一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的方法及系统与流程

[0001]
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的方法及系统。


背景技术：

[0002]
为了满足日益严格的排放标准，柴油机正在向高速、高喷射压力、低排放等高性能方向发展，其中柴油机的喷油嘴的喷孔的加工质量直接影响着喷油嘴的雾化特性、油线贯穿度及流量系数，最终影响柴油机的经济性、动力性和排放指标，因此喷油嘴的微细喷孔加工技术对于推动柴油机进一步发展显得尤为重要。目前针对喷油嘴喷孔的加工方式主要采用先电火花后挤压研磨的多工序完成，随着国内外排放标准的升级，电火花加工方式已经无法满足孔径更小，孔径精度更高、粗糙度更小的加工要求。针对这一需求，现有技术还提出了一种采用飞秒脉冲激光加工喷油嘴的喷孔的方法，但同时会带来当喷孔打穿时容易对喷油嘴的与孔底开口相对的内壁产生损伤的技术难题，这一问题直接限制着飞秒激光加工喷油嘴的喷孔的大规模推广应用。
[0003]
具体地，参见图1，用于加工喷油嘴n的喷孔h的激光束l可以对直径与喷孔h的直径相等的圆形区域a进行扫描并且可以将该圆形区域a下方的一定厚度t的材料层去除，这样，可以沿着待加工出的喷孔h的延伸方向逐层地进行多次扫描，直至将喷孔h完全加工出，其中，图1中具体地示出了激光束l正在对标注有厚度t的材料层进行去除，该材料层上方的5个材料层已经分别通过先前的5次扫描被去除，并且图1中通过喷孔h内的水平虚线示出了这5个已经被去除的材料层，而该材料层下方的3个材料层将分别通过随后的3次扫描被去除，并且图1中通过喷孔h内的水平实线示出了这3个待被去除的材料层。
[0004]
然而，在例如图1中示出的喷孔h的孔底开口o所处于的平面p与激光束l扫描的圆形区域a所处于的平面彼此不行的情况下，如在图1中示出的两者之间存在夹角θ的情况下，在通过多次扫描对喷油嘴n的与喷孔h的孔底开口o对应的材料进行去除的过程中，每次扫描的圆形区域a必然包括被喷油嘴n的材料占据的未贯通区段a1以及没有被喷油嘴n的材料占据的已贯通区段a2，但激光束l仍然会对整个圆形区域a进行扫描，这样，当激光束l对圆形区域a中的未贯通区段a1进行扫描时（如在图1中通过虚线示出的激光束l），可以将该未贯通区段a1下方的一定厚度t的材料层去除，而当激光束l对圆形区域a中的已贯通区段a2进行扫描时（如在图1中通过实线示出的激光束l），会出现没有喷油嘴n的材料层需要被去除的情况，因此激光束l会以不受任何阻碍的方式穿过该已贯通区段a2进一步向前传播，这样，在与待加工出的喷孔h的孔底开口o邻近的位置存在喷油嘴n的内壁nw的情况下，或者说喷油嘴n中存在与孔底开口o相对的内壁nw的情况下，激光束l会传播至该内壁nw并对该内壁nw的表面进行扫描，从而会对该内壁nw造成损伤，如在图1中通过黑色区域示出的。


技术实现要素：

[0005]
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种利用激光束在喷油嘴中加工喷
孔的方法及系统，使得能够在喷油嘴已经被贯穿但喷孔尚未完全加工出的情况下，避免对喷油嘴的与喷孔的孔底开口邻近或相对的内壁造成损伤。
[0006]
本发明的技术方案是这样实现的：第一方面，本发明实施例提供了一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的方法，所述方法可以包括：使所述激光束逐层扫描与所述喷孔的横截面对应的多个圆形区域，其中，每次扫描将所述喷油嘴的处于所述圆形区域下方的一定厚度的材料层去除；判断所述喷油嘴是否已经被贯穿；相应于所述喷油嘴已经被贯穿，确定待扫描的圆形区域中的已贯通区段；当所述激光束扫描所述已贯通区段时将所述激光束关闭。
[0007]
