CN106141456B - 一种旋转式水导激光加工系统及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式水导激光加工系统及方法，系统包括聚焦机构、水腔机构、固定机构及喷嘴机构，所述聚焦机构用于调节光路聚焦激光，所述水腔机构用于形成高压水腔，所述喷嘴机构包括固体细管及固定细管内的光纤，所述激光及高压水均自所述喷嘴机构射出，所述喷嘴机构的固体细管及光纤均包括管状本体，以及设置在该管状本体远离所述固定机构一端的弯折部，所述弯折部与管状本体具有大于0°的夹角θ。本发明在用喷嘴机构进行加工时，所述喷嘴机构每旋转360度，可保证其射出的激光光斑加工区域的直径大于或等于喷嘴机构细管的外径，还可保证加工区域覆盖固定细管正下方的所有区域，不留死角，适用于连续的深孔加工作业。

Description

一种旋转式水导激光加工系统及加工方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工系统和方法，具体涉及一种适用于连续深孔加工的旋转式水导激光加工系统及加工方法。

背景技术

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属与非金属)进行微细加工、切割、焊接、表面处理及打孔等加工的一门精密加工技术。其中传统的激光加工技术，加工时所熔化的材料会以颗粒形式沉积在工件的表面上，从而造成尘粒污染，同时又由于其过大的热影响区和严重的热变形等缺陷而影响加工精度。

水导激光加工技术是一项以微细水射流引导激光束对工件进行加工的复合加工技术，喷射的水流在激光脉冲间隙冷却材料，降低材料的热变形和热损伤，使材料保持其原来结构。另一项优点是喷射水流会在加工过程中带走熔融的材料，减少污染物。利用水束全反射原理传导激光进行加工，是激光加工技术的一个新发展方向，具有更加优异的加工性能，基本上解决了热影响区和熔渣的问题，同时其加工精度也高于传统的激光加工精度。

现有的水导激光加工系统，光纤套设在喷嘴机构细管中，激光束和水射流通过光纤传导射出，因此所述激光束直径小于喷嘴机构细管的尺寸，将导致加工区域的直径小于喷嘴机构运动覆盖范围的直径，加工出现锥角。因此在加工深孔等特征时，受限于加工区域的直径小于喷嘴机构运动覆盖范围的直径，无法进一步将喷嘴机构深入孔中进行精密加工。同时，加工的最大深度还受限于水射流破碎长度和激光束的参数条件。譬如，申请号为“2010105455363”,名称为“一种光水同轴的激光冲击强化头”的发明专利，其喷嘴模块的结构尺寸因大于出射激光束的直径，无法实现连续的深孔加工。因此这类水导激光加工系统能加工的孔的深度有限，无法实现连续的深孔加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于解决上述技术问题的旋转式水导激光加工系统及加工方法。

一种旋转式水导激光加工系统，包括：聚焦机构、水腔机构、固定机构及喷嘴机构，所述聚焦机构用于调节光路聚焦激光，所述水腔机构用于形成高压水腔，所述喷嘴机构包括固定细管及固定细管内的光纤，所述激光及高压水均自所述喷嘴机构射出，所述喷嘴机构的固定细管及光纤均包括管状本体，以及设置在该管状本体远离所述固定机构一端的弯折部，所述弯折部与管状本体具有大于0°的夹角θ。

优选地，定义该喷嘴机构固定细管的外径为d₂，光纤的内径为d₁，弯折部的垂直方向长度为L，弯折部与工件的距离为H，则满足

优选地，所述旋转式水导激光加工系统进一步包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构与所述喷嘴机构连接，并用于驱动喷嘴机构绕其中心轴进行旋转。

