一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置及加工方法
【专利摘要】本发明提供了一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置及加工方法，该喷嘴装置，包括具有中心通道的喷嘴本体，在所述喷嘴本体的前端开设有前端口，在所述前端口处连接有能拆装的圆锥状的前喷嘴，所述前喷嘴具有轴向贯通的通道，所述前喷嘴的通道与所述喷嘴本体的中心通道相连通，在所述前喷嘴的侧壁上沿一斜面加工成形有与所述前喷嘴的通道相连通的斜缺口，所述斜面与所述前喷嘴的中心轴线呈规定的夹角。本发明提高了加工大倾角小孔的质量、效率，增加加工小孔深度，从而实现大倾角小孔高效、高质量加工。
【专利说明】—种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置及加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置及大倾角小孔加工方法，本发明可保证大倾角条件下大深径比小孔加工的质量及效率，适用于航空发动机热端部件气膜冷却孔加工，属于激光材料加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，激光加工小孔的方法主要有定点冲击加工法和旋转切割加工法，其中，旋转切割辅助吹气加工小孔，以下简称旋切加工小孔，其激光切割路径为圆形，圆弧插补平面垂直于光轴。如图1所示，为现有的激光旋切加工小孔的切割路径投影示意图，即切割路径为圆形，切割路径按箭头所指方向依次为O-a-b-c-d-e-f-O。由于旋切加工小孔具有精度高，孔壁、孔口表面质量好等优点，在航空发动机叶片、燃烧室等热端零件气膜冷却孔加工中广泛使用。该旋切加工小孔方法质量好的一个重要原因是，在旋切加工过程中采用与聚焦激光光束同轴的喷嘴，该喷嘴通常呈圆锥形，喷嘴辅助吹氧气或辅助吹高压氩气或氮气、压缩空气，这样在加工过程中形成的熔化物在一定压力及流速的气流作用下易于从形成的切缝通道中被去除，从而尽可能避免熔化物围绕孔壁和在孔口再次凝固形成再铸层、毛刺等，气体压力大,流速高,去除效果更好,加工质量高。
[0003]随着航空发动机的发展，尤其是新型的涡轴发动机回流燃烧室需要加工大倾角小孔，大倾角小孔是指小孔轴线与工件表面法向夹角超过75°甚至达到85°的倾角加工小孔，小孔的深径比最大超过20:1。然而，针对大倾角小孔加工，传统的旋切加工方式将难以实施，这是因为在小倾角小孔加工时，喷嘴可以贴近工件，激光焦点(一般位于喷嘴下方1-3_)可以调整为位于工件表面或内部，但如果小孔的倾角过大，很显然，由于喷嘴本身加工锥度限制并且需要工件或喷嘴以孔轴为中心作圆弧插补运动，喷嘴难以贴近工件表面，从而导致喷嘴与工件在光轴方向间距过大，这就产生了以下一些技术缺陷:
[0004]1、激光焦点位置偏离工件表面，导致与工件作用的激光功率密度及能量密度显著下降；
[0005]2、作用于切缝的气体压力及流速会明显降低；
[0006]3、由于旋切加工需要喷嘴与工件在与光轴方向垂直的水平面内作圆弧相对移动，倾角过大将导致加工同一小孔时，在圆弧不同位置，喷嘴与工件间距、相应焦点位置差异明显，造成孔壁质量的一致性差。
[0007]另外，由于大倾角小孔的深径比较大，例如，1.2mm工件，加工60°倾角小孔，深度仅2.4_，若倾角为82.5°，小孔深度急剧增加至9.2_。
[0008]因此，采用现有旋切辅助吹气方式加工大倾角小孔将直接导致加工小孔质量、效率的下降，使加工小孔的深度、深径比受到限制。工件愈厚，倾角愈大，这种负面效应愈明显。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种能够提高加工大倾角小孔的质量、效率，增加加工小孔深度的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置。