第二方面，本发明实施例提供了一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的系统，所述系统可以包括：激光束发射单元，配置为发射逐层扫描与所述喷孔的横截面对应的多个圆形区域的激光束，其中，每次扫描将所述喷油嘴的处于所述圆形区域下方的一定厚度的材料层去除；判断单元，配置为判断所述喷油嘴是否已经被贯穿；确定单元，配置为相应于所述喷油嘴已经被贯穿，确定待扫描的圆形区域中的已贯通区段；控制单元，配置为当所述激光束扫描所述已贯通区段时将所述激光束发射单元发射的激光束关闭。
[0008]
本发明实施例提供了一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的方法及系统，在喷油嘴已经被贯穿但喷孔尚未被完全加工出的情况下，可以选择性地将激光束关闭，具体地，当激光束扫描圆形区域中的已贯通区段时将激光束关闭，由此避免激光束以不受任何阻碍的方式传播至喷油嘴的与喷孔的孔底开口邻近或相对的内壁，并避免对该内壁造成损伤。
附图说明
[0009]
图1为喷油嘴的剖视图，用于说明现有技术中利用激光束加工喷油嘴的喷孔时会对与孔底开口相对的内壁产生损伤的原因；图2为喷油嘴的剖视图，用于说明本发明实施例提供的一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的方法；图3结合2示出了本发明实施例提供的一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的方法的示意图；图4为喷油嘴的剖视图，其中示出了待扫描的圆形区域与喷油嘴的表面的轮廓之间的相交线；图5为喷油嘴的剖视图，其中喷油嘴的与喷孔的孔底开口对应的表面为单个平面；图6为本发明实施例提供的一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的系统的示意图。
具体实施方式
[0010]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0011]
参见图2和图3，本发明实施例提供了一种利用激光束l在喷油嘴n中加工喷孔h的方法，所述方法可以包括：s301：使所述激光束l逐层扫描与所述喷孔h的横截面对应的多个圆形区域a，其中，每次扫描将所述喷油嘴n的处于所述圆形区域a下方的一定厚度t的材料层去除；s302：判断所述喷油嘴n是否已经被贯穿；s303：相应于所述喷油嘴n已经被贯穿，确定每次扫描的圆形区域a中的已贯通区段a2；s304：当所述激光束l扫描所述已贯通区段a2时将所述激光束l关闭。
[0012]
图2中通过喷孔h的范围内的水平虚线示例性地示出了8个圆形区域a，并且具体地示出了其中的两个圆形区域a-1和a-2的投影示图。如在图2中示出的，当激光束l扫描第一圆形区域a-1时，将厚度为t1的材料层去除，当激光束l扫描第二圆形区域a-2时，将厚度为t2的材料层去除，其中t1和t2可以是相等的也可以是不相等的。
[0013]
如在图2中示出的，当激光束l扫描第三圆形区域a-3上方的各圆形区域时，喷油嘴n不会被贯穿，当激光束l扫描第三圆形区域a-3时，喷油嘴n被贯穿，或者说喷油嘴n被贯穿指的是在通过一次扫描将喷油嘴n的一定厚度的材料层去除时，去除的材料层并不是完整的圆柱体，或者说喷油嘴n被贯穿指的是在通过一次扫描将喷油嘴n的一定厚度的材料层去除后，形成的新的待扫描圆形区域a中存在未被喷油嘴n的材料占据的区段。
[0014]
如在图2中示出的，对于第一圆形区域a-1而言，在投影示图中通过阴影示出的区段中不存在喷油嘴n的材料，则该区段即为该第一圆形区域a-1的已贯通区段a2，而除了已贯通区段a2以外的部分为该第一圆形区域a-1的未贯通区段a1；对于第二圆形区域a-2而言，在投影示图中通过阴影示出的区段中也不存在喷油嘴n的材料，则该区段即为该第二圆形区域a-2的已贯通区段a2，而除了已贯通区段a2以外的部分为该第一圆形区域a-2的未贯通区段a1。
[0015]
上述的使激光束l扫描圆形区域a或扫描已贯通区域a2可以指的是使激光束l的焦点分别在该圆形区域a内或已贯通区域a2内移动。
[0016]
