一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置及方法。为了解决现有技术难以高效加工出无缺陷的微小孔的问题，本装置包括设置有工件夹具的机床底座，以及垂直设置在机床底座上的机床立柱，工件夹具上方设置有固定在机床立柱上的通过转换电机带动的电解加工阴极喷嘴和激光器发射头，电解加工阴极喷嘴和激光器发射头轴线共面设置，通过转换电机转换，整合激光加工高效率和电解加工质量好的优点，实现了微小群孔的高质量高效加工。
【专利说明】—种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无重铸层微小孔的加工装置及方法，具体涉及一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，精密器械产品和航空工业中微小群孔结构的广泛应用，使得微小孔加工技术引起了国内外科学界和工程界的普遍关注。微小孔加工方法分为三大类:机械加工、特种加工以及复合加工。机械加工主要包括机械钻孔、机械冲孔；特种加工主要包括激光加工、电火花加工、电解加工、超声加工、电子束加工、离子束加工等。
[0003]对于某些具有特殊技术要求的微小孔或者采用高温合金等难加工材料制造的零件上的微小孔，如航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔，其孔径大致在0.3-1.5mm范围内，承受着很大的热负荷和机械负荷，传统的机械加工方法显然难于满足要求。而几种特种加工方式都各有其优势和局限性，激光加工是典型的热加工过程，其加工速度快，材料适用范围广，但是极易在工件表面形成重铸层和微裂纹，严重影响零件的使用寿命和性能，因而限制了激光加工技术在航空航天等高可靠性制造中的应用；电火花加工效率较激光加工低，且同样存在重铸层；电解加工利用阳极电化学溶解原理对材料进行蚀除，该技术具有不受材料力学性能、机械性能限制，零件表面加工质量好，无重铸层和残余应力，无热影响区，工具阴极无损耗等优点，但加工效率远低于电火花加工和激光加工技术。
[0004]目前，去除激光、电火花加工微小孔重铸层的通用方法是采用磨料流工艺，磨料流加工是利用一种含磨料的半流动状态的粘弹性磨料介质，在一定压力下强迫在被加工表面上流过，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料的工艺方法。该方法可以获得较好的表面质量，但死角难以去除，且对重铸层的去除不够均匀。近来，也有人提出采用特定的化学溶液对工件进行腐蚀去除重铸层，这种方法是基于重铸层和基体材料由于组织和成分的差异对化学溶液具有不同的耐蚀性原理，具有去除重铸层均匀、经济性好的优点，但是通用性差，而且可能会对工件重要部位有一定程度的损伤。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述不足，提供一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置及方法，能够整合激光加工高效率和电解加工质量好的优点，实现了微小群孔的高质量高效加工。
[0006]为了达到上述目的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置包括设置有工件夹具的机床底座，以及垂直设置在机床底座上的机床立柱，工件夹具上方设置有固定在机床立柱上的通过转换电机带动的电解加工系统和激光器系统；
[0007]所述电解加工系统包括与转换电机连接并具有工具阴极的阴极喷嘴，以及与阴极喷嘴相连的电解液循环系统和供电回路，供电回路的正极连接工件夹具，负极连接工具阴极；[0008]所述激光器系统包括Nd:YAG毫秒脉冲激光器、与Nd:YAG毫秒脉冲激光器相连的冷水机，以及与转换电机相连的激光器发射头，NdiYAG毫秒脉冲激光器和转换电机连接计算机。
[0009]所述工件夹具下设置有Y轴工作台，y轴工作台下设置有X轴工作台，X轴工作台的一侧设置有定位板，转换电机通过z轴工作台固定在机床立柱上,z轴工作台连接有z轴伺服电机；所述X轴工作台、y轴工作台和z轴工作台均连接计算机。
[0010]所述阴极喷嘴包括顶套、连接板、钻夹头后轴、钻夹头、内导流套、外导流套和工具阴极；
[0011]所述连接板通过两个对称布置的直角连接块连接在z轴工作台上，阴极喷嘴顶端设置具有中心孔的顶套，钻夹头后轴和顶套通过中心孔连接固定；连接板下端设置具有空腔的内导流套，内导流套下端同轴连接有外导流套，内导流套和外导流套的间隙形成了电解液流道，流道呈收敛状，内导流套的空腔中设置有钻夹头，工具阴极与钻夹头连接并伸到外导流套外，工具阴极的前端包裹绝缘导向套。
