一种激光辅助电化学处理孔质量的方法及装置

1.本发明涉及特种加工技术中的微细加工领域，尤其涉及到一种激光辅助电化学处理孔质量的方法及装置，适用于非导电硬脆材料的通孔加工。


背景技术：

2.激光打孔技术是激光加工的主要应用领域之一。相比其它常规打孔方法如机械钻孔、电火花加工等具有速度快、效率高、经济效应好的优点，因此被广泛应用于金属材料、半导体材料、陶瓷材料等领域，很好的满足了汽车、航天、医疗等相关行业对材料精密度的要求。
3.锥度是衡量通孔质量的一个重要指标。锥度越大，孔的质量越差。由于激光能量的分布不均匀，单一的激光加工不可避免的存在锥度较大以及加工工件厚度限制的问题。
4.国内外的研究人员对如何减小孔锥度的方法已经进行了一定的研究。中国专利“一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法”，提出了一种通过可旋转夹具将工件在第一次激光打孔后绕孔的x方向旋转180
°
，使得工件刚好浸在水中且不改变小孔的x、y的坐标，再利用激光诱导空化技术进行第二次激光打孔的方法。该方法在打孔过程中需要将工件旋转180
°
，对于装置的精度要求极高且不易保证。
5.中国专利“一种陶瓷材料激光加工装置及方法”，提出了一种将两个激光头分别置于板材的两侧并定位，然后分别设定两个激光头的运动轨迹，最后同时启动两个激光头和分别设定好的运动轨迹移动，完成对激光孔的加工。该方法在加工过程中对于不同激光头的光斑直径大小以及运动轨迹的一致性要求极高，同时板材放置的180
°
位置也必须精确，因此难以保证精确性。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光辅助电化学处理孔质量的方法，在改善孔壁质量过程中，利用工具电极上形成的气膜产生的“尖端”放电及气膜对激光产生的反射和折射作用来有效改善孔内壁质量；本发明还提供了一种激光辅助电化学处理孔质量的方法的装置，利用该装置可以实现上述方法。
7.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
8.一种激光辅助电化学处理孔质量的方法，对孔进行激光和电化学处理以提高孔壁质量。
9.进一步的，电化学加工具体为：工具电极周围气泡聚结形成使工具电极与电解液隔离的气膜，从而出现“尖端”放电，利用“尖端”放电产生的能量对孔壁进行处理。
10.进一步的，激光设置在被加工工件的一侧，工具电极设置在被加工工件的另一侧，激光辐照在工具电极周围的气膜上，气膜会使激光发生折射和反射从而蚀除孔壁材料。
11.进一步的，所述工具电极可绕孔轴旋转对孔壁进行电化学处理。
12.进一步的，所述工具电极外侧壁上涂覆有金刚石涂层。
13.进一步的，孔为通过激光加工出来的倒锥形孔。
14.一种激光辅助电化学处理孔质量的方法的装置，包括工件加工系统和控制系统；所述工件加工系统包括激光加工系统和电化学加工系统；其中，激光加工系统包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜和数控平台；所述脉冲激光器发出的激光束通过反射镜反射后经聚焦透镜聚焦到被加工工件上；所述数控平台上放置专用工作槽；所述专用工作槽内充有电解液；电解液高度略高于被加工工件；当通孔完成后，电解液流进孔内；
15.所述电化学加工系统包括电化学电源、电流表、辅助电极、工具电极和被加工工件；所述工具电极与电化学电源的负极相连，所述辅助电极与电化学电源的正极相连，所述电流表串联在电化学回路中；所述工具电极的旋转和位置通过x
‑
y
‑
z工作台控制；
16.所述控制系统包括计算机、控制柜和x
‑
y
‑
z工作台；所述计算机通过连接端口与控制柜相连接；所述控制柜用于控制脉冲激光器、数控平台和x
‑
y
‑
z工作台。
17.进一步的，所述还包括透光材料，透光材料设置在被加工工件正下方；激光束经聚焦透镜聚焦后透过透光材料辐照到被加工工件上。
18.进一步的，工具电极与辅助电极相互平行设置且与被加工工件垂直。
19.进一步的，所述被加工工件为非导电硬脆材料。
20.有益效果：
