一種激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置及加工方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置及加工方法，該噴嘴裝置，包括具有中心通道的噴嘴本體，在所述噴嘴本體的前端開設(shè)有前端口，在所述前端口處連接有能拆裝的圓錐狀的前噴嘴，所述前噴嘴具有軸向貫通的通道，所述前噴嘴的通道與所述噴嘴本體的中心通道相連通，在所述前噴嘴的側(cè)壁上沿一斜面加工成形有與所述前噴嘴的通道相連通的斜缺口，所述斜面與所述前噴嘴的中心軸線呈規(guī)定的夾角。本發(fā)明提高了加工大傾角小孔的質(zhì)量、效率，增加加工小孔深度，從而實(shí)現(xiàn)大傾角小孔高效、高質(zhì)量加工。
【專利說明】—種激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置及加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置及大傾角小孔加工方法，本發(fā)明可保證大傾角條件下大深徑比小孔加工的質(zhì)量及效率，適用于航空發(fā)動機(jī)熱端部件氣膜冷卻孔加工，屬于激光材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，激光加工小孔的方法主要有定點(diǎn)沖擊加工法和旋轉(zhuǎn)切割加工法，其中，旋轉(zhuǎn)切割輔助吹氣加工小孔，以下簡稱旋切加工小孔，其激光切割路徑為圓形，圓弧插補(bǔ)平面垂直于光軸。如圖1所示，為現(xiàn)有的激光旋切加工小孔的切割路徑投影示意圖，即切割路徑為圓形，切割路徑按箭頭所指方向依次為O-a-b-c-d-e-f-O。由于旋切加工小孔具有精度高，孔壁、孔口表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動機(jī)葉片、燃燒室等熱端零件氣膜冷卻孔加工中廣泛使用。該旋切加工小孔方法質(zhì)量好的一個(gè)重要原因是，在旋切加工過程中采用與聚焦激光光束同軸的噴嘴，該噴嘴通常呈圓錐形，噴嘴輔助吹氧氣或輔助吹高壓氬氣或氮?dú)狻嚎s空氣，這樣在加工過程中形成的熔化物在一定壓力及流速的氣流作用下易于從形成的切縫通道中被去除，從而盡可能避免熔化物圍繞孔壁和在孔口再次凝固形成再鑄層、毛刺等，氣體壓力大,流速高,去除效果更好,加工質(zhì)量高。
[0003]隨著航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，尤其是新型的渦軸發(fā)動機(jī)回流燃燒室需要加工大傾角小孔，大傾角小孔是指小孔軸線與工件表面法向夾角超過75°甚至達(dá)到85°的傾角加工小孔，小孔的深徑比最大超過20:1。然而，針對大傾角小孔加工，傳統(tǒng)的旋切加工方式將難以實(shí)施，這是因?yàn)樵谛A角小孔加工時(shí)，噴嘴可以貼近工件，激光焦點(diǎn)(一般位于噴嘴下方1-3_)可以調(diào)整為位于工件表面或內(nèi)部，但如果小孔的傾角過大，很顯然，由于噴嘴本身加工錐度限制并且需要工件或噴嘴以孔軸為中心作圓弧插補(bǔ)運(yùn)動，噴嘴難以貼近工件表面，從而導(dǎo)致噴嘴與工件在光軸方向間距過大，這就產(chǎn)生了以下一些技術(shù)缺陷:
[0004]1、激光焦點(diǎn)位置偏離工件表面，導(dǎo)致與工件作用的激光功率密度及能量密度顯著下降；
[0005]2、作用于切縫的氣體壓力及流速會明顯降低；
[0006]3、由于旋切加工需要噴嘴與工件在與光軸方向垂直的水平面內(nèi)作圓弧相對移動，傾角過大將導(dǎo)致加工同一小孔時(shí)，在圓弧不同位置，噴嘴與工件間距、相應(yīng)焦點(diǎn)位置差異明顯，造成孔壁質(zhì)量的一致性差。
[0007]另外，由于大傾角小孔的深徑比較大，例如，1.2mm工件，加工60°傾角小孔，深度僅2.4_，若傾角為82.5°，小孔深度急劇增加至9.2_。
