一种飞秒激光加工锥度可控的打孔装置的制作方法

本实用新型涉及激光加工领域，特别涉及一种飞秒激光加工锥度可控的打孔装置。

背景技术：

在汽车行业中，燃油喷射结构中的喷油孔是直接影响内燃机燃烧性能的重要因数。喷孔的几何精度包括位置度、圆度、孔壁的表面粗糙度、孔的相关角度。喷油嘴的喷口锥度对燃油雾化有重要的影响，高度雾化的汽油燃烧效率高，节约燃油。另外，航空发动机叶片在高温燃气中高速旋转，承受气体负荷、质量负荷和热负荷，工作环境恶劣。在高温区工作的叶片叶身上有气膜孔，高温气流通过气膜孔在叶身表面形成快速流动的低温气膜，隔离高温燃气，对叶片起冷却保护作用。气膜孔加工极易产生再铸层，再铸层质量对叶片工作的可靠性和寿命影响很大。

目前，用于锥孔加工的方法主要有四种：在变频或风动高速台上采用手工钻削；采用数控高速多轴钻床钻削；采用电火花喷孔机床加工喷孔；采用激光钻系统加工喷孔。但是，上述方法的缺点比较多。钻削加工工艺加工后喷孔毛刺较大、表面质量不好，加工小孔径、大深径比孔局限性等；电火花加工工艺，其加工孔径受电极丝限制，加工倒锥孔需要增加特殊机构且有不可避免的误差；激光加工效率高，极限孔径准确度高、成本低、无材料选择性等优点。

常规的激光加工锥孔装置由偏转电机、主轴电机、夹具构成。该方法的基本原理是在偏转工作台使激光与工件表面有合适的夹角之后，主轴带动工件旋转，在激光作用下加工出锥孔，在加工方法方面，采用试加工并测量加工的同心圆的半径并结合激光光斑距离，计算工件在激光控制平台下的坐标位置，经过位置补偿后进行加工。在切削速度的控制方面，激光采用高速自转达到切削速度的要求，降低了对主轴电机转速的要求。

上述方法中并没有提到对高深径比孔加工的方法，同时利用旋转电机旋转进行锥孔加工会出现加工定位问题，虽然会在加工前经过位置补偿后进行加工，但是无法避免在加工过程中的机械振动，缺乏进行实时检查并进行调整的能力，从而存在着打孔质量、精度不足的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，提供一种飞秒激光加工锥度可控的打孔装置。本实用新型通过高精度三维在线监测模块来对加工过程进行实时检测，使之能够有效对加工过程产生的误差进行调整，提高了加工质量与精度；此外本实用新型还具有加工精度高、稳定性高的优点。

本实用新型的技术方案：一种飞秒激光加工锥度可控的打孔装置，包括飞秒激光器和精密运动平台，所述精密运动平台的主轴上设有支撑机构，支撑机构的顶部设有夹具；所述飞秒激光器的输出端设有扩束器，所述扩束器的输出端设有反射镜，反射镜的输出端设有光束扫描模块，所述光束扫描模块的输出端设有半聚焦镜，半聚焦镜的输出端设有45度设置的半透反射镜，半透反射镜的反射输出端设有高精度三维在线监测模块，半透反射镜的透射输出端正对精密运动平台上的夹具。

上述的飞秒激光加工锥度可控的打孔装置中，所述光束扫描模块包括位移光楔组和偏转光楔组，位移光楔组包括楔角相同的第一位移光楔和第二位移光楔，第一位移光楔和第二位移光楔经上下直线运动机构联动；所述偏转光楔组包括楔角相同的第一偏转光楔和第二偏转光楔，所述第一偏转光楔和第二偏转光楔经旋转机构等距分布在位移光楔组的两侧。