优选地，所述旋转驱动机构包括电动机及相互啮合设置的从动齿轮和主动齿轮，其中所述从动齿轮通过键槽配合方式与喷嘴机构相连接。

优选地，所述旋转驱动机构包括电动机及自所述电动机延伸出的运动轴，所述运动轴与所述喷嘴机构固定连接，且当所述运动轴运动时，带动所述喷嘴机构转动。

优选地，所述运动轴与所述喷嘴机构为同一结构。

优选地，所述固定机构包含有旋转密封件，上、下轴承，上、下轴承固定座及用于连接上、下轴承固定座的连接件，所述上轴承固定座通过螺栓与所述水腔机构固定连接。

优选地，所述上轴承固定座、下轴承固定座与连接件设为一体式结构。

本发明还提供了应用上述旋转式水导激光加工系统的加工方法，包括以下步骤：

(1)、将光路从聚焦机构射入，通过该聚焦机构的聚焦作用形成细小激光光斑，并将该细小激光光斑引导至喷嘴机构的光纤；

(2)、将高压水从水腔机构引入，通过该水腔机构导引至喷嘴机构的固定细管及光纤；

(3)、使所述激光与高压水自所述喷嘴机构的光纤及固定细管末端的弯折部射出并喷射至工件表面；

(4)、驱动喷嘴机构的固定细管及光纤做相对于工件平行旋转至少360度，用于对工件表面进行打孔；

(5)、驱动该旋转式水导激光加工系统伸入至工件表面上所打的孔，重复步骤(4)的动作直到加工完成。

优选地，所述高压水通过水腔机构引导至喷嘴机构的固定细管与光纤之间的间隙，或者光纤的空心部。

本发明所提供的旋转式水导激光加工系统，通过在固定细管及光纤的末端进行弯折形成弯折部，使得该旋转式水导激光加工系统在用固定细管进行加工时，所述固定细管每旋转360度，可保证其射出的激光光斑区域的直径大于固定细管的直径，还可保证其加工区域覆盖固定细管正下方的所有区域，不留死角。因此，所述旋转式水导激光加工系统中的固定细管可持续下探，应用于连续的深孔加工作业。

附图说明

图1为本发明较佳实施例所提供旋转式水导激光加工系统的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例所提供旋转式水导激光加工系统的剖视图；

图3为本发明较佳实施例所提供旋转式水导激光加工系统的工作原理图；

图4为本发明较佳实施例所提供旋转式水导激光加工系统中固定细管及光纤末端弯折角度的计算原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1、图2，本发明较佳实施例所提供的一种旋转式水导激光加工系统100，其包括聚焦机构10、水腔机构20、喷嘴机构30、固定机构40和旋转驱动机构50。所述聚焦机构10的中心轴与喷嘴机构30的中心轴重合，所述水腔结构20的中心轴与喷嘴机构30的中心轴重合，所述固定机构40用于固定所述聚焦机构10、水腔机构20、喷嘴机构30及旋转驱动机构50，所述旋转机构50用于驱动所述喷嘴机构30沿垂直于工件的方向旋转。所述聚焦机构10是用于调节光路聚焦激光，并聚焦成强度适用于打孔的细小激光光斑。所述聚焦机构10包含有聚焦套筒11、聚焦镜12、导向管13、球透镜14，其中所述聚焦镜12相对于聚焦套筒11水平设置，且聚焦套筒11、聚焦镜12、导向管13和球透镜14入口中心处于同一轴线上，这样该聚焦机构10在接受激光器所发射出的光路后，首先通过聚焦镜12来对激光进行聚焦，然后在导向管13的导引作用下射向球透镜14，并由球透镜14做进一步的聚焦作用，最后，将经由聚焦镜12、球透镜14两次聚焦过后的细小激光光斑导出至喷嘴机构30的光纤33并射出，进而实现对加工工件的激光加工作用。本实施例中的聚焦镜12是通过聚焦镜座16固定在聚焦套筒11内的，具体地，所述聚焦套筒11在其侧壁上开设固定孔111，然后用固定螺丝17来对聚焦镜座16进行固定，进而实现了将聚焦镜12水平安装在聚焦套筒11的作用。

可以理解，所述聚焦机构10在接受激光器所发射的激光并进行聚焦的过程中，其用于对激光进行一次聚焦的聚焦镜12设置在聚焦套筒11邻近激光进口的位置，这样该聚焦机构10在使用时，如将其直接暴露在外界环境中，其容易被外界环境中的灰尘及其它一些杂粒颗粒所污染，并沉积在聚焦镜12上，进而会对该聚焦镜12的聚焦效果产生了影响。为此，本实施例的聚焦机构10在聚焦套筒11的激光进口端增设了一保护镜18，以防止环境中的灰尘及其它一些杂粒颗粒落入到聚焦套筒11内，进而避免了容置于聚焦套筒11内的聚焦镜12对激光的聚焦效果产生激光聚焦光路的偏差。

所述水腔机构20用于形成高压水腔，所述水腔机构20包括水腔套筒21和进水管22，其中所述进水管22设置在所述水腔套筒21的圆周面上，并可通过该进水管22往水腔套筒21内引入用于耦合细小激光光斑所需要的水。本实施例的激光加工系统，其将聚焦机构10中的球透镜14容置于所述水腔套管21设置，并用导向管13进行限位，由于水腔套管21在使用时，其内会暂存通过进水管22引入的高压水，这样本实施例在具体设置球透镜14的过程中，会在球透镜14的上下两侧分别设置密封圈23，以防水腔套管21内的水对球透镜14的聚焦效果产生影响。进一步地，所述水腔套筒21与所述聚焦套筒11在具体结构的设置过程中，可以将两者加工为整体结构。

