[实用新型]一种激光加工头及其构成的激光精密制造装备

说明书

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工头及其构成的激光精密制造装备。

技术背景

在航空航天的三维复杂构件精密加工中，存在大量非规则曲面构件表面图案制作、尺寸修理及化铣刻型需求，其共同特点是表面精细加工，构件尺寸一般为数米，制造精度达数十微米，而且材料各异，属于典型的不同材料“复杂曲面跨尺度”制造。传统的多轴机械加工方法加工精度和一致性差且生产效率极低，难以满足实际应用要求。

例如，在导弹和飞机雷达罩频率选择表(FSS)天线雷达罩以及航天器固面天线反射器方面，制造尺寸一般从0.3～3m不等，但加工图形尺寸精度要求达到10～20μm的量级。现在常用的FSS天线罩的传统成型工艺有两种，一种是间接转移法，在薄膜基底上采用镀膜、光刻得到柔性FSS膜，然后转移到天线罩上。但FSS膜分块贴覆在天线罩表面时，拼接误差等造成FSS 周期微结构完整性和精确性遭到破坏，直接影响天线罩透波性能和隐身性能，造成与设计技术指标差距较大，无法满足型号技术指标要求。另一种是数字化机械加工，该方法难点在于加工系统的设计以及加工精度和机械应力的控制，加工中各种误差的累积和变形会严重影响FSS天线罩的传输特性。

飞机发动机的空心叶片陶瓷修芯技术一直是空心叶片铸造中的关键技术之一，它决定了叶片的尺寸精度、合格率和铸造成本以及飞机发动机的使用性能和寿命。随着发动机技术的发展，叶片的气冷结构趋于复杂化，作为形成空心叶片气冷结构的陶瓷型芯也逐渐薄壁化，结构复杂化。如双层陶瓷芯的特征：槽、柱、孔、腔等由于结构复杂、薄壁(0.6-1.0mm)导致尺寸修芯难度较大，现有人工机械修芯手段无法保证精度，导致精度差且效率低，难以满足质量要求。

化铣刻型轻量化是航空航天和武器装备制造的难点问题，是提高火箭、导弹推重比以及综合性能的重要途径。然而，现在国内普遍采用传统人工刻型工艺。由于人工刻型过程中误差累积较大，不能自动化，加工效率低，加工周期长，无法保证零件尺寸的精准性和一致性，很难保证胶膜刻断，不伤及基体金属以及外形线所需的精度要求，同时还需要大量的刻型样板。

激光由于具有聚焦光斑直径小、能量密度高、非接触式加工(无刀具磨损)、柔性程度高、无掩膜等特点，非常适合难加工材料：超软、超硬、超脆、超薄等特殊材以及各种复杂形状微结构制造。但是，由于上述加工材料的光学特性和物理化学属性都有较大的差别，对激光波长、波形和功率有不同的要求。现有技术只能采用单一激光源，难以达到对上述所有材料都能进行精密加工的目的。如果采用一台三维激光加工装备用于上述某一种精密加工应用，则必须采用多台不同激光波长光源的三维激光加工装备才能满足以上三种应用要求，导致研制的三维激光加工装备成本昂贵，应用范围单一，无法批量生产的问题。

发明内容

针对以上航空航天各种材料和复杂构件表面图案精密加工、尺寸修理和化铣刻型的重大需求，本实用新型提出一种多光源、多功能、多轴激光加工方法及装备，目的是在一台加工设备上实现陶瓷、金属、金属-聚合物复合材料的精密切割、刻蚀等多种激光精细加工制造功能，并同时保证精密加工制造尺寸精度和质量要求。

本实用新型提出的一种激光加工头，包括壳体(51)、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪(20)、电机驱动机构(18)和吸尘保护罩(22)；其中：

所述壳体(51)开设有外部激光进光孔、光纤激光进光孔、出光孔和测距孔；出光孔和测距孔位于激光加工头壳体底面，进光孔、出光孔和测距孔分别用于外部激光入射、光纤激光入射、聚焦后激光和激光测距仪检测光通过；

所述光路系统用于对激光整形并使其投射到加工焦平面上，根据不同波长激光选用匹配的光学器件，集成在不同激光加工头内；光路系统可灵活拆装更换，以适用于不同波长激光；

所述定位锥盘状连接机构(17)安装于壳体(51)侧壁外部，用于与数控机床固定连接，不同激光加工头可通过定位锥盘状连接机构(17)灵活拆装更换；定位锥盘状连接机构(17)中部开有通光孔，该孔与壳体外部激光进光孔正对，用于外部激光馈入加工头；

所述激光测距仪(20)安装在壳体(51)内，工作时其出射的检测激光束和反射激光束均通过壳体底面测距孔，激光测距仪出射的检测激光束在激光加工焦平面上的光斑与激光加工光斑重合，用于测量激光加工焦平面高度偏差；

所述电机驱动机构(18)安装在壳体(51)内部，用于驱动光路系统和激光测距仪在工件表面的法线方向移动；