靜
受保護的技術(shù)使用者：廈門大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19