可以理解，所述进水管22在使用时的过程中，其所引入的水为高压水，以便与细小激光光斑进行耦合，进而实现该激光加工系统的水导激光加工作用。这样本实施例的进水管22则为高压水进水管，其内安置有过滤网(图未示)，用于对高压水中的杂质进行过滤，以防高压水中的杂质对后续的喷嘴机构30中的固定细管32进行堵塞以及对该激光加工系统100工作时所喷射出的细小激光光斑光路造成影响，进而防止对聚焦机构10中的光纤33造成损伤和对该激光加工系统100的加工精度产生影响。可以理解，本实施例的激光加工系统100在使用中，可以优选选用由去离子水、蒸馏水或纯净水制成的高压水。

所述喷嘴机构30自所述固定机构40延伸而出，用于将经由该激光加工系统100处理过后的相耦合的细小激光光斑和高压水进行导引，使其作用在待加工的工件上对该工件进行加工。具体地，所述喷嘴机构30包括喷嘴体31、固定细管32和光纤33。所述喷嘴体31与所述旋转机构50活动连接，可绕垂直于工件的方法旋转。其中所述光纤33套设于固定细管32，且与固定细管32固定连接，以保持光纤33与固定细管32的相对位置固定。可以理解，所述光纤33与固定细管32靠近工件的一端齐平，且同轴设置。

所述固定细管32及光纤33均包括管状本体及设置在该管状本体远离所述固定机构一端的管状弯折部，所述弯折部与管状本体具有一定的夹角θ。所述弯折部与管状本体可一体成型，也可由分立的两部分组成。所述高压水主要自所述水腔沿喷嘴机构射出，所述光纤33可为中空结构也可为实心结构，当所述光纤33为实心结构时，为使高压水从水腔顺利射出，所述固定细管32与光纤33之间可具有一定间隙，从而形成出水腔；当所述光纤33为中空结构时，所述光纤33外壁贴设在所述固定细管32的内壁，所述高压水可自所述光纤33中射出。

为了实现该激光加工系统100连续深孔精密加工作业的功能，本实施例将固定细管32及光纤33的末端弯折并形成弯折部。请参阅图4，定义该固定细管32及光纤33末端与垂直方向的弯折角度为θ，所述固定细管32与待加工工件的垂直距离为H；所述固定细管32与光纤33中弯折部的垂直距离为L，所述固定细管32的外径为d₂，所述光纤33的内径为d₁，则所述参数需满足如下不等式：

可以理解，由于此时，当该喷嘴机构30绕垂直于工件的方向360度后，其光斑所照射的区域，即加工区域的直径此时大于固定细管32的外径。由于此时，当该喷嘴机构30绕垂直于工件的方向360度后，其光斑所照射的区域即加工区域为一实心圆，而不会形成圆环。可以理解，本实施例的激光加工系统100在实际的使用过程中，可以选用不同口径、长度以及弯折角度的固定细管32及光纤33，来适应不同的工艺需求。下面列举几个实施例用于说明：

实施例1：当固定细管32的外径d2＝0.8mm，光纤33的内径d1＝0.5mm，固定细管32与待加工工件的垂直距离为H＝5mm，固定细管32与光纤33中弯折部的垂直距离为L＝5mm时，所述的不等式为0.015＜tanθ＜0.025，解得0.8θ°＜θ＜1.43°，夹角θ可以在0.86度到1.43度之间选择，譬如可以选择1度。

实施例2：当固定细管32的外径d2＝0.8mm，光纤33的内径d1＝0.5mm不变，固定细管32与待加工工件的垂直距离为H＝2mm，固定细管32与光纤33中弯折部的垂直距离为L＝2mm时，所述的不等式为0.0375＜tanθ＜0.0625，解得

2.15°＜θ＜3.5θ°，夹角θ可以在2.15度到3.58度之间选择，譬如可以选择3度。

实施例3：当固定细管32的外径d2＝5mm，光纤33的内径d1＝4mm，固定细管32与待加工工件的垂直距离为H＝2mm，固定细管32与光纤33中弯折部的垂直距离为L＝8mm时，所述的不等式为0.05＜tanθ＜0.2，解得2.86°＜θ＜11.3°，夹角θ可以在2.86度到11.3度之间选择，譬如可以选择10度。