前述的飞秒激光加工锥度可控的打孔装置中，所述飞秒激光器的光脉冲中心波长接近于1053nm，脉宽为20fs。

前述的飞秒激光加工锥度可控的打孔装置中，所述光束扫描模块，采用全闭环控制，以≤0.1°的精度控制偏转角度。

前述的飞秒激光加工锥度可控的打孔装置中，所述精密运动平台为5轴运动平台，定位精度为0.01mm，重复定位精度为5μm。

前述的飞秒激光加工锥度可控的打孔装置中，所述夹具包括设置在支撑机构顶端的定位夹持块，所述定位夹持块上经调节螺栓固定有活动夹持块，所述活动夹持块和定位夹持块上设有相对设置的且为阶梯式分布的卡槽。

一种飞秒激光加工锥度可控的打孔工艺，启动飞秒激光器发射光束，光束通过扩束器扩大到加工所需直径后进入到反射镜，反射镜将光束反射到光束扫描模块中，在位移光楔组和偏转光楔组的作用下产生螺旋光束，然后光束通过半聚焦镜进入到半透反射镜内，在半透反射镜的作用下，反射的光束进入到高精度三维在线监测模块中，透射过半透反射镜的光束用来对固定在夹具上的样品进行激光打孔，同时利用高精度三维在线监测模块来实时进行检测，然后进行调整，有效对加工过程产生的误差进行调整，提高加工精度。

现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型通过高精度三维在线监测模块来对加工过程进行实时检测，使之能够有效对加工过程产生的误差进行调整，进而有效的提高加工质量与精度；此外本实用新型还具有加工精度高、稳定性高的优点。

2、本实用新型提供的光束扫描模块，通过改变扫描路径可以实现任意的锥孔角度加工，其中光束扫描模块包括位移光楔组和偏转光楔组，位移光楔组包括楔角相同的第一位移光楔和第二位移光楔，第一位移光楔和第二位移光楔经上下直线运动机构联动；所述偏转光楔组包括楔角相同的第一偏转光楔和第二偏转光楔，所述第一偏转光楔和第二偏转光楔经旋转机构等距分布在位移光楔组的两侧，通过对第一位移光楔和第二位移光楔，以及第一偏转光楔和第二偏转光楔进行相应的控制，来改变光束路径，通过改变扫描路径可以实现任意的锥孔角度加工。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是光束扫描模块的结构示意图；

图3是实施例中正锥孔和反锥孔的打孔示意图；

图4是夹具的结构示意图。

1、飞秒激光器；2、精密运动平台；3、支撑机构；4、夹具；5、扩束器；6、反射镜；7、光束扫描模块；8、半透反射镜；9、高精度三维在线监测模块；10、第一位移光楔；11、第二位移光楔；12、第一偏转光楔；13、第二偏转光楔；14、定位夹持块；15、调节螺栓；16、活动夹持块；17、卡槽；18、半聚焦镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例：一种飞秒激光加工锥度可控的打孔装置，如图1-4所示，包括飞秒激光器1和精密运动平台2，所述精密运动平台2的主轴上设有支撑机构3，支撑机构3的顶部设有夹具4；所述飞秒激光器1的输出端设有扩束器5，所述扩束器5的输出端设有反射镜6，反射镜6的输出端设有光束扫描模块7，所述光束扫描模块7的输出端设有半聚焦镜18，半聚焦镜18的输出端设有45度设置的半透反射镜8，半透反射镜8的反射输出端设有高精度三维在线监测模块9，半透反射镜8的透射输出端正对精密运动平台2上的夹具4。本实用新型通过高精度三维在线监测模块9来对加工过程中的光束偏移量进行实时检测，使之能够有效对加工过程产生的误差进行调整，有效的提高加工质量与精度；此外本实用新型还具有加工精度高、稳定性高的优点。

如图2所示，所述光束扫描模块7包括位移光楔组和偏转光楔组，位移光楔组包括楔角相同的第一位移光楔10和第二位移光楔11，第一位移光楔10和第二位移光楔11经上下直线运动机构联动；所述偏转光楔组包括楔角相同的第一偏转光楔12和第二偏转光楔13，所述第一偏转光楔12和第二偏转光楔13经旋转机构等距分布在位移光楔组的两侧。本实用新型通过对第一位移光楔10和第二位移光楔11，以及第一偏转光楔12和第二偏转光楔13进行相应的控制，来改变光束路径，通过改变扫描路径可以实现任意的锥孔角度加工。