[0008]因此，采用現(xiàn)有旋切輔助吹氣方式加工大傾角小孔將直接導(dǎo)致加工小孔質(zhì)量、效率的下降，使加工小孔的深度、深徑比受到限制。工件愈厚，傾角愈大，這種負(fù)面效應(yīng)愈明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高加工大傾角小孔的質(zhì)量、效率，增加加工小孔深度的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種采用上述激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置的大傾角小孔加工方法，該加工方法能夠提高加工大傾角小孔的質(zhì)量、效率，增加加工小孔深度，從而實(shí)現(xiàn)大傾角小孔高效、高質(zhì)量加工。
[0011]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，用于在工件表面加工大傾角小孔，所述噴嘴裝置包括具有中心通道的噴嘴本體，在所述噴嘴本體的前端開設(shè)有前端口，在所述前端口處連接能拆裝的有圓錐狀的前噴嘴，所述前噴嘴具有軸向貫通的通道，所述前噴嘴的通道與所述噴嘴本體的中心通道相連通，在所述前噴嘴的側(cè)壁上沿一斜面加工成形有與所述前噴嘴的通道相連通的斜缺口，所述斜面與所述前噴嘴的中心軸線呈規(guī)定的夾角。
[0012]如上所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，其中，所述斜缺口所在的斜面與所述前噴嘴的中心軸線的夾角等于所述工件表面與待加工大傾角小孔中心軸線的夾角。
[0013]如上所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，其中，所述前噴嘴與所述噴嘴本體卡接或螺紋連接在一起。
[0014]如上所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，其中，所述的斜缺口呈橢圓形。
[0015]本發(fā)明還提供了一種大傾角小孔加工方法，所述加工方法使用激光加工小孔設(shè)備，所述激光加工小孔設(shè)備包括有如上所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，所述加工方法包括:
[0016]將所述噴嘴裝置安裝在所述激光加工小孔設(shè)備的激光聚焦鏡前端；
[0017]將所述噴嘴裝置的前噴嘴貼近工件表面的待加工大傾角小孔處，并使得所述前噴嘴的斜缺口所在的斜面與所述工件表面相吻合；
[0018]開啟所述激光加工小孔設(shè)備，由所述激光加工小孔設(shè)備產(chǎn)生的激光束經(jīng)由所述噴嘴裝置前端的激光聚焦鏡聚焦于待加工工件表面或所述工件內(nèi)部的所述大傾角小孔的中心軸線處，激光束焦點(diǎn)在所述工件內(nèi)部所述大傾角小孔的中心軸線處的位置，可根據(jù)加工小孔深度進(jìn)行調(diào)整；
[0019]所述激光束在與通過所述待加工工件表面與待加工大傾角小孔的中心軸線交點(diǎn)的所述加工工件表面的法線垂直的平面內(nèi)沿橢圓形切割軌跡進(jìn)行旋切，完成大傾角小孔的激光旋切加工成形。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):
[0021]1、本發(fā)明的大傾角小孔加工方法，其切割插補(bǔ)路徑將從現(xiàn)有的圓形改變?yōu)闄E圓形，橢圓長短軸的尺寸將取決于小孔傾斜角度、孔徑要求及加工試驗(yàn)結(jié)果，激光焦點(diǎn)位置在孔軸向始終不變，噴嘴裝置與工件的間距也不會發(fā)生變化，因此提高了加工的穩(wěn)定性和一致性。
