一种多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置

本技术涉及激光加工技术，具体涉及一种多能场耦合辅助激光多功能双工位加工实现高质量高效率激光打孔、划槽及切割的多功能激光加工装置。

背景技术：

1、激光加工是一种先进的制造技术，在航空航天、国防、军工、交通、电子、医疗等领域中应用越来越广泛。与传统的加工技术相比较，激光加工是一种高效非接触式加工技术，具有能量密度高、加工精度高、加工材料自由度大、成本效益高等工艺特点，可加工不规则复杂构件、曲面构件、倾斜面构件、非导电材料、脆性材料等难加工材料与构件，不仅可以减小机械惯性和变形，提高加工精度和成品率，同时避免了传统机加工过程中产生的刀具磨损和钻头易断等难题。

2、然而，激光加工属于热加工，在高峰值功率激光打孔、划槽及切割过程中会产生光致等离子体。瞬态等离子体对入射激光会产生吸收、折射及散射等光学屏障效应，从而导致激光能量利用率降低、材料表面的激光能量密度不均匀、激光焦斑动态偏移、激光加工过程稳定性变差、加工效率和精度降低、加工质量变差等问题。而且，单工位激光加工设备加工柔性较差，生产效率较低。因此，有必要采用工艺措施消减光致等离子体对入射激光的光学屏障效应，以提高激光打孔、划槽及切割的精度、质量与效率，同时通过双工位激光加工进一步提升激光加工的柔性与效率。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本实用新型提供了一种多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置，采用多能场耦合辅助可以显著减弱等离子体对激光的吸收、折射及散射等光学屏障效应，有效改善入射激光束的能量密度分布，增大激光能量的利用率，大幅减小激光焦斑的移位，显著减小入射激光的锥度，从而有效提升激光打孔、划槽及切割的精度、质量与效率。而且，本实用新型采用了双工位设计，可对工件两侧同时进行相同或不同的打孔、划槽及切割操作，节省时间成本，进一步提升加工效率。

2、本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置，包括夹具单元、电磁耦合辅助激光加工单元、数控面板、y向丝杠、y向导轨、激光器、机床工作台、运动平台、x向丝杠、x向导轨、电源箱、z向立柱、工件。

4、所述机床工作台位于水平地面上，通过地角螺栓和水平地面固连，所述电源箱水平放置于机床工作台的右侧，机床数控面板位于机床工作台左侧边缘的圆形立柱上；所述电磁耦合辅助激光加工单元通过z向立柱、丝杠以及导轨的配合相连，在伺服电机驱动下可实现三轴自由移动；所述工件固定在夹具单元上，所述夹具单元通过导轨和丝杠可实现x、y两轴的移动；所述激光器通过焊接方式固定在运动平台上，激光器左侧有接口，可通过导光管与聚焦单元相连；所述激光加工单元总共有两组，分布在工件的前后两侧。

5、所述夹具单元包括z向导轨、夹具主体、y向滑块、夹紧垫片、工件固定板、z向夹紧滑块；所述夹具主体的内侧侧壁有z向导轨，z向夹紧滑块与z向导轨配合，通过调节螺栓可限制物体z向的自由度；所述夹具单元的侧壁有两块工件固定板，通过焊接方式与夹具主体固连，并与夹紧垫片配合可限制物体x方向的自由度；所述夹具单元底部有y向滑块，通过焊接方式与夹具主体固定，可配合导轨、丝杠在伺服电机的作用下，带动工件在y向运动；所述夹具单元有两组，左右呈对称分布。

6、所述电磁耦合辅助激光加工单元包括磁场电源、电场电源、电磁极固定板、聚焦单元固定块、电极板固定板、电极板、聚焦单元、电磁极；所述磁场电源和电场电源通过焊接方式与聚焦单元固定块相连；所述磁场电源通过导线与竖直方向的两个电磁极相连产生可调磁场；所述电场电源通过导线与水平方向的两块电极板相连产生匀强可调电场；所述电磁极固定板前端的嵌套环通过嵌套方式与电磁极固连，并使用内六角螺栓与聚焦单元固定块相连；所述电极板固定板通过螺栓和电极板连接并固定在聚焦单元固定块上；所述聚焦单元固定块内部有圆孔，聚焦单元嵌套固定在孔内；所述聚焦单元尾部有插孔，可插入导光管与激光器连接。