如图3所示，要实现锥孔的加工，需要通过偏转光楔组和位移光楔组来控制旋转扫描路径，以实现正/反锥孔的加工。当入射光束平移的方向与光束偏摆的方向刚好相反，且光束平移的距离至少大于光束直径的一半（整个光束平移到光轴的另一侧），保证光束的边缘在光线传播方向上与孔轴线至少平行或大于零度，再以一定的速度绕光轴旋转，要实现正锥孔的加工，开始的旋转光束半径比较大，逐层进给后，旋转光束半逐渐减小。反之，要想实现反锥孔的加工，开始的旋转光束半径比较小，逐层进给后，旋转光束半逐渐增大。很好的协调了光束深加工时边沿档光的问题。

如图3所示是光束扫描模块7中的偏转光楔组和位移光楔组的相对关系，光束扫描模块通过第一偏转光楔12、第二偏转光楔13、第一位移光楔10、和第二位移光楔11协同旋转实现圆形轨迹的扫描，偏转光楔组和位移光楔组之间相对相位关系控制了圆形轨迹的半径量，当该相位关系按照某一规律变化即可实现相应轨迹分布的圆形螺旋扫描。

实际扫描过程中以位移光楔组旋转的相位为基准，第一偏转光楔12和第二偏转光楔13始终等距地分布在位移光楔组的俩侧，和位移光楔组之间形成某一相等的相位夹角协同旋转（及图3中a1始终等于a2）。当偏转光楔组相对于位移光楔组之间的相位关系按照一定规律变化即可实现相应轨迹分布的圆形螺旋扫描。

其中高精度三维在线监测模块9中的同轴ccd垂直光路上端，调整垂直光束中心与ccd的十字标中心，可以保证同心度0.005mm以内。在每一次加工前以及加工的过程中，可以对比ccd十字标中心与样件实际加工位置，保证加工的位置度。在每一次加工前以及加工的过程中，可以对比ccd十字标中心与样件实际加工位置，保证加工的位置度。

高精度三维在线监测模块9采用激光三维测量技术，实现复杂曲面的激光六点定位，能够对复杂三维构件以及复杂曲面在加工中精准定位，避免重复装夹误差，大幅提高找正效率。

所述高精度三维在线监测模块9采用背伤保护技术，主要是通过在主光路中增设半透反射镜8，将加工聚焦镜对加工过程过程中微孔的变化情况成像在ccd上，其中ccd影像对位系统，读取激光光束在光斑校准板上形成的光斑的位置，计算出光斑相对于校准标记点的偏移量，对打孔过程实时检测，使用图像识别软件进行自动判读，从而实现打穿检测的线上自动判别。

所述飞秒激光器1的光脉冲中心波长接近于1053nm，脉宽为20fs。

所述精密运动平台2为5轴运动平台，定位精度为0.01mm，重复定位精度为5μm。

如图4所示，所述夹具4包括设置在支撑机构3顶端的定位夹持块14，所述定位夹持块14上经调节螺栓15固定有活动夹持块16，所述活动夹持块16和定位夹持块14上设有相对设置的且为阶梯式分布的卡槽17。

一种飞秒激光加工锥度可控的打孔工艺，启动飞秒激光器发射光束，光束通过扩束器扩大到加工所需直径后进入到反射镜，反射镜将光束反射到光束扫描模块中，在位移光楔组和偏转光楔组的作用下产生螺旋光束，然后光束通过半聚焦镜进入到半透反射镜内，在半透反射镜的作用下，反射的光束进入到高精度三维在线监测模块中，透射过半透反射镜的光束用来对固定在夹具上的样品进行激光打孔，同时利用高精度三维在线监测模块来实时对光束的偏移量进行检测，并进行相应的调整，保证了加工质量。