专利名称：基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工领域，特指一种基于激光冲击波技术的金属切削毛刺去除的方法和装置，特别适用于零件内部相交孔交接处等内腔切削毛刺的去除。
背景技术：
切削毛刺是切削加工中常见的缺陷之一，随着零件的小型化、多功能和高精度，切削毛刺对零件质量的影响显得更为特出，毛刺和多余物一样，对产品产生很大的影响，甚至危及整个产品的可靠性，如间隙很小的空气轴承或动压马达等产品。由于毛刺的形成的部位不同，毛刺去除的难易程度不一样，零件外表面的毛刺，如外圆、端面、平面等处的毛刺，去除毛刺的方法相对简单，用砂纸、锉刀等工具即可去除，但对于零件内部的毛刺，如螺孔中的毛刺、相交孔交接处的毛刺，采用外表面的毛刺去除的方法已显现其不足，新的毛刺去除方法逐渐被采用，主要有电解去毛刺、激光热作用去毛刺、高压水去毛刺等。
电解去毛刺是利用电、化学的作用，通常应用在零件内部深处、狭窄部分、形状复杂的部位，就是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理。去毛刺时，将工具电极接直流电源负极，零件接直流电源正极，使工具电极对准零件毛刺根部，在零件毛刺与工具电极之间通入流动的电解液。它适合精密零件中的细小毛刺，具有设备简单、操作容易等优点，但电解后零件的表面会形成一层氧化膜，不同的电解液形成的氧化膜的性质、厚度和颜色都不同，必须选择恰当的复合电解液和进行后处理相结合的办法解决了零件变色问题。
激光热作用去毛刺是利用激光热效应来去除毛刺的，其基本原理就是利用强度高、能量密度大的激光对零件上的毛刺部位扫描，使毛刺熔化、气化，最终使毛刺去除。激光热作用去毛刺，具有效率高、适用范围广，但激光热作用去毛刺时会伤及无故，即在去除毛刺的同时，也使基体组织受到损伤。
高压水去毛刺就是通过选用与工件形状相适应的喷嘴，利用高压泵等使水流高速喷向零件毛刺部位，利用水的冲击力来去除毛刺的一种工艺方法，操作简单，适合内孔毛刺去除。它对工件的损伤小，不存在像刷式去毛刺那样，对工件造成不可避免的损伤问题，具有一定的柔性，但对水的压力有较高的要求，去除细微的毛刺时，所需液压力为3CMPa，对于去除很厚的毛刺，常常需要100MPa左右的压力，甚至更高。由于水的压力达不到足够高，难以去除较厚的毛刺和高强度材料的毛刺，因此限制此技术的使用。
发明内容
本发明的目的是要提供用于去除金属零件毛刺的方法和装置，它利用激光诱导的冲击波产生的巨大冲击力来去除金属零件切削毛刺，不仅适合于去除零件的外表面毛刺，特别适合于去除零件内腔的毛刺。由于使用了约束层，零件表面不被热损伤，在去除毛刺的同时，对零件的表面进行冲击强化，在零件的表面产生有益的残余压缩应力，提高零件的硬度和降低表面粗糙度，提高了零件的使用寿命。
本发明的特征在于用激光诱导的冲击波作为去除切削毛刺的力源，根据毛刺的大小和性质，通过控制激光脉冲参数来改变冲击波峰值压力的大小，直到去尽工件的所有毛刺。
实现该方法的装置包括激光发生器、导光系统、工件装夹系统和控制系统。其中导光系统包括导光管、全反镜、冲击头，导光管依次把激光发生器、全反镜和冲击头连接起来，另一端对着工件夹具系统。工件装夹系统包括工件、工件夹具、工作台、反射锥，约束层、堵头、吸收层。反射锥的表面涂有能量吸收层，并插入工件的孔中，顶端接近于交叉孔的相贯线的毛刺处，工件除留有一孔引导激光外，其余的孔用堵头堵住，然后向工件的孔中装注水作为约束层，工件装夹于夹具上，工件夹具固定在工作台上。控制系统主要包括计算机和控制器，控制信息从计算机输入，传递到控制器，以控制激光发生器、工件夹具和工作台运动。反射锥是由钢制成，其头部带有锥角为2α圆锥面，0°＜α＜90°，其作用是受激光辐照后产生冲击波，反射锥的锥面以下的是与待加工孔配合的柱面，约束层为水，吸收层为黑漆。
基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的方法，其特征在于由激光发生器控制装置控制激光发生器按产生激光脉冲，经导光系统辐照在反射锥的吸收层上，吸收层吸收激光的能量后汽化、电离、形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量后爆炸，产生高幅冲击波，以此去除零件内孔表面的毛刺。
通过改变工件和反射锥的相对位置，在新的位置上，再用激光诱导冲击波，可完成较大孔腔表面毛刺的去除。
由于脉冲激光参数受控可调，脉冲能量可从几焦耳可调至几百焦耳，因而诱导的冲击波的峰值压力变化的范围较大，最大值可高达几十个GPa，因此既可去除细小的毛刺，又可去除粗大的毛刺；而且激光光斑尺寸可聚焦至毫米量级甚至微米量级，可根据零件的孔的尺寸来调整激光光斑尺寸，具有较大的柔性；采用激光诱导的冲击波的冲击力对毛刺去除，属于非接触式去毛刺，避免采用刀具去毛刺时对其表面造成损伤；激光冲击波在工作时，受零件内壁反射，可再进行二次加载，且水作为冲击波的传播介质，延缓了冲击波的衰减，在去除毛刺的同时，对孔的表面进行冲击强化，使工件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是根据本发明提出的基于激光冲击波技术的零件内部相关孔交接处毛刺去除的装置示意图。