[0010]本发明的另一个目的是提供一种采用上述激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置的大倾角小孔加工方法，该加工方法能够提高加工大倾角小孔的质量、效率，增加加工小孔深度，从而实现大倾角小孔高效、高质量加工。
[0011]为达到上述目的，本发明提出一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，用于在工件表面加工大倾角小孔，所述喷嘴装置包括具有中心通道的喷嘴本体，在所述喷嘴本体的前端开设有前端口，在所述前端口处连接能拆装的有圆锥状的前喷嘴，所述前喷嘴具有轴向贯通的通道，所述前喷嘴的通道与所述喷嘴本体的中心通道相连通，在所述前喷嘴的侧壁上沿一斜面加工成形有与所述前喷嘴的通道相连通的斜缺口，所述斜面与所述前喷嘴的中心轴线呈规定的夹角。
[0012]如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其中，所述斜缺口所在的斜面与所述前喷嘴的中心轴线的夹角等于所述工件表面与待加工大倾角小孔中心轴线的夹角。
[0013]如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其中，所述前喷嘴与所述喷嘴本体卡接或螺纹连接在一起。
[0014]如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其中，所述的斜缺口呈椭圆形。
[0015]本发明还提供了一种大倾角小孔加工方法，所述加工方法使用激光加工小孔设备，所述激光加工小孔设备包括有如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，所述加工方法包括:
[0016]将所述喷嘴装置安装在所述激光加工小孔设备的激光聚焦镜前端；
[0017]将所述喷嘴装置的前喷嘴贴近工件表面的待加工大倾角小孔处，并使得所述前喷嘴的斜缺口所在的斜面与所述工件表面相吻合；
[0018]开启所述激光加工小孔设备，由所述激光加工小孔设备产生的激光束经由所述喷嘴装置前端的激光聚焦镜聚焦于待加工工件表面或所述工件内部的所述大倾角小孔的中心轴线处，激光束焦点在所述工件内部所述大倾角小孔的中心轴线处的位置，可根据加工小孔深度进行调整；
[0019]所述激光束在与通过所述待加工工件表面与待加工大倾角小孔的中心轴线交点的所述加工工件表面的法线垂直的平面内沿椭圆形切割轨迹进行旋切，完成大倾角小孔的激光旋切加工成形。
[0020]与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点:
[0021]1、本发明的大倾角小孔加工方法，其切割插补路径将从现有的圆形改变为椭圆形，椭圆长短轴的尺寸将取决于小孔倾斜角度、孔径要求及加工试验结果，激光焦点位置在孔轴向始终不变，喷嘴装置与工件的间距也不会发生变化，因此提高了加工的稳定性和一致性。
[0022]2、本发明的喷嘴装置的前喷嘴靠近工件表面一侧铣削成形有与所述前喷嘴的通道相连通的斜缺口，使得圆锥形前喷嘴具有更大斜角的平面，且斜缺口呈椭圆形，实现了喷嘴装置尽量贴近工件表面，有助于提高焦点调节范围，从而保证激光束的焦点位于工件表面甚至可以调整至工件内部，有利于加工大深径比小孔，进而避免碰撞干涉。【专利附图】
【附图说明】
[0023]在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
[0024]图1为现有的激光旋切加工小孔的切割路径投影示意图；
[0025]图2为本发明激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置的结构示意图；
[0026]图3为本发明激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置使用时的剖面结构示意图；
[0027]图4为本发明大倾角小孔加工方法的加工状态示意图；
[0028]图5为本发明大倾角小孔加工方法的切割路径投影示意图。
[0029]附图标记说明:
