[发明专利]一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法

说明书

本发明公开了一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法，属于特种加工中激光加工与电火花加工复合技术领域，包括：磁场调控单元、皮秒激光诱导等离子体单元和电火花加工单元；磁场调控单元用于在通电后利用磁场调控等离子体羽流与等离子通道外形膨胀与收缩；皮秒激光诱导等离子体单元中皮秒激光器发出的激光经过可调光路转换组件后入射到待加工材料表面诱导产生等离子体；电火花加工单元中通过工作平台用于实现待加工材料沿X轴、Y轴、Z轴平移运动，工作电极在电机驱动下沿Z轴平移和旋转运动，并调节电极间隙，在电极间隙间施加电压触发电火花放电，对待加工材料进行加工。本发明可实现高效低损伤微细加工。

技术领域

本发明属于特种加工中激光加工与电火花加工复合技术领域，更具体地，涉及一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法。

背景技术

高性能陶瓷材料的精密高效加工是目前国际上竞争最激烈的先进制造领域之一，氧化锆型陶瓷作为一类以纯氧化锆为主要成分的先进功能陶瓷，其具有高熔点、低导热率、低热膨胀系数、耐腐蚀、化学惰性、良好机械强度等特点，在军民领域拥有广阔应用前景。但常温下氧化锆型陶瓷硬度高、脆性大、不导电，因此难以用传统方法加工出航发叶片气膜孔出口、智能终端盖板微孔等复杂三维微结构。

电火花加工是一种非接触式加工方式，在工作电极和导电材料的微小间隙之间施加电压，形成超高电场强度，从而诱导等离子体，通过具有高温等离子体的电-热机制熔化和汽化材料表面。它的工作原理决定了电火花加工不受材料硬度限制，正好避开了陶瓷的脆性缺陷，但其对材料的导电性却提出了一定的要求。氧化锆型陶瓷虽然在常温下不导电，但当温度超过600℃时便具有导电性，随着温度升高，导电性增加，达到1000℃时为良导体，因此，通过采取合适的辅助方法对氧化锆陶瓷进行一定预处理使其达到导电临界温度后，便有利于电火花加工方法的实现。常见的是利用辅助导电电极或在陶瓷材料内部掺杂适量导电相的方式来实现电火花加工，但还存在许多挑战，包括涂层材料和涂层厚度的选择、导电材料有效性等都存在一定局限性。

因此，亟待开发一种更具针对性、通用性的方法，辅助电火花高效加工氧化锆型陶瓷，并解决电火花加工精度易受电极损耗影响、效率低等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种皮秒激光辅助电火花加工装置及方法，由此解决现有技术存在电火花加工精度易受电极损耗影响、效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种皮秒激光辅助电火花加工装置，包括：磁场调控单元、皮秒激光诱导等离子体单元和电火花加工单元；

所述磁场调控单元包括多对电磁铁，用于在通电后利用磁场调控等离子体羽流与等离子通道外形膨胀与收缩，使得电火花放电点均匀分布；

所述皮秒激光诱导等离子体单元包括皮秒激光器和可调光路转换组件，皮秒激光器发出的激光经过可调光路转换组件后入射到待加工材料表面诱导产生等离子体；

所述电火花加工单元包括工作平台和工作电极，多对电磁铁均匀分布于工作平台上方，所述工作平台用于实现待加工材料沿X轴、Y轴、z轴平移运动，工作电极用于在电机驱动下沿z轴平移和旋转运动，并调节电极间隙，在电极间隙间施加电压触发电火花放电，对待加工材料进行加工。

进一步地，待加工材料为氧化锆型陶瓷、钛合金或者铝基碳化硅。

进一步地，磁场调控单元还包括直流电源双极性转换器和直流励磁电源，直流电源双极性转换器和直流励磁电源均位于工作平台外部的机箱内，通过电缆与多对电磁铁连接；

所述直流电源双极性转换器用于接收正值或负值信号后控制电磁铁中线圈的电流方向，从而改变电磁铁极性；所述直流励磁电源用于通过调节电流大小，从而改变磁场强度；所述多对电磁铁在极性和磁场强度改变时组合形成单向或互斥磁场，在单向磁场作用下等离子体膨胀，在互斥磁场作用下等离子体收缩。