[0012]所述钻夹头与内导流套间设置有第一密封圈，所述工具阴极与绝缘导向套间设置有第二密封圈。
[0013]所述工件夹具设置在工作箱内，工作箱底部连接电解液循环系统，工作箱包括绝缘安装台，以及设置在绝缘安装台上的夹具安装台，工件夹具设置在夹具安装台上。
[0014]所述夹具安装台通过T型螺栓和法兰面螺母固定在夹具安装台上。
[0015]所述工作箱的四周围栏的材料采用有机玻璃。
[0016]所述工作箱具有环氧树脂盖，环氧树脂盖的上面和下面均设有导流槽，并设置有加工所需的相应空间。
[0017]一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工方法，包括以下步骤:
[0018]步骤一:利用计算机设定脉冲激光参数，并编制相应的运动程序，通过激光器开关的通断控制激光加工过程和辅助运动过程，一次性在固定在工件夹具上的工件制备出若干预制孔；
[0019]步骤二:保持X轴工作台和J轴工作台位置不变，升起激光器发射头，使转换电机逆时针准确旋转90度，将电解工具阴极切换到工作位置；
[0020]步骤三:开启对刀电源，在工具阴极与工件阳极间施加I伏的对刀电压，z轴工作台缓慢进给，利用短路对刀法引导棒状电极伸入预制孔中；
[0021]步骤四:在z轴工作台的带动下使工具阴极缓慢进给，使外导流套下端橡胶衬垫紧贴工件，启动电解液循环系统，并将电源输出电压调整为加工电压，开始重铸层的去除工序，完成一个孔后，升起电解加工头，逆向运行工作台运动程序，对下一个孔的重铸层进行去除。
[0022]与现有技术相比，本发明一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置具有激光器系统和电解加工系统，整合了激光加工高效率和电解加工质量好的优点，可实现微小群孔的高质量高效加工，且工序切换只需在z轴工作台上调整，大幅减少了电解对刀的工作量。
[0023]进一步的，本发明一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置具有X轴工作台、y轴工作台和z轴工作台，能够通过计算机程序控制实现联动。[0024]进一步的，本发明一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置具有有机玻璃的工作箱，便于观察加工过程。
[0025]进一步的，本发明一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置的工作箱具有环氧树脂盖，防止电解过程中盐雾飞溅。
[0026]本发明一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工方法充分发挥了激光加工高效率和电解加工无缺陷的优点，利用激光加工技术快速形成预制孔，孔壁残留的少许重铸层和加工余量由电解方法去除，由于有预制孔，利用高压环电极外冲液方式的电解加工去除预期厚度的重铸层，并实现孔内壁的抛光，使用这种加工方案的工具电极可以是实心的棒状电极，故能获得比中空管状电极更小的电极尺寸，扩展了加工的孔径范围，电解加工工序去除的材料比较少，相比传统的电解方法，复合加工可以取得接近激光加工的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明装置的三维示意图；
[0028]图2是本发明装置中阴极喷嘴的结构示意图；
[0029]图3是本发明装置中工作腔的结构示意图；
[0030]图4是本发明激光快速形成孔形的示意图；
[0031]图5为本发明电解去除重铸层和裂纹的示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0033]参见图1，一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置包括设置有工件夹具13的机床底座11，机床底座11上垂直设置有机床立柱17，工件夹具13下设置有y轴工作台10，y轴工作台10下设置有X轴工作台9，X轴工作台9的一侧设置有定位板8，转换电机2通过z轴工作台16固定在机床立柱17上，z轴工作台16连接有z轴伺服电机18，x轴工作台9、y轴工作台10和z轴工作台16均连接计算机，工件夹具13上方设置有固定在机床立柱17上的通过转换电机2转换的电解加工系统和激光器系统；电解加工系统包括与转换电机2连接并具有工具阴极14的阴极喷嘴，以及与阴极喷嘴相连的电解液循环系统和供电回路，供电回路的正极连接工件夹具13，负极连接工具阴极14。阴极喷嘴连接有进液管，进液管的另一端伸入电解液槽7中，进液管从入口到出口依次设置有过滤器6、耐蚀泵5、调压阀4和流量计3，耐蚀泵5和调压阀4间设置有伸入电解液槽7的溢流管，溢流管上设置有溢流阀，调节电解液在喷嘴处的流速；激光器系统包括Nd = YAG毫秒脉冲激光器、与Nd = YAG毫秒脉冲激光器相连的冷水机，以及与转换电机2相连的激光器发射头15，NdiYAG脉冲激光器所产生的毫秒脉冲激光由光纤引导进入激光器发射头15，Nd:YAG脉冲激光器和转换电机2连接计算机。