[0030]1-喷嘴装置；11_喷嘴本体；12_中心通道；13_前端口 ；14_前喷嘴；15_通道；16-斜缺口 ；2_工件；3_大倾角小孔；4_激光束；5_激光束的中心轴；6_工件表面中心点；7-大倾角小孔的中心轴；8-交点；9_法线。
【具体实施方式】
[0031]结合附图和本发明【具体实施方式】的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的【具体实施方式】，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
[0032]请参考图2、图3，分别为本发明激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置的结构示意图和使用时的剖面结构示意图。如图2、图3所示，本发明提出的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置1，用于在工件2表面加工大倾角小孔3 (如图4所示)。喷嘴装置I包括具有中心通道12的喷嘴本体11，在喷嘴本体11的前端开设有前端口 13，在前端口 13处连接有能拆装的圆锥状的前喷嘴14，以便于更换前喷嘴14。前喷嘴14具有轴向贯通的通道15，前喷嘴14的通道15与喷嘴本体11的中心通道12相连通，从而构成整个喷嘴装置的轴向贯通的激光束通道。在本发明中，在前喷嘴14的侧壁上沿一斜面加工成形有与前喷嘴14的通道15相连通的斜缺口 16，斜缺口 16所在的斜面与前喷嘴14的中心轴线呈规定的夹角，以使得当喷嘴装置I与工件2相贴近时，斜缺口 16所在斜面与工件表面相贴合的同时，前喷嘴14的出口端恰好位于待加工的大倾角小孔加工区域内。这样，使得由前喷嘴14的出口端射出的激光束4能够聚焦于待加工的大倾角小孔的加工面上，最大限度地实现了喷嘴装置I与工件2表面的贴合，从而保证激光束4焦点位于工件表面甚至可以调整至工件内部，有利于加工大深径比小孔，并且避免碰撞干涉，显著提高了加工小孔深度及加工大深径比小孔的效率。本发明的斜缺口 16通过铣削加工成形，前述规定的夹角范围根据实际加工工况进行选择，本发明对此不作限制。
[0033]通常情况，如图4所示，斜缺口 16所在的斜面与前喷嘴14的中心轴线的夹角等于工件2表面与待加工大倾角小孔中心轴线的夹角。
[0034]在本发明中，前喷嘴14与喷嘴本体11采用卡接或螺纹连接或其它适宜的可拆装的连接方式。[0035]进一步的，前喷嘴14的斜缺口 16呈椭圆形，以利于斜缺口 16所在斜面与工件2表面贴合的更加紧密。
[0036]请参考图4、图5，分别为本发明大倾角小孔加工方法的加工状态示意图和切割路径投影示意图。如图4、图5所示，本发明还提供了一种大倾角小孔加工方法，该加工方法使用激光加工小孔设备，激光加工小孔设备包括有如上所述激光旋切加工大倾角小孔3的喷嘴装置I，该加工方法包括:
[0037]首先，将喷嘴装置I安装在激光加工小孔设备的聚焦镜前端，使得激光加工小孔设备发射的激光束4经由喷嘴装置I出射至被加工工件2的表面；
[0038]其次，将喷嘴装置I的前喷嘴14贴近工件2表面的待加工大倾角小孔3处，并使得前喷嘴14的斜缺口 16所在的斜面恰好与工件2表面相吻合，此时前喷嘴14的端口对应于待加工大倾角小孔3的加工区域上；
[0039]接着，开启激光加工小孔设备，激光加工小孔设备产生的激光束4经由喷嘴装置I前端聚焦镜聚焦于待加工工件2表面或工件2内部；
[0040]随后，在加工过程中，如图5所示，激光束4在与通过工件表面与待加工大倾角小孔的中心轴线交点的工件表面的法线垂直的平面内，即加工孔轴线与工件表面交点相切面内沿椭圆形切割轨迹进行旋切，即如图5所示，激光束4切割路径按箭头所指方向依次为O’ -a’ -b’ -c’ -d’ -e’ -f’ -0’，从而完成大倾角小孔2的激光旋切加工成形。
[0041 ] 在本发明中，激光加工小孔设备采用现有的5轴数控脉冲YAG激光加工小孔设备，喷嘴装置安装在加工头结构上，提高激光聚焦焦深量，有利于加工深孔，并且易于加工喷嘴更贴近工件表面，根据激光束参数、焦距、聚焦特性等，激光加工小孔设备的聚焦镜的焦距150mm聚焦镜更换为焦距200mm的聚焦镜。
