[发明专利]一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法

说明书

本发明公开了一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法，其方法是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过程；另外设计一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置，包括电源箱、无盖长方体容器、激光头、导光管、CCD摄像机、激光器、z方向移动机构、固定夹具装置、x‑y移动平台、可旋转夹具装置；本发明将激光在空气中和水中打孔进行耦合，通过翻转工件完成二次打孔来改善孔锥度，在第二次打孔过程中将激光打孔技术与激光诱导空化技术相结合，利用空化产生的冲击波强化孔内壁。

技术领域

本发明涉及激光打孔技术领域，具体涉及到一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法。

背景技术

目前激光打孔技术已经被应用到了汽车工业、船舶制造、航空航天、仪器仪表以及医疗技术等诸多行业之中。比起传统机械钻孔的方法，激光打孔技术具有精度高、速度快、效率高、经济效益好、无刀具损耗、深径比大等优点,已经成为激光加工的主要应用领域之一。激光诱导空化技术是用透镜将激光聚焦到水内部，水被电离，就会形成等离子体腔体，等离子体继续强吸收激光能量，腔体迅速膨胀，形成空泡，空泡溃灭产生了冲击波。

但是针对高精密的仪器上打孔，需要打出高质量的群孔，例如航空发动机涡轮叶片上气膜冷却孔，对孔的锥度和内壁质量要求很高，锥度太大会严重影响涡轮叶片上的气膜孔中空气的流动速率，降低了气膜孔的冷却性能。

针对上述情况，中国发明专利CN201610350992提出在工件下方放置反射装置和反射调节机构设置，激光束穿过通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁，以此来消除锥度，但是，激光束经过聚焦透镜之后，焦点位置的能量密度最大，焦点的上下空间的激光束是呈现发散状态，所以当激光束到达下方的反射装置的反射平面镜上时激光束的能量密度已经很小的，再经过反射平面镜的反射作用到达工件的激光束可能无法使材料汽化消除，如果激光束的能量还能使工件汽化去除，其中的消融去除量也无法保证，此外小孔下方喷射出来的材料熔渣会落在反射平面镜上，对装置产生不利影响。中国发明专利CN201310284493提出利用化学溶液与铝合金发生化学反应以消除通孔锥度，从而获得无锥度的通孔。但是该化学溶液的配比只是针对铝合金，其他材料需要再配比化学溶液，比较麻烦且腐蚀过程耽误时间，此外化学反应过程是对孔内壁所有部分进行腐蚀，并不是只腐蚀孔内多余铝合金材料，所以锥度改善可能不明显。

发明内容

本发明的针对上述现有技术的不足，提出一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔方法,该方法是先让工件在空气中在激光束的作用下形成通孔，此时通孔有锥度，然后利用可旋转夹具装置绕小孔的x轴线旋转180°，由于此时工件处在有水的无盖长方体容器中，利用激光诱导空化技术进行第二次打孔，先将下孔旋转到上面，第二次脉冲激光产生的热量传递到孔周围，从而去除多余部分的材料而改善孔锥度，同时z方向移动机构以缓慢的速度向下进给，做焦点向下移动的激光打孔，脉冲激光的焦点聚焦在孔中心轴线的水中，形成空泡，空泡溃灭产生了冲击波，冲击波作用到孔的内壁上，对孔内壁起到强化作用。同时本发明还提供了一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置。

本发明的技术方案如下：

一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置，包括电源箱、无盖长方体容器、激光头、导光管、CCD摄像机、激光器、z方向移动机构、固定夹具装置、x-y移动平台和可旋转夹具装置；

所述电源箱安装在机床底座的左侧竖直面上，机床的底座上表面上安装有x-y移动平台；所述x-y移动平台上的L型工作台的水平面上安装有无盖长方体容器、工作台的竖直面上安装有可旋转夹具装置；所述固定夹具装置通过连接板直接安装在机床的后侧竖直面上；所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构；所述z方向移动机构上安装有激光器；所述激光器通过导光管与激光头相连接；所述激光头的正上方上安装有CCD摄像机；