[0034]参见图2，阴极喷嘴包括顶套27、连接板20、钻夹头后轴19、钻夹头22、内导流套23、外导流套25和工具阴极14 ;连接板20通过两个对称布置的直角连接块连接在z轴工作台16上，阴极喷嘴顶端设置具有螺纹中心孔的顶套27，钻夹头后轴19和顶套27通过螺纹连接中心孔固定；连接板20下端通过定位槽固定具有空腔的内导流套23，内导流套23下端同轴连接有外导流套25，连接板20与顶套27以及内导流套23均采用内六角螺钉连接，并由相应的定位凸台和定位槽保证同轴度，内导流套23和外导流套25的间隙形成了电解液流道，流道呈收敛状，内导流套23外圆柱面上加工出外螺纹，同轴连接着外导流套25，内导流套23的空腔中设置有钻夹头22，工具阴极14与钻夹头22连接并伸到外导流套25外，工具阴极14的前端包裹绝缘导向套24，钻夹头22与内导流套23间设置有三个第一密封圈21，所述工具阴极14与绝缘导向套24间设置有一个第二密封圈26。
[0035]内导流套23和外导流套25的间隙形成了电解液流道，流道呈收敛状，出口指向微细电极，实现了电解加工时的轴向冲液。这种冲液方式相比传统的冲液方式(正流、反流、侧流)，可避免工具电极的振动，同时带走加工过程中的金属离子和微小气泡，显著提高了加工过程的稳定性。参见图3，工件夹具13设置在四周围栏采用有机玻璃制成的工作箱12内，并具有环氧树脂盖28，环氧树脂盖28的上面和下面均设有导流槽，中心区域切割出复合加工所需的相应空间，工作箱12整体置于安装基座上，安装基座中心开有通气孔，便于装配，工作箱12底部设置有连接电解液槽7的回液管，工作箱12包括绝缘安装台31，以及设置在绝缘安装台31上的夹具安装台30，工件夹具13设置在夹具安装台30上，夹具安装台30通过T型螺栓29和法兰面螺母32固定在夹具安装台30上，工件夹具13上设置有引电螺钉33并连接供电回路I的正极，连接有机玻璃围栏的硅橡胶有较好的弹性，箱盖和箱体侧壁有机玻璃围栏采用过盈配合以增强密封效果。
[0036]参见图1、图4和图5，一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工方法，包括以下步骤:
[0037]步骤一:在计算机上设定好所用脉冲激光的参数——峰值功率、脉宽、重复频率、工作模式等，在专用软件里编制工作台的运动程序，之后启动激光加工程序，程序会自动控制激光器开关的通断，在需要去除材料的部位开启开关，进行加工过程；从一个孔到下一个孔的辅助运动期间，开关处于关闭状态，在计算机的控制下，Nd =YAG大功率激光器可一次性制备出若干锥度较小的预制孔。
[0038]步骤二:保持工作台位置不变，升起激光器发射头，在程序中输入指令，使转换电机逆时针准确旋转90度，将电解阴极喷嘴切换到工作位置。
[0039]步骤三:开启对刀电源，在工具阴极与工件34阳极间施加I伏左右的对刀电压，z轴缓慢进给，利用短路对刀法引导棒状电极伸入预制孔中，当观察到电流有突变时，就表明工具电极与工件34接触，发生了短路，这时就要回退电极，微调电极轴线与孔中心的相对位置,重新对刀。
[0040]工具电极伸入预制孔后，以微小步距调整工作台在X方向位置，利用短路时的电流突变确定孔的一个边界坐标X1，然后反向调整工作台的位置，确定孔的另一个边界坐标X2,则可确定其中心的X坐标为X。= 1/2(x1+x2),同样的方法得到中心的y坐标yQ,保证工具电极的对中性。
[0041]步骤四:继续使阴极喷嘴在z轴工作台16的带动下缓慢进给，使阴极喷嘴的外导流套25底端的橡胶衬垫紧贴工件34，实现自适应密封启动电解液循环系统，并将电源输出电压调整为加工电压U，开始重铸层的后处理工序，电解加工过程中，电解液由耐蚀泵5抽取，经过滤器6、调压阀4、流量计3等元件进入阴极喷嘴的流道中，沿着工具阴极14的外壁高速冲出，注入工具阴极14与圆孔壁的间隙中，带走电化学反应产物，及时更新加工区的电解液，完成一个孔后，升起电解加工头，逆向运行工作台运动程序，对下一个孔的重铸层进行去除，预制孔的相对位置是由CAD程序决定的，故之后的电解后处理工序无需再进行繁琐的对刀工作。
【权利要求】