理论上，不等式有无限解，但是受限于确定的固定细管32与光纤33中弯折部的垂直距离L、跟加工工艺有关的固定细管32与待加工工件的垂直距离H、固定细管32的外径d₂以及光纤33的内径d₁，光纤33末端的弯折角度θ的选择范围就受限于不等式，根据常用的L、H、d₂、d₁的大小，夹角θ的角度可以根据加工需要进行设计和调整。

所述固定机构40应用在该激光加工系统100中是用于水腔机构20及喷嘴机构30进行固定，具体地，对水腔机构20中的水腔套筒21与喷嘴机构30中的喷嘴体31进行固定。所述固定机构40包括旋转密封件41、上轴承42、上轴承固定座43、下轴承44、下轴承固定座45以及用于连接上、下轴承固定座(43、45)的连接件46。可以理解，所述上轴承固定座43、下轴承固定座45与连接件46可以加工成一个整体结构。所述上轴承固定座43与水腔套管21之间用螺栓47进行固定，本实施例优选选用等间距环形布局设置的多个螺栓47来达到对上轴承固定座43以及水腔套管21之间的固定，进而对水腔套管21与喷嘴体31进行连接固定。其中，所述旋转密封件41设置在所述上轴承42与所述上轴承固定座43之间，并与水腔套筒21、喷嘴体31一道形成用于暂存经由进水管22引入的高压水，然后通过喷嘴机构30中的固定细管32将高压水从真空光纤33内排出。

所述旋转驱动机构50是用于驱动喷嘴机构30进行旋转，使喷嘴机构30中固定细管32喷射出来相耦合的细小激光光斑与高压水在工作时，以绕中心轴做圆周线运动的方式作用在待加工工件上，进而实现激光光斑照射面积的直径大于固定细管32的外径。

本实施例的旋转驱动机构50是采用齿轮驱动的方式来达到对喷嘴机构30的旋转驱动作用。具体地，所述旋转驱动机构50包括从动齿轮51、主动齿轮52和电动机53，其中所述从动齿轮51与主动齿轮52相啮合，并用键槽配合的方式与喷嘴体31相固定。这样该旋转驱动机构50在工作时，电动机53带动主动齿轮52旋转，并通过从动齿轮51的传递作用驱动喷嘴体31进行旋转，进而达到对喷嘴机构30的旋转驱动作用。为简化传动机构，本发明另一实施例的旋转驱动机构50选择将电动机(图未示)的运动轴与所述喷嘴体31固定连接，当所述转动轴转动时，带动所述喷嘴体31转动，进一步地，可将所述转动轴与喷嘴体设计为一体结构，即将电动机的运动轴设计成喷嘴体形式，这样在电动机旋转时，喷嘴体31直接旋转，此结构上更为简单和紧凑。

请参阅图3，本实施例的激光加工系统100在工作时，所述聚焦机构10对激光进行二次聚焦，并将聚焦过后的细小激光光斑导入光纤33并射出。所述水腔机构20通过进水管22从外界环境导入高压水，并从固定细管32与光纤33之间存在的间隙将高压水排出，进而实现该激光加工系统100对细小激光光斑与高压水的耦合作用，然后再从光纤33与固定细管32弯折的末端喷射出来。由于固定细管32及光纤33的末端弯折了一定角度，且在旋转驱动机构50的旋转驱动下，所述喷嘴机构30进行旋转喷射作用。这样该激光加工系统100工作时，细小激光光斑及高压水是以绕圆周的方式喷射出来，亦即所喷射出的细小激光光斑可大于所述固定细管32的外径，进而使得该激光加工系统100在对待加工工件进行作业时，其固定细管32可持续下探，从而能够适用于连续的深孔加工作业。

综上所述，旋转式水导激光加工系统，通过在固定细管及光纤的末端进行弯折形成弯折部，使得该旋转式水导激光加工系统在用固定细管进行加工时，所述固定细管每旋转360度，可保证其射出的细小激光光斑区域的直径大于固定细管的直径，还可保证其加工区域覆盖固定细管正下方的所有区域，不留死角。因此，所述旋转式水导激光加工系统中的固定细管可持续下探，从而应用于连续的深孔加工作业。

本发明还提供了应用上述旋转式水导激光加工系统的加工方法，其包括以下步骤：

S10：将光路从聚焦机构10中射入，通过该聚焦机构10的聚焦作用形成细小激光光斑，并将该细小激光光斑引导至喷嘴机构30的光纤33；通过该聚焦机构10聚焦过后的细小激光光斑是作用在工件表面上的，并对工件表面进行打孔处理，这样其对经由该聚焦机构10聚焦形成的细小激光光斑强度有一定的要求，为此，可将射入聚焦机构10的光路选用有外置激光器发射的激光。