[0022]2、本發(fā)明的噴嘴裝置的前噴嘴靠近工件表面一側(cè)銑削成形有與所述前噴嘴的通道相連通的斜缺口，使得圓錐形前噴嘴具有更大斜角的平面，且斜缺口呈橢圓形，實(shí)現(xiàn)了噴嘴裝置盡量貼近工件表面，有助于提高焦點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍，從而保證激光束的焦點(diǎn)位于工件表面甚至可以調(diào)整至工件內(nèi)部，有利于加工大深徑比小孔，進(jìn)而避免碰撞干涉?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0023]在此描述的附圖僅用于解釋目的，而不意圖以任何方式來限制本發(fā)明公開的范圍。另外，圖中的各部件的形狀和比例尺寸等僅為示意性的，用于幫助對本發(fā)明的理解，并不是具體限定本發(fā)明各部件的形狀和比例尺寸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的教導(dǎo)下，可以根據(jù)具體情況選擇各種可能的形狀和比例尺寸來實(shí)施本發(fā)明。
[0024]圖1為現(xiàn)有的激光旋切加工小孔的切割路徑投影示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置使用時(shí)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明大傾角小孔加工方法的加工狀態(tài)示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明大傾角小孔加工方法的切割路徑投影示意圖。
[0029]附圖標(biāo)記說明:
[0030]1-噴嘴裝置；11_噴嘴本體；12_中心通道；13_前端口 ；14_前噴嘴；15_通道；16-斜缺口 ；2_工件；3_大傾角小孔；4_激光束；5_激光束的中心軸；6_工件表面中心點(diǎn)；7-大傾角小孔的中心軸；8-交點(diǎn)；9_法線。
【具體實(shí)施方式】
[0031]結(jié)合附圖和本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的描述，能夠更加清楚地了解本發(fā)明的細(xì)節(jié)。但是，在此描述的本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，僅用于解釋本發(fā)明的目的，而不能以任何方式理解成是對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的教導(dǎo)下，技術(shù)人員可以構(gòu)想基于本發(fā)明的任意可能的變形，這些都應(yīng)被視為屬于本發(fā)明的范圍。
[0032]請參考圖2、圖3，分別為本發(fā)明激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置的結(jié)構(gòu)示意圖和使用時(shí)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2、圖3所示，本發(fā)明提出的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置1，用于在工件2表面加工大傾角小孔3 (如圖4所示)。噴嘴裝置I包括具有中心通道12的噴嘴本體11，在噴嘴本體11的前端開設(shè)有前端口 13，在前端口 13處連接有能拆裝的圓錐狀的前噴嘴14，以便于更換前噴嘴14。前噴嘴14具有軸向貫通的通道15，前噴嘴14的通道15與噴嘴本體11的中心通道12相連通，從而構(gòu)成整個(gè)噴嘴裝置的軸向貫通的激光束通道。在本發(fā)明中，在前噴嘴14的側(cè)壁上沿一斜面加工成形有與前噴嘴14的通道15相連通的斜缺口 16，斜缺口 16所在的斜面與前噴嘴14的中心軸線呈規(guī)定的夾角，以使得當(dāng)噴嘴裝置I與工件2相貼近時(shí)，斜缺口 16所在斜面與工件表面相貼合的同時(shí)，前噴嘴14的出口端恰好位于待加工的大傾角小孔加工區(qū)域內(nèi)。這樣，使得由前噴嘴14的出口端射出的激光束4能夠聚焦于待加工的大傾角小孔的加工面上，最大限度地實(shí)現(xiàn)了噴嘴裝置I與工件2表面的貼合，從而保證激光束4焦點(diǎn)位于工件表面甚至可以調(diào)整至工件內(nèi)部，有利于加工大深徑比小孔，并且避免碰撞干涉，顯著提高了加工小孔深度及加工大深徑比小孔的效率。本發(fā)明的斜缺口 16通過銑削加工成形，前述規(guī)定的夾角范圍根據(jù)實(shí)際加工工況進(jìn)行選擇，本發(fā)明對此不作限制。
