激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置及其方法 |
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| 申请号 | CN202410154855.3 | 申请日 | 2024-02-02 | 公开(公告)号 | CN117773245A | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 孙铮; 李志远; 段文强; 秦兴; 王文君; 梅雪松; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种激光与 电极 周向往复振动 电解 复合加工深孔装置及其方法，光液耦合头与电解液槽和激光发生器相连接，光液耦合头下端与振动耦合头相连通并保持密封，激振器与振动电源相连，激振器位于振动耦合头两边，管状电极固定在振动耦合头下端，导向器固定在托板上，管状电极穿过导向器，光液耦合头、振动耦合头、激振器和导向器固定在托板上， 工件 固定在 定位 平台上的防溅槽内，工件和振动耦合头分别与电解电源连接，激振器通过振动耦合头使管状电极产生周向往复振动，当进行深孔加工时，周向往复振动的管状电极引起气泡和紊流辅助增加电解液的流动性，使加工产物易于随电解液排出，改善加工间隙的传光和 导电性 能，实现深孔的高效加工。 | ||||||
| 权利要求 | 1.激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置，其特征在于，包括光液耦合头(12)，光液耦合头(12)经振动耦合头(11)连接管状电极(8)的一端，管状电极(8)竖直设置，管状电极(8)的下方设置有防溅槽(6)，工件(7)设置在防溅槽(6)内，防溅槽(6)设置在定位平台(5)上，工件(7)上的待加工孔与管状电极(8)、振动耦合头(11)和光液耦合头(12)共轴线设置；振动耦合头(11)上套装有激振器(10)，工件(7)和振动耦合头(11)分别连接电解电源(3)的正极与负极连接，光液耦合头(12)连接激光发生器(1)，并通过管道经电解液槽(4)连接防溅槽(6)构成回路，激振器(10)通过振动耦合头(11)使管状电极(8)产生周向往复振动实现深孔加工。 |
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| 说明书全文 | 激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置及其方法技术领域[0001] 本发明属于特种加工技术领域，具体涉及一种激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置及其方法。 背景技术[0002] 航空、航运、热电等领域的快速发展对航空发动机和燃气轮机等装备的性能和产量提出了更高的要求。其中，涡轮叶片承受了高温高压燃气的冲击，工作温度可达1800℃， 其承温能力的关键取决于气膜孔，发动机工作时气膜孔将冷却气流引致叶片表面形成一层 气膜将热流体隔开。极端的工作环境要求气膜孔上不能有重铸层、微裂纹等缺陷。同时，涡 轮叶片的材质一般为耐高温、难加工的高温合金，这对气膜冷却孔的高效和高质量制备提 出了更高的要求。 [0003] 激光加工通过加热工件发生汽化来去除材料，虽然加工效率较高，但孔内存在重铸层和微裂纹等缺陷。电解加工通过将工件作为阳极、金属管或喷嘴作为阴极的原理来实 现材料的去除，并通过电解液带走加工产物。管电极电解加工可用于加工深孔，加工后的孔 壁不存在重铸层和微裂纹，但是存在杂散腐蚀、加工稳定性差、加工效率低等问题。 [0004] 激光与电解复合加工技术的出现，将激光加工的高效率和电解加工的非接触等优势相结合，有效去除了重铸层，提高了电解效率。但仍然存在加工产物排出困难、加工间隙 产生的气泡和杂质影响传光和导电性能等问题。因此，其加工效率仍有待提高。 发明内容[0006] 本发明采用以下技术方案： [0007] 激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置，包括光液耦合头，光液耦合头经振动耦合头连接管状电极的一端，管状电极竖直设置，管状电极的下方设置有防溅槽，工 件设置在防溅槽内，防溅槽设置在定位平台上，工件上的待加工孔与管状电极、振动耦合头 和光液耦合头共轴线设置；振动耦合头上套装有激振器，工件和振动耦合头分别连接电解 电源的正极与负极连接，光液耦合头连接激光发生器，并通过管道经电解液槽连接防溅槽 构成回路，激振器通过振动耦合头使管状电极产生周向往复振动实现深孔加工。 [0009] 更优选地，密封连接的方式为动态密封或静态密封。 [0010] 优选地，激振器连接振动电源，用于驱动产生单向微幅振动。 [0011] 更优选地，激振器的振动频率为0～100KHz，振幅为0～1mm。 [0012] 优选地，周向往复振动引起管状电极在轴向和径向两个方向上的振动轮廓小于深孔最大孔径。 [0013] 优选地，管状电极上套装有导向器，导向器、激振器、振动耦合头和光液耦合头固定在托板上，托板固定在Z轴上。 [0014] 优选地，工件为导电材料。 [0015] 本发明的另一技术方案是，一种激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔方法，包括以下步骤： [0016] S1、将工件固定在定位平台上，调整位置使工件待加工孔的轴线与管状电极的轴线同轴； [0017] S2、设定加工参数； [0018] S3、控制Z轴开始进给，通过周向往复振动使管状电极外壁的电解液中产生气泡和紊流； [0019] S4、当工件当前的深孔加工完毕，Z轴退回，完成深孔加工。 [0020] 优选地，电解液为酸性、中性和碱性电解液。 [0021] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果： [0022] 本发明激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置，利用激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔，加工时振动耦合头将激振器的单向微幅振动转换为管状电极的 周向往复振动，同时在正面加工间隙进行激光与电解复合加工，在此过程中，管状电极的周 向往复振动提高了电解液的流速，相较于现有的管电极电解加工技术，解决了深孔加工电 解液流动不畅的问题，保证了加工稳定性并提高了加工速率。 [0023] 激光与电极周向往复振动电解复合加工结合了激光加工的高效率、电解加工的非接触和无重铸层、振动加工的促进电解液流动性等优势，通过对光、电、液和振动能量的多 级独立控制，为激光与电解复合加工提供了更广泛的工艺范围，实现了高效率的深孔复合 加工。 [0024] 激光与电极周向往复振动电解复合加工使用可调控的激振器来进行振动幅度和频率的调控，当管状电极随着加工的进行伸入孔内，电解液的排出阻力逐渐增加，适时适度 增加管状电极的振动幅度和频率，在管状电极侧壁和深孔侧壁之间形成气泡和紊流，可保 证电解液排液顺畅，提高加工的稳定性。 [0025] 激光与电极周向往复振动电解复合加工通过提高电解液的排液速度，及时带走正面加工间隙中产生的热量、气泡和加工产物，使电解液得到更新，同时正面加工间隙的透光 度得到改善，进一步提高了工件加工区域的激光能量和加工间隙的导电能力，通过提高加 工过程的一致性和材料去除速率保证了深孔加工的质量和效率。 [0026] 激光与电极周向往复振动电解复合加工装置由电解系统、激光系统、振动系统构成，组成清晰，装置易于搭建和检修，加工过程便于控制。 [0027] 激光与电极周向往复振动电解复合加工装置及方法一方面通过管状电极的振动来促进电解液的排液，另一方面通过更高的电解液流速提高加工间隙的加工条件，通过此 方法来提高深孔加工的稳定性、效率和质量。 附图说明[0029] 图1为本发明的整体结构示意图； [0030] 图2为本发明采用动态密封方式的复合加工装置的局部结构示意图； [0031] 图3为本发明采用静态密封方式的复合加工装置的局部结构示意图； [0032] 图4为本发明以采用动态密封方式的复合加工装置为例的振动耦合头与激振器的局部结构示意图； [0033] 图5为本发明加工深孔时的局部结构示意图； [0034] 图6为本发明工艺流程示意图。 [0035] 其中：1.激光发生器，101.光纤，102.激光，2.振动电源，3.电解电源，4.电解液槽，401.电解液，402.紊流，5.定位平台，6.防溅槽，7.工件，701.杂质，8.管状电极，9.导向器， 10.激振器，11振动耦合头，1101.动态密封模块，1102.受振耳，12.光液耦合头，1201.光纤 密封模块，13.托板，14.Z轴，15.气泡。 具体实施方式[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。 [0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的 含义是两个或两个以上。 [0038] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。 [0039] 应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整 体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。 [0040] 还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下 文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。 [0041] 还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。 [0042] 在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示 出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于 制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不 同形状、大小、相对位置的区域/层。 [0043] 本发明提供了一种激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置及其方法，激振器通过振动耦合头使管状电极产生周向往复振动，当进行深孔加工时，周向往复振动的 管状电极引起气泡和紊流辅助增加电解液的流动性，使加工产物易于随电解液排出，改善 了加工间隙的传光和导电性能，从而实现深孔的高效加工。 [0044] 请参阅图1、图2、图3和图4，本发明一种激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置，包括激光发生器1、振动电源2、电解电源3、电解液槽4、定位平台5、防溅槽6、工件7、 管状电极8、导向器9、激振器10、振动耦合头11、光液耦合头12、托板13和Z轴14。 [0045] 光液耦合头12分别与电解液槽4和激光发生器1连接，光液耦合头12的下端与振动耦合头11连通并保持密封，激振器10与振动电源2相连，激振器10位于振动耦合头11的两 边，管状电极8固定在振动耦合头11的下端，导向器9固定在托板13上，管状电极8穿过导向 器9，光液耦合头12、振动耦合头11、激振器10和导向器9固定在托板13上，托板13固定在Z轴 14上；工件7固定在定位平台5上的防溅槽6内，工件7和振动耦合头11分别与电解电源3的正 极与负极连接；光液耦合头12、振动耦合头11、管状电极8、导向器9以及工件7上的待加工孔 共轴线设置。 [0046] 其中，激振器10通过振动耦合头11使管状电极8产生周向往复振动，当进行深孔加工时，周向往复振动的管状电极8引起气泡15和紊流辅助增加电解液的流动性，使加工产物 易于随电解液排出，改善加工间隙的传光和导电性能，从而实现深孔的高效加工。 [0047] 请参阅图2和图3，光液耦合头12包括有进液入口、进光入口和与振动耦合头11相连的连接口，其中，进液入口通过电解液管道连接电解液槽4，进光入口通过光纤101连接激 光发生器1，光液耦合头12的连接口与振动耦合头11密封连接。 [0048] 具体的，密封连接的方式可选为具有弹性的外包围静态密封，如橡胶套、橡胶块和具有一定韧性的金属等，也可选择动态密封模块1101，动态密封模块1101采用密封圈和轴 承的动态密封，如O型密封圈、轴套和轴承等，光纤101与光液耦合头12之间设置有光纤密封 模块1201。 [0049] 激振器10能产生单向微幅振动，激振器10的振动频率、振幅均能通过振动电源2设定。 [0051] 请参阅图4，振动耦合头11的两侧分别通过受振耳1102与激振器10连接，振动耦合头11将激振器10产生的单向微幅振动转换为固定在其下端的管状电极8的周向往复振动， 周向往复振动为管状电极8沿轴线的微幅回转运动。 [0052] 具体的，单向微幅振动转换为周向往复振动可以借鉴使用本领域较为成熟的机构，如穿孔机的旋转加工头、往复旋转式电动牙刷头等。 [0053] 具体的，所使用的管状电极8为电解加工领域较为成熟的内部中空的金属管，内部使用光纤101或电解液401作为激光的波导，外壁根据加工要求涂覆绝缘层。 [0054] 工件7能够通过定位平台5进行定位和调整，使待加工孔与管状电极8同轴，确保定位精度，具体的，工件7为导电材料。 [0055] 请参阅图5和图6，一种激光与电极周向往复振动电解复合深孔加工方法，所述激光与电极周向往复振动电解复合深孔加工装置，包括如下步骤： [0056] S1、将工件固定在定位平台上，调整位置使工件待加工孔的轴线与管状电极的轴线同轴； [0057] S2、开启激光发生器、振动电源和电解电源，根据工艺要求设定加工参数； [0058] S3、当Z轴开始进给后，周向往复振动使管状电极外壁的电解液中产生气泡和紊流，提升深孔侧壁间隙中电解液的流速，促进加工产物的排出，减少正面加工间隙中的气泡 和杂质； [0059] 电解液401为酸性、中性和碱性电解液。 [0060] 激振器10的振动频率为0～100KHz，振幅为0～1mm。 [0061] 具体的，周向往复振动引起管状电极在轴向和径向两个方向上的振动轮廓小于深孔最大孔径。 [0062] S4、当工件当前的深孔加工完毕，Z轴退回，开始重复前述步骤进行其他深孔的加工，加工完成后取下工件并进行清洗。 [0063] 本发明激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔方法对提高深孔结构的加工效率、质量和稳定性具有重要意义。 [0064] 综上所述，本发明一种激光与电极周向往复振动电解复合加工深孔装置及其方法，通过管状电极的周向往复微幅振动来促进电解液和加工杂质的产物的排出，进一步改 善正面间隙的材料去除条件，提深孔加工的效率、稳定性和质量。 |
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