[0042]在加工孔轴线与工件表面交点相切面内旋切插补路径，可以采用倾斜平面加工方式(即当采用工件倾斜方式，加工头垂直于工作台X-Y平面)，也可以采用将工件待加工孔轴线与工件表面交点相切面平行工作台X-Y平面，加工头倾斜，从而在X-Y平面内插补的方式。
[0043]如图4所示，在使用本发明的小孔加工方法时，激光束4的中心轴5倾斜于工件2表面，但切割路径插补平面并非垂直于中心轴5，而是工件2表面或与加工斜孔(即大倾角小孔3)位于工件表面中心点6相切的平面，也就是运动轨迹插补平面垂直于通过大倾角小孔3的中心轴7与工件表面的交点8的法线9。
[0044]为了实现上述方法加工大倾角小孔，实际切割插补路径将从现有的圆形改变为椭圆形，椭圆长短轴的尺寸将取决于小孔倾斜角度、孔径要求及加工试验结果；另外，本发明的喷嘴装置的前喷嘴靠近工件表面一侧铣削成形有与所述前喷嘴的通道相连通的斜缺口16，使得圆锥形前喷嘴具有更大斜角的平面，且斜缺口 16呈椭圆形，实现了喷嘴装置I尽量贴近工件2表面，有助于提高焦点调节范围，从而保证激光束的焦点位于工件表面甚至可以调整至工件内部，有利于加工大深径比小孔，进而避免碰撞干涉。
[0045]本发明采用上述旋切加工大倾角小孔加工方法，激光焦点位置在孔轴向始终不变，喷嘴装置与工件的间距也不会发生变化，因此提高了加工的稳定性和一致性。
[0046]针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。
【权利要求】
1.一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，用于在工件表面加工大倾角小孔，所述喷嘴装置包括具有中心通道的喷嘴本体，在所述喷嘴本体的前端开设有前端口，其特征在于，在所述前端口处连接有能拆装的圆锥状的前喷嘴，所述前喷嘴具有轴向贯通的通道，所述前喷嘴的通道与所述喷嘴本体的中心通道相连通，在所述前喷嘴的侧壁上沿一斜面加工成形有与所述前喷嘴的通道相连通的斜缺口，所述斜面与所述前喷嘴的中心轴线呈规定的夹角。
2.如权利要求1所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其特征在于，所述斜缺口所在的斜面与所述前喷嘴的中心轴线的夹角等于所述工件表面与待加工大倾角小孔中心轴线的夹角。
3.如权利要求1所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其特征在于，所述前喷嘴与所述喷嘴本体卡接或螺纹连接在一起。
4.如权利要求1至3中任一项所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其特征在于，所述的斜缺口呈椭圆形。
5.一种大倾角小孔加工方法，所述加工方法使用激光加工小孔设备，其特征在于，所述激光加工小孔设备包括有如权利要求1至4中任一项所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，所述加工方法包括: 将所述喷嘴装置安装在所述激光加工小孔设备的激光聚焦镜前端； 将所述喷嘴装置的前喷嘴贴近工件表面的待加工大倾角小孔处，并使得所述前喷嘴的斜缺口所在的斜面与所述工件表面吻合； 开启所述激光加工小孔设备，由所述激光加工小孔设备产生的激光束经由所述喷嘴装置前端的激光聚焦镜聚焦于待加工工件表面或所述工件内部的所述大倾角小孔的中心轴线处，激光束焦点在所述工件内部所述大倾角小孔的中心轴线处的位置，可根据加工小孔深度进行调整； 所述激光束在与通过所述待加工工件表面与待加工大倾角小孔的中心轴线交点的所述加工工件表面的法线垂直的平面内沿椭圆形切割轨迹进行旋切，完成大倾角小孔的激光旋切加工成形。
【文档编号】B23K26/38GK103464902SQ201310367495
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】张晓兵, 马宁 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所