1.一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:包括设置有工件夹具(13)的机床底座(11)，以及垂直设置在机床底座(11)上的机床立柱(17)，工件夹具(13)上方设置有固定在机床立柱(17)上的通过转换电机(2)带动的电解加工系统和激光器系统，所述电解加工系统包括与转换电机(2)连接并具有工具阴极(14)的阴极喷嘴，以及与阴极喷嘴相连的电解液循环系统和供电回路，供电回路的正极连接工件夹具(13)，负极连接工具阴极(14)； 所述激光器系统包括Nd: YAG毫秒脉冲激光器、与Nd: YAG毫秒脉冲激光器相连的冷水机，以及与转换电机⑵相连的激光器发射头(15)，Nd: YAG毫秒脉冲激光器和转换电机(2)连接计算机。
2.根据权利要求1所述的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:所述工件夹具(13)下设置有y轴工作台(10)，y轴工作台(10)下设置有X轴工作台(9)，X轴工作台(9)的一侧设置有定位板(8)，转换电机(2)通过z轴工作台(16)固定在机床立柱(17)上，z轴工作台(16)连接有z轴伺服电机(18)； 所述X轴工作台(9)、y轴工作台(10)和z轴工作台(16)均连接计算机。
3.根据权利要求2所述的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:所述阴极喷嘴包括顶套(27)、连接板(20)、钻夹头后轴(19)、钻夹头(22)、内导流套(23)、外导流套(25)和工具阴极(14)； 所述连接板(20)通过两个对称布置的直角连接块连接在z轴工作台(16)上，阴极喷嘴顶端设置具有中心孔的顶套(27)，钻夹头后轴(19)和顶套(27)通过中心孔连接固定；连接板(20)下端设置具有空腔的内导流套(23)，内导流套(23)下端同轴连接有外导流套(25)， 内导流套(23)和外导流套(25)的间隙形成了电解液流道，流道呈收敛状，内导流套(23)的空腔中设置有钻夹头(22)，工具阴极(14)与钻夹头(22)连接并伸到外导流套(25)外，工具阴极(14)的前端包裹绝缘导向套(24)。
4.根据权利要求3所述的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:所述钻夹头(22)与内导流套(23)间设置有第一密封圈(21)，所述工具阴极(14)与绝缘导向套(24)间设置有第二密封圈(26)。
5.根据权利要求1所述的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:所述工件夹具(13)设置在工作箱(12)内，工作箱(12)底部连接电解液循环系统，工作箱(12)包括绝缘安装台(31)，以及设置在绝缘安装台(31)上的夹具安装台(30)，工件夹具(13)设置在夹具安装台(30)上。
6.根据权利要求5所述的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:所述夹具安装台(30)通过T型螺栓(29)和法兰面螺母(32)固定在夹具安装台(30)上。
7.根据权利要求5所述的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:所述工作箱(12)的四周围栏的材料采用有机玻璃。
8.根据权利要求5所述的一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置，其特征在于:所述工作箱(12)具有环氧树脂盖(28)，环氧树脂盖(28)的上面和下面均设有导流槽，并设置有加工所需的相应空间。
9.一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工方法，其特征在于:包括以下步骤:步骤一:利用计算机设定脉冲激光参数，并编制相应的运动程序，通过激光器开关的通断控制激光加工过程和辅助运动过程，一次性在固定在工件夹具(13)上的工件(34)制备出若干预制孔； 步骤二:保持X轴工作台(9)和y轴工作台(10)位置不变，升起激光器发射头，使转换电机(2)逆时针准确旋转90度，将电解工具阴极(14)切换到工作位置； 步骤三:开启对刀电源，在工具阴极与工件(34)阳极间施加I伏的对刀电压，z轴工作台(16)缓慢进给，利用短路对刀法引导棒状电极伸入预制孔中； 步骤四:在z轴工作台(16)的带动下使工具阴极(14)缓慢进给，使外导流套(25)紧贴工件(34)，启动电解液循环系统，并将电源输出电压调整为加工电压，开始重铸层的去除工序，完成一个孔后，升起电解加工头，逆向运行工作台运动程序，对下一个孔的重铸层进行去除。
【文档编号】B23H5/00GK104014880SQ201410219245
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】王恪典, 高伟芳, 段文强, 梅雪松, 凡正杰 申请人:西安交通大学