[0033]通常情況，如圖4所示，斜缺口 16所在的斜面與前噴嘴14的中心軸線的夾角等于工件2表面與待加工大傾角小孔中心軸線的夾角。
[0034]在本發(fā)明中，前噴嘴14與噴嘴本體11采用卡接或螺紋連接或其它適宜的可拆裝的連接方式。[0035]進(jìn)一步的，前噴嘴14的斜缺口 16呈橢圓形，以利于斜缺口 16所在斜面與工件2表面貼合的更加緊密。
[0036]請參考圖4、圖5，分別為本發(fā)明大傾角小孔加工方法的加工狀態(tài)示意圖和切割路徑投影示意圖。如圖4、圖5所示，本發(fā)明還提供了一種大傾角小孔加工方法，該加工方法使用激光加工小孔設(shè)備，激光加工小孔設(shè)備包括有如上所述激光旋切加工大傾角小孔3的噴嘴裝置I，該加工方法包括:
[0037]首先，將噴嘴裝置I安裝在激光加工小孔設(shè)備的聚焦鏡前端，使得激光加工小孔設(shè)備發(fā)射的激光束4經(jīng)由噴嘴裝置I出射至被加工工件2的表面；
[0038]其次，將噴嘴裝置I的前噴嘴14貼近工件2表面的待加工大傾角小孔3處，并使得前噴嘴14的斜缺口 16所在的斜面恰好與工件2表面相吻合，此時(shí)前噴嘴14的端口對應(yīng)于待加工大傾角小孔3的加工區(qū)域上；
[0039]接著，開啟激光加工小孔設(shè)備，激光加工小孔設(shè)備產(chǎn)生的激光束4經(jīng)由噴嘴裝置I前端聚焦鏡聚焦于待加工工件2表面或工件2內(nèi)部；
[0040]隨后，在加工過程中，如圖5所示，激光束4在與通過工件表面與待加工大傾角小孔的中心軸線交點(diǎn)的工件表面的法線垂直的平面內(nèi)，即加工孔軸線與工件表面交點(diǎn)相切面內(nèi)沿橢圓形切割軌跡進(jìn)行旋切，即如圖5所示，激光束4切割路徑按箭頭所指方向依次為O’ -a’ -b’ -c’ -d’ -e’ -f’ -0’，從而完成大傾角小孔2的激光旋切加工成形。
[0041 ] 在本發(fā)明中，激光加工小孔設(shè)備采用現(xiàn)有的5軸數(shù)控脈沖YAG激光加工小孔設(shè)備，噴嘴裝置安裝在加工頭結(jié)構(gòu)上，提高激光聚焦焦深量，有利于加工深孔，并且易于加工噴嘴更貼近工件表面，根據(jù)激光束參數(shù)、焦距、聚焦特性等，激光加工小孔設(shè)備的聚焦鏡的焦距150mm聚焦鏡更換為焦距200mm的聚焦鏡。
[0042]在加工孔軸線與工件表面交點(diǎn)相切面內(nèi)旋切插補(bǔ)路徑，可以采用傾斜平面加工方式(即當(dāng)采用工件傾斜方式，加工頭垂直于工作臺X-Y平面)，也可以采用將工件待加工孔軸線與工件表面交點(diǎn)相切面平行工作臺X-Y平面，加工頭傾斜，從而在X-Y平面內(nèi)插補(bǔ)的方式。
[0043]如圖4所示，在使用本發(fā)明的小孔加工方法時(shí)，激光束4的中心軸5傾斜于工件2表面，但切割路徑插補(bǔ)平面并非垂直于中心軸5，而是工件2表面或與加工斜孔(即大傾角小孔3)位于工件表面中心點(diǎn)6相切的平面，也就是運(yùn)動軌跡插補(bǔ)平面垂直于通過大傾角小孔3的中心軸7與工件表面的交點(diǎn)8的法線9。