图2是根据本发明提出的相关孔交接处毛刺去除原理的示意图。
1.激光器发生器 2.激光脉冲 3.导光管 4.全反镜 5.冲击头 6工件7工件夹具 8反射锥 9工作台 10激光器发生器控制器 11计算机 12约束层(水) 13相贯线 14毛刺 15堵头 16吸收层(黑漆) 17堵头具体实施方式
该装置主要包括激光器发生器(1)、导光系统、工件夹具系统和控制系统。其中导光系统包括导光管(3)、全反镜(4)和冲击头(5)，工件夹具系统包括约束层(水)(12)、堵头(15)、吸收层(黑漆)(16)、反射锥(8)、堵头(17)、工件(6)、夹具(7)、工作台(9)组成，控制系统包括计算机(11)和控制器(10)。
激光发生器(1)发出经过优化的激光脉冲(2)，激光脉冲(2)的光束模式可以是基模、多模等多种模式，其由控制器(10)调节和控制。由激光发生器(1)产生的激光束(2)经导光管(3)和全反射境(4)以及冲击头(5)和约束层(水)(12)，辐照在反射锥(8)表面的能量吸收层(16)上。冲击头(5)内有聚焦镜，改变冲击头(5)与反射锥(8)的距离，可改变光斑大小。反射锥(8)固定在工作台(9)，工作台可实现沿三个轴向移动，从而实现对工件(6)进行多个平面位置的内孔进行去毛刺。
如图2所示，经导光系统输出的激光束(2)穿过约束层(水)(12)，辐照作用在覆盖在工件表面上的上的能量吸收层(16)上，能量吸收层(16)吸收了激光能量以后，迅速汽化、电离形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量后爆炸，形成了向各个方向传播的冲击波，当冲击波峰值压力超过金属切削的毛刺(14)的动态断裂强度时，毛刺断裂。对于大型孔腔，往往需要通过运动工件，多次诱导激光冲击波才能去尽毛刺，即工件夹具(7)接受控制器(10)的指令使工件移动，在新的位置上再用激光诱导冲击波，直至毛刺去尽为止。
权利要求
1.基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的方法，其特征在于激光发生器(1)产生激光脉冲(2)，经导光系统辐照在反射锥(8)的吸收层(16)上，吸收层(16)吸收激光的能量后汽化、电离、形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量后爆炸，产生高幅冲击波，以此去除工件(6)内孔表面的毛刺。
2.基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的装置，其特征在于装置包括激光发生器(1)、导光系统、工件装夹系统和控制系统，其中导光系统包括导光管(3)、全反镜(4)、冲击头(5)，导光管(3)依次把激光发生器(1)、全反镜(4)和冲击头(5)连接起来，另一端对着工件夹具系统；工件装夹系统包括工件(6)、工件夹具(7)、工作台(9)、反射锥(8)，约束层(12)、堵头(15)、吸收层(16)，反射锥(8)的表面涂有吸收层(16)，并插入工件(7)的孔中，顶端接近于交叉孔的相贯线的毛刺处，工件(7)除留有一孔引导激光外，其余的孔用堵头(15)(17)堵住，然吸收层(16)上为约束层(12)，工件(6)装夹于工件夹具(7)上，工件夹具(7)固定在工作台(9)上；控制系统主要包括计算机(11)和激光器发生器控制器(10)，计算机(11)通过控制器(10)控制激光发生器(1)、工件夹具(7)和工作台(9)运动。
3.根据权利要求2所述的基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的装置，其特征在于反射锥(8)是由钢制成，其头部带有锥角为2α圆锥面，0°＜α＜90°，反射锥(8)的锥面以下的是与待加工孔配合的柱面。
4.根据权利要求2所述的基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的装置，其特征在于约束层(12)为水，吸收层(16)为黑漆。
全文摘要
基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的方法和装置，涉及激光加工领域。本发明用激光诱导的冲击波作为去除切削毛刺的力源，由激光发生器控制装置控制激光发生器按产生激光脉冲，经导光系统辐照在反射锥的吸收层上，吸收层吸收激光的能量后汽化、电离、形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量后爆炸，产生高幅冲击波，以此去除零件内孔表面的毛刺。本发明不仅适合于去除零件的外表面毛刺，特别适合于去除零件内腔的毛刺。由于使用了约束层，零件表面不被热损伤，在去除毛刺的同时，对零件的表面进行冲击强化，在零件的表面产生有益的残余压缩应力，提高零件的硬度和降低表面粗糙度，提高了零件的使用寿命。
文档编号G05B15/00GK1931506SQ20061009647
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月27日 优先权日2006年9月27日
发明者张永康, 张兴权, 周建忠, 顾永玉, 杨超君, 任旭东 申请人:江苏大学