这样，在喷油嘴n已经例如通过图2中示例性示出的激光束l在第三圆形区域a-3中扫描而被贯穿，但喷孔h尚未被完全加工出的情况下，可以选择性地将激光束l关闭，具体地，当激光束扫描圆形区域a中的已贯通区段a2时将激光束l关闭，由此避免激光束l以不受任何阻碍的方式传播至喷油嘴n的与喷孔h的孔底开口邻近或相对的内壁，并避免对该内壁造成损伤。
[0017]
在利用激光束在工件上加工孔的领域中，可以利用比如ccd相机之类的图像获取装置来获取加工的孔的图像，基于此，在本发明的优选实施例中，所述判断所述喷油嘴n是否已经被贯穿，可以包括：每次扫描前获取待扫描的圆形区域a的图像；检测与所述图像的多个像素一一对应的多个实测灰度值；将每个实测灰度值与基准灰度值进行比较，其中，所述基准灰度值与所述喷油嘴n的任意截面的图像的多个像素对应；若至少一个实测灰度值与所述基准灰度值不相等，则判断所述喷油嘴n已经被贯穿。
[0018]
上述的基准灰度值可以在加工喷孔h之前获得，例如可以利用图像获取装置事先获取喷油嘴n的任意截面的图像，然后检测该图像的多个像素的相应的多个灰度值，可以理
解的是，所述多个灰度值是相等的，由此可以将检测到的灰度值作为基准灰度值。
[0019]
具体地，参见图2中示出的第一圆形区域a-1和第二圆形区域a-2的投影示图，可以理解的是，已贯通区段a2的图像的多个像素将具有相等的第一灰度值，而未贯通区段a1的图像的多个像素将具有相等的第二灰度值，该第二灰度值与第一灰度值不相等，而该第二灰度值与基准灰度值相等。
[0020]
在利用图像获取装置的情况下，所述方法还可以包括：若所有的所述实测灰度值与所述基准灰度值不相等，则判断所述喷孔h已经被完全加工出。
[0021]
在利用图像获取装置的情况下，所述确定每次扫描的圆形区域a中的已贯通区段a2，可以包括：获取待扫描的圆形区域a的图像；检测与所述图像的多个像素一一对应的多个实测灰度值；将每个实测灰度值与基准灰度值进行比较；将与所述基准灰度值不相同的实测灰度值对应的像素构成的区段确定为所述已贯通区段a2。
[0022]
除了利用上述的图像获取装置以外，也可以对喷油嘴n的剖切模型或实物进行测量来获得喷油嘴n的喷孔h的各种几何参数，基于此，所述判断所述喷油嘴n是否已经被贯穿，可以包括：测量在加工所述喷孔h的过程中所述喷油嘴n被贯穿时至少需要去除的材料的所需去除厚度；记录每次扫描去除的材料层的单次去除厚度t；每次扫描前将通过累加先前各次扫描对应的所述单次去除厚度t得到的总去除厚度与所述所需去除厚度进行比较；若所述总去除厚度大于所述所需去除厚度，则判断所述喷油嘴n已经被贯穿。
[0023]
参见图4，在对喷油嘴n的剖切模型或实物进行测量的情况下，所述确定每次扫描的圆形区域a中的已贯通区段a2，可以包括：获得所述喷油嘴n的与所述喷孔h的孔底开口o对应的表面的轮廓pr，该轮廓pr可以通过对喷油嘴n的剖切模型或实物进行测量而获得；记录每次扫描去除的材料层的单次去除厚度t；基于所述单次去除厚度t获取待扫描的圆形区域a与所述表面的轮廓pr之间的相交线il；根据所述相交线il在待扫描的圆形区域a中的位置确定所述已贯通区段a2。
[0024]
具体地，参见图4，例如在第一圆形区域a-1相对于喷油嘴n的位置已知的情况下，通过记录每次扫描去除的材料层的单次去除厚度t，可以得到第二圆形区域a-2与第一圆形区域a-1之间的距离，即为t1，由此可以得到第二圆形区域a-2相对于喷油嘴n的位置，并能够确定出该第二圆形区域a-2与轮廓pr之间的相交线il2，并根据该相交线il2在第二圆形区域a-2中的位置确定出已贯通区段a2，具体地，在图4中，相交线il2左侧的区段为已贯通区段a2，而相交线il2右侧的区段为未贯通区段a1。对于第一圆形区域a-1，也可以通过类似的方式确定出其与轮廓pr之间的相交线il1，并且如在图4中示出的，相交线il1左侧的区段为已贯通区段a2，而相交线il1右侧的区段为未贯通区段a1。
[0025]