[0044]為了實(shí)現(xiàn)上述方法加工大傾角小孔，實(shí)際切割插補(bǔ)路徑將從現(xiàn)有的圓形改變?yōu)闄E圓形，橢圓長短軸的尺寸將取決于小孔傾斜角度、孔徑要求及加工試驗(yàn)結(jié)果；另外，本發(fā)明的噴嘴裝置的前噴嘴靠近工件表面一側(cè)銑削成形有與所述前噴嘴的通道相連通的斜缺口16，使得圓錐形前噴嘴具有更大斜角的平面，且斜缺口 16呈橢圓形，實(shí)現(xiàn)了噴嘴裝置I盡量貼近工件2表面，有助于提高焦點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍，從而保證激光束的焦點(diǎn)位于工件表面甚至可以調(diào)整至工件內(nèi)部，有利于加工大深徑比小孔，進(jìn)而避免碰撞干涉。
[0045]本發(fā)明采用上述旋切加工大傾角小孔加工方法，激光焦點(diǎn)位置在孔軸向始終不變，噴嘴裝置與工件的間距也不會發(fā)生變化，因此提高了加工的穩(wěn)定性和一致性。
[0046]針對上述各實(shí)施方式的詳細(xì)解釋，其目的僅在于對本發(fā)明進(jìn)行解釋，以便于能夠更好地理解本發(fā)明，但是，這些描述不能以任何理由解釋成是對本發(fā)明的限制，特別是，在不同的實(shí)施方式中描述的各個(gè)特征也可以相互任意組合，從而組成其他實(shí)施方式，除了有明確相反的描述，這些特征應(yīng)被理解為能夠應(yīng)用于任何一個(gè)實(shí)施方式中，而并不僅局限于所描述的實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，用于在工件表面加工大傾角小孔，所述噴嘴裝置包括具有中心通道的噴嘴本體，在所述噴嘴本體的前端開設(shè)有前端口，其特征在于，在所述前端口處連接有能拆裝的圓錐狀的前噴嘴，所述前噴嘴具有軸向貫通的通道，所述前噴嘴的通道與所述噴嘴本體的中心通道相連通，在所述前噴嘴的側(cè)壁上沿一斜面加工成形有與所述前噴嘴的通道相連通的斜缺口，所述斜面與所述前噴嘴的中心軸線呈規(guī)定的夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，其特征在于，所述斜缺口所在的斜面與所述前噴嘴的中心軸線的夾角等于所述工件表面與待加工大傾角小孔中心軸線的夾角。
3.如權(quán)利要求1所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，其特征在于，所述前噴嘴與所述噴嘴本體卡接或螺紋連接在一起。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，其特征在于，所述的斜缺口呈橢圓形。
5.一種大傾角小孔加工方法，所述加工方法使用激光加工小孔設(shè)備，其特征在于，所述激光加工小孔設(shè)備包括有如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的激光旋切加工大傾角小孔的噴嘴裝置，所述加工方法包括: 將所述噴嘴裝置安裝在所述激光加工小孔設(shè)備的激光聚焦鏡前端； 將所述噴嘴裝置的前噴嘴貼近工件表面的待加工大傾角小孔處，并使得所述前噴嘴的斜缺口所在的斜面與所述工件表面吻合； 開啟所述激光加工小孔設(shè)備，由所述激光加工小孔設(shè)備產(chǎn)生的激光束經(jīng)由所述噴嘴裝置前端的激光聚焦鏡聚焦于待加工工件表面或所述工件內(nèi)部的所述大傾角小孔的中心軸線處，激光束焦點(diǎn)在所述工件內(nèi)部所述大傾角小孔的中心軸線處的位置，可根據(jù)加工小孔深度進(jìn)行調(diào)整； 所述激光束在與通過所述待加工工件表面與待加工大傾角小孔的中心軸線交點(diǎn)的所述加工工件表面的法線垂直的平面內(nèi)沿橢圓形切割軌跡進(jìn)行旋切，完成大傾角小孔的激光旋切加工成形。
【文檔編號】B23K26/38GK103464902SQ201310367495
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】張曉兵, 馬寧 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所