21.1.本发明利用工具电极上形成的气膜产生的“尖端”放电及气膜对激光产生的反射和折射作用来有效改善孔内壁质量。
22.2.在电化学放电蚀除材料过程中，工具电极绕着孔轴旋转，除了能够降低锥度之外，还能够提高材料蚀除的均匀性，从而提高孔内壁的质量和孔的圆度；激光照射到气膜上会发生反射和折射，从而进一步的蚀除材料，改善锥度的效果。
23.3.工具电极外侧壁上涂覆有金刚石涂层，一方面为了绝缘，另一方面用于增加尖端放电的效果。
24.4.被加工工件为非导电硬脆材料，比如陶瓷之类的，解决了该类材料打孔困难的问题。
25.5.透光材料设置在被加工工件正下方，利用激光透过石英玻璃板从被加工工件的下方开始加工，当通孔完成后，电解液从上方流进孔内，同时将孔内的杂质冲刷出来。
26.6.本发明将激光加工和电化学加工结合到一起处理激光打孔后孔的锥度问题，使得激光打孔、激光后处理和电化学加工在一个装置中实现。
附图说明
27.图1为根据本发明实施例的一种激光辅助电化学处理孔质量的装置结构示意图；
28.图2为激光加工打出的孔的示意图；
29.图3为激光和电化学加工过程示意图；
30.图4为激光和电化学加工过程中的激光反射和折射示意图。
31.附图标记：
[0032]1‑
计算机；2
‑
控制柜；3
‑
脉冲激光器；4
‑
反射镜；5
‑
聚焦透镜；6
‑
数控平台；7
‑
透光材料；8
‑
专用工具槽；9
‑
被加工工件；10
‑
x
‑
y
‑
z工作台；11
‑
工具电极；12
‑
辅助电极；13
‑
电流表；14
‑
电化学电源；15
‑
电解液。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0035]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0036]
实施例
[0037]
一种激光辅助电化学处理孔质量的方法，包括以下步骤：通过激光对被加工工件9打通孔，对通孔进行激光和电化学加工以提高孔质量。
[0038]
其中，电化学加工具体为：调节电化学电源14的电压，工具电极11、辅助电极12、电解液15和电化学电源14组成电化学回路；所述工具电极11周围气泡聚结形成使工具电极11与电解液15隔离的气膜，从而出现“尖端”放电，利用“尖端”放电产生的能量对孔壁进行加工。
[0039]
其中，激光设置在被加工工件9的一侧，工具电极11设置在被加工工件9的另一侧，激光打孔结束后，激光辐照在工具电极11周围的气膜上，气膜会使激光发生折射和反射从而蚀除孔壁材料。
[0040]
工具电极11可绕孔轴旋转对孔壁进行电化学加工。工具电极绕着孔轴旋转，除了能够降低锥度之外，还能够提高材料蚀除的均匀性，从而提高孔内壁的质量和孔的圆度；激光照射到气膜上会发生反射和折射，从而进一步的蚀除材料，改善锥度的效果。
[0041]
工具电极11外侧壁上涂覆有金刚石涂层。工具电极外侧壁上涂覆有金刚石涂层，一方面为了绝缘，另一方面用于增加尖端放电的效果。
[0042]
一种激光辅助电化学处理孔质量的方法，
[0043]
步骤一：调整数控平台6以及x
‑
y
‑
z工作台10的位置，使得激光光斑中心对准被加工工件9要打孔位置；
[0044]
步骤二：激光对被加工工件9加工；当通孔完成后，电解液15流进孔内；此时，通过计算机1控制x
‑
y
‑
z工作台10，使得工具电极11进入电解液15，对被加工工件9同时进行电化学加工和激光加工。
[0045]
进一步的，所述被加工工件9为非导电硬脆材料。
[0046]
一种激光辅助电化学处理孔质量的方法的装置，包括工件加工系统和控制系统；所述工件加工系统包括激光加工系统和电化学加工系统；其中，激光加工系统包括脉冲激光器3、反射镜4、聚焦透镜5和数控平台6；所述脉冲激光器3发出的激光束通过反射镜4反射
后经聚焦透镜5聚焦到被加工工件9上；所述数控平台6上放置专用工作槽8；所述专用工作槽8内充有电解液15；电解液15高度略高于被加工工件9；
[0047]
所述电化学加工系统包括电化学电源14、电流表13、辅助电极12、工具电极11和被加工工件9；所述工具电极11与电化学电源14的负极相连，所述辅助电极12与电化学电源14的正极相连，所述电流表13串联在电化学回路中；所述工具电极11的旋转和位置通过x