参见图5，对于喷油嘴n而言，可能出现的一种情况是，所述喷油嘴n的与所述喷孔h的孔底开口o对应的表面为单个平面p，在这种情况下，所述确定每次扫描的圆形区域a中的已贯通区段a2，可以包括：获取所述单个平面p与所述圆形区域a之间的夹角θ；记录每次扫描去除的材料层的单次去除厚度t；基于所述单次去除厚度t获取待扫描的圆形区域a与所述喷孔h的孔底开口o的顶端ot之间的距离z；基于所述夹角θ和所述距离z计算待扫描的圆形区域a与所述单个平面p之间的相交线il在待扫描的圆形区域a中的位置；根据所述位置确定所述已贯通区段a2。
[0026]
参见图5，上述的位置可以通过相交线il与圆形区域a的边缘之间的距离d1和d2确定出：，而，其中，d为所述喷孔h或所述圆形区域a的直径。
[0027]
而且，当d1>d/2时，例如图5中示出的第一圆形区域a-1的情况，该第一圆形区域a-1与单个平面p之间的相交线为il1，所述圆形区域a的未贯通区段a1的面积s为：当 d1<d/2时，例如图5中示出的第二圆形区域a-2的情况，该第二圆形区域a-2与单个平面p之间的相交线为il2，所述圆形区域a的未贯通区段a1的面积s为：则所述圆形区域a的所述贯通区段a2的面积为：4πd
2-s。
[0028]
参见图2，当激光束l扫描喷油嘴n的较薄材料层部分nt时，仍然可能有一部分的激光束传播至喷油嘴n的与喷孔h的孔底开口邻近或相对的内壁，因此，在本发明的优选实施例中，所述方法还可以包括：相应于所述喷油嘴n已经被贯穿，减小所述激光束l的功率，直至无法对喷油嘴n的与喷孔h的孔底开口邻近或相对的内壁造成损伤。
[0029]
优选地，在所述喷油嘴n尚未被贯穿的情况下，激光束l的功率可以为15-20w，在所述喷油嘴n已经被贯穿的情况下，激光束l的功率可以为6-8w，该功率不会对喷油嘴n的与喷孔h的孔底开口邻近或相对的内壁造成损伤。
[0030]
在本发明的优选实施例中，所述方法还可以包括：相应于所述喷油嘴n已经被贯穿，减少所述激光束l扫描单个所述圆形区域a的扫描时间。
[0031]
优选地，在所述喷油嘴n尚未被贯穿的情况下，扫描单个圆形区域a的扫描时间可以为0.6-0.8s，在所述喷油嘴n已经被贯穿的情况下，扫描单个圆形区域a的扫描时间可以为0.3-0.4s。
[0032]
在本发明的优选实施例中，所述方法还可以包括：相应于所述喷油嘴n已经被贯穿，减小每次扫描去除的材料层的厚度t。
[0033]
上述的激光束l可以是旋切扫描的激光束，即，该激光束l的焦点在圆形区域a内沿着比如曲率半径逐渐增大的螺旋线轨迹移动，使得喷油嘴n的材料层从圆形区域a的圆心处开始沿着径向向外的方向被逐渐去除。
[0034]
在旋切扫描的激光束l的情况下，可以利用数字信号检测模块对激光束l的扫描位
置进行检测，并将扫描位置与摘脉冲功能结合来实现激光束l的关闭。其中，摘脉冲功能的实现可以基于光楔旋转来控制光束位置来完成。
[0035]
上述的激光束l可以是飞秒激光束。
[0036]
基于前述实施例相同的发明构思，参见图6，其示出了本发明实施例提供的一种利用激光束在喷油嘴中加工喷孔的系统60，所述系统60可以包括：激光束发射单元601，配置为发射逐层扫描与所述喷孔h的横截面对应的多个圆形区域a的激光束l，其中，每次扫描将所述喷油嘴n的处于所述圆形区域a下方的一定厚度t的材料层去除；判断单元602，配置为判断所述喷油嘴n是否已经被贯穿；确定单元603，配置为相应于所述喷油嘴n已经被贯穿，确定每次扫描的圆形区域a中的已贯通区段a2；控制单元604，配置为当所述激光束l扫描所述已贯通区段a2时将所述激光束发射单元601发射的激光束l关闭。
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判断单元602和确定单元603可以包括相应的部件以实现根据本发明实施例的判断步骤和确定步骤各自包括的多个分步骤。举例而言，判断单元602可以包括比如ccd相机之类的图像获取装置，所述图像获取装置用于每次扫描前获取待扫描的圆形区域a的图像。
[0038]
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
[0039]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。