7、优选地，所述电极板的材料为紫铜，其尺寸规格为15cm×10cm×3cm，板间距为10cm。

8、优选地，所述电场电源为0~160 v的直流电源，其恒定功率为300 w，其产生的匀强电场的电场强度可通过电源电压进行调节。

9、优选地，所述数控面板不仅和机床的伺服电机，激光器相连，同时也与磁场电源、电场电源的控制电路相连。

10、优选地，所述电磁极产生的是相互吸引的轴向磁场，即上侧为s极，下侧为n极。

11、优选地，所述电极板左侧接正极、右侧接负极。

12、优选地，所述z向夹紧滑块上方的固定螺栓尺寸可根据工件实际尺寸进行调换。

13、优选地，所述电磁耦合辅助激光加工单元在进行激光加工时，电磁极、电极板的最前端与工件的加工区域在x方向上留有约3 cm的间隙，确保匀强电场与最强磁场处同时对准工件加工区域上方光致等离子体的密集处，以确保耦合电磁场对等离子体的疏导驱散作用最明显。

14、有益效果

15、1.本实用新型设计采用了独立的数控系统，使磁场电源、电场电源、激光加工系统及伺服电机系统连接为一个整体，通过数控面板控制磁场和电场的产生，同时可以调控激光加工参数、能场强度、伺服电机驱动以及工件位移，可实现激光精密打孔、划槽及切割的多功能加工操作，便于集中操控，操作方便，提高了生产效率。

16、2.本实用新型采用双工位进行加工，可同时从正反两面对工件进行相同或不同种类的激光打孔、划槽、切割加工，加工自由度高；也可以同时进行两组工序，节省时间成本，进一步提高了激光加工效率。

17、3.本实用新型通过电磁场耦合辅助，对光致实时等离子体产生有效的疏导作用，可显著减弱等离子体对激光的吸收、折射及散射等光学屏障效应，有效改善入射激光束的能量密度分布，增大激光能量的利用率，大幅减小激光焦斑的移位，显著减小入射激光的锥度，从而有效提升激光打孔、划槽及切割的精度、质量与效率。

18、4.本实用新型采用了一对对称分布的夹具单元，可配合夹紧一块工件完成激光打孔、划槽及切割的加工，通过配合丝杠导轨可以实现x、y两轴移动，可根据工件实际尺寸对夹具上方用于工件z向固定的螺栓进行调换，加工工件尺寸范围广，加工自由度高。

技术特征：

1.一种多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置，其特征在于，包括夹具单元（1）、电磁耦合辅助激光加工单元（2）、数控面板（3）、y向丝杠（4）、y向导轨（5）、激光器（6）、机床工作台（7）、运动平台（8）、x向丝杠（9）、x向导轨（10）、电源箱（11）、z向立柱（12）、工件（13）；

2.根据权利要求1所述的多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置，其特征在于，所述夹具单元（1）包括z向导轨（1-1）、夹具主体（1-2）、y向滑块（1-3）、夹紧垫片（1-4）、工件固定板（1-5）、z向夹紧滑块（1-6）；

3.根据权利要求1所述的多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置，其特征在于，所述电磁耦合辅助激光加工单元（2）包括磁场电源（2-1）、电场电源（2-2）、电磁极固定板（2-3）、聚焦单元固定块（2-4）、电极板固定板（2-5）、电极板（2-6）、聚焦单元（2-7）、电磁极（2-8）；

4.根据权利要求1所述的多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置，其特征在于，所述电磁耦合辅助激光加工单元（2）在进行激光加工时，电磁极（2-8）、电极板（2-6）的最前端与工件（13）的加工区域在x方向上留有约3cm的间隙，确保匀强电场与最强磁场处同时对准工件（13）加工区域上方光致等离子体的密集处，以确保耦合电磁场对等离子体的疏导驱散作用最明显。

技术总结
本技术提供一种多能场耦合辅助激光多功能双工位加工装置，通过多能场耦合辅助并使用双工位实现高质量高效率的激光打孔、划槽及切割的多功能激光加工装置，属于激光加工领域，这种装置可实现激光打孔、划槽及切割等多功能加工操作，主要包括电磁耦合辅助激光加工单元、夹具单元、机床运动单元、数控系统单元，其方法是利用电磁耦合辅助作用有效减弱等离子体对激光的吸收、折射、散射作用，有效改善激光束的能量密度分布，显著减小入射激光的锥度，提高激光加工区域的质量；此外，通过双工位加工系统，可同时从正反两面对工件进行相同或不同种类的激光加工，从而减少加工工序，大大提高加工效率。

技术研发人员：王后孝,阮文熙,单佳欣,李锐,于国强
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：20230626
技术公布日：2024/1/15