‑
y
‑
z工作台10控制；
[0048]
所述控制系统包括计算机1、控制柜2和x
‑
y
‑
z工作台10；所述计算机1通过连接端口与控制柜2相连接；所述控制柜2用于控制脉冲激光器3、数控平台6和x
‑
y
‑
z工作台10。
[0049]
所述还包括透光材料7，透光材料7设置在被加工工件9正下方。利用激光透过石英玻璃板从被加工工件的下方开始加工，当通孔完成后，电解液从上方流进孔内，同时将孔内的杂质冲刷出来。
[0050]
激光束经聚焦透镜5聚焦后透过透光材料7辐照到被加工工件9上；工具电极11与辅助电极12相互平行设置且与被加工工件9垂直。
[0051]
结合附图1所示，一种激光辅助电化学处理孔质量的方法的装置，包括工件加工系统和控制系统；所述工件加工系统包括激光加工系统和电化学加工系统；其中激光加工系统包括脉冲脉冲激光器3、反射镜4、聚焦透镜5、数控平台6；所述脉冲脉冲激光器3发出的激光束通过反射镜4反射后经聚焦透镜5，透过石英玻璃板聚焦在被加工工件9的下方；所述反射镜4置于脉冲激光器3水平方向，所述聚焦透镜5置于反射镜4正上方；所述数控平台6上放置专用工作槽8。所述电化学加工系统包括电化学电源14、电流表13、辅助电极12、工具电极11和被加工工件9；所述工具电极11与电化学电源14的负极相连，所述辅助电极12与电化学电源14的正极相连，且垂直放置于电解液15中；所述电流表13串联在电化学回路中；
[0052]
所述控制系统包括计算机1、控制柜2和x
‑
y
‑
z工作台10；所述计算机1通过连接端口与控制柜2相连接；所述控制柜2与脉冲激光器3、数控平台6以及x
‑
y
‑
z工作台10相连接。
[0053]
其中，所用被加工工件9为非导电硬脆材料(陶瓷等)；所用电解液为碱性溶液，且溶液高度高于工件上表面1mm～2mm左右，温度在20℃～40℃；所用透光材料7石英玻璃板的厚度最小为0.4mm，与被加工工件9保持3mm～5mm的高度；所用工具电极11的外侧壁上涂覆有耐高温耐腐蚀的金刚石涂层，旋转速度≥300r/min，工具电极11的直径d可根据微孔的直径进行选择，所形成的气膜大小可通过调节电化学电源14的电压大小来进行控制。
[0054]
首先，打开脉冲激光器3完成通孔加工打出如图2所示的倒锥形孔。
[0055]
其次，在工具电极11(阴极)和辅助电极12(阳极)之间接入电化学电源14，调节电化学电源14的放电电压，电化学加工开始，工具电极11表面会产生氢气泡，随着反应的不断进行，气泡的密度不断升高并聚结成将旋转电极11与电解质隔离的气膜，从而出现“尖端”放电，会发生电击穿并且产生大量能量，大量放电能量产生高温高压，材料会被融化并被高压冲击抛出，同时温度的上升也促进了碱性溶液对被加工工件的化学腐蚀过程，两者共同作用实现了材料的去除；同时，激光照射到旋转电极11周围形成的气膜后会发生反射和折射，也会蚀除材料，从而达到降低孔锥度的效果。除此之外，工具电极11保持旋转，使得材料的蚀除均匀性提高，有利于孔内壁质量和孔圆度的改善。
[0056]
一种激光辅助电化学处理孔质量的方法，包括如下步骤：
[0057]
调节数控平台6和x
‑
y
‑
z工作台10，使得工具电极11对准激光光斑中心；
[0058]
将被加工工件9放入专用工作槽8中，并调节好激光焦点；
[0059]
连接好电路，并倒入电解液15；
[0060]
激光加工，通孔完成，控制x
‑
y
‑
z工作平台10使得工具电极11高速旋转进入孔内；
[0061]
根据通孔要求，打开电化学电源14，电化学放电加工开始蚀除材料，激光照射到工具电极11周围形成的气膜后会发生反射和折射，会进一步的蚀除材料，从而达到降低孔锥度的效果。除此之外，工具电极11保持高速旋转，使得材料的蚀除均匀性提高，有利于孔内壁质量和孔圆度的改善；
[0062]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0063]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。