S20：将高压水从水腔机构引入，通过该水腔机构导引至喷嘴机构的固定细管及光纤；可以理解，根据喷嘴机构中固定细管及光纤的结构设置，通过该水腔机构的导引的高压水可以从固定细管及光纤间的间隙射出，或者从光纤自身的空心部射出。

S30：由上述步骤S10聚焦过后的细小激光光斑及S20导引的高压水自所述喷嘴机构的光纤及固定细管末端的弯折部射出并喷射至工件表面。为使采用该旋转式水导激光加工方法而制备的旋转式水导激光加工系统适用于深加工作用，该喷嘴机构的光纤及固定细管末端的弯折部其弯折角度大于0°。

(4)、驱动喷嘴机构的固定细管及光纤做相对于工件平行旋转至少360度，用于对工件表面进行打孔；

(5)、驱动该旋转式水导激光加工系统伸入至工件表面上所打的孔，重复步骤(4)的动作直到加工完成。

S40：驱动喷嘴机构的固定细管及光纤做相对于工件平行旋转至少360度，用于对工件表面进行打孔处理。为使所述喷嘴机构的固定细管及光纤做相对平行旋转，可使工件旋转，也可使所述激光加工系统旋转，旋转的方式可为手动，也可为驱动机构驱动。在本实施例中，采用与所述喷嘴机构连接的驱动机构驱动喷嘴机构的固定细管及光纤进行旋转，该驱动方式控制方便且精度较高。可以理解，由于喷嘴机构的固定细管及光纤做相对于工件平行旋转至少360度，从而使得激光及高压水是以绕圆周的方式喷射出来，亦即所喷射出的激光光斑可大于所述固定细管的外径，从而使得所述加工区域的直径大于所述固定细管的外径。

S50：驱动该旋转式水导激光加工系统伸入至工件表面上所打的孔，重复步骤(4)的动作直到加工完成。可以理解，由于加工区域的直径大于所述固定细管的外径，所述喷嘴机构或旋转式水导激光加工系统可沿垂直于加工区域的方向移动，从而能够适用于连续的深孔加工作业。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种旋转式水导激光加工系统，包括：聚焦机构、水腔机构、固定机构及喷嘴机构，所述聚焦机构用于调节光路聚焦激光，所述水腔机构用于形成高压水腔，所述喷嘴机构包括固定细管及固定细管内的光纤，激光及高压水均自所述喷嘴机构射出，所述喷嘴机构的固定细管及光纤均包括管状本体，以及设置在该管状本体远离所述固定机构一端的弯折部，所述弯折部与管状本体具有大于0°的夹角θ，定义该喷嘴机构固定细管的外径为d₂，光纤的内径为d₁，弯折部的垂直方向长度为L，弯折部与工件的距离为H，则满足

2.根据权利要求1所述的旋转式水导激光加工系统，其特征在于：所述旋转式水导激光加工系统进一步包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构与所述喷嘴机构连接，并用于驱动喷嘴机构绕其中心轴进行旋转。

3.根据权利要求2所述的旋转式水导激光加工系统，其特征在于：所述旋转驱动机构包括电动机及相互啮合设置的从动齿轮和主动齿轮，其中所述从动齿轮通过键槽配合方式与喷嘴机构相连接。

4.根据权利要求3所述的旋转式水导激光加工系统，其特征在于：所述旋转驱动机构包括自所述电动机延伸出的运动轴，所述运动轴与所述喷嘴机构固定连接，且当所述运动轴运动时，带动所述喷嘴机构转动。

5.根据权利要求1所述的旋转式水导激光加工系统，其特征在于：所述固定机构包含有旋转密封件，上、下轴承，上、下轴承固定座及用于连接上、下轴承固定座的连接件，所述上轴承固定座通过螺栓与所述水腔机构固定连接。

6.根据权利要求5所述的旋转式水导激光加工系统，其特征在于：所述上轴承固定座、下轴承固定座与连接件设为一体式结构。

7.一种应用权利要求1～6任一项所述的旋转式水导激光加工系统的加工方法，其包括以下步骤：(1)、将光路从聚焦机构射入，通过该聚焦机构的聚焦作用形成细小激光光斑，并将该细小激光光斑引导至喷嘴机构的光纤；

(2)、将高压水从水腔机构引入，通过该水腔机构导引至喷嘴机构的固定细管及光纤；

(3)、使所述激光与高压水自所述喷嘴机构的光纤及固定细管末端的弯折部射出并喷射至工件表面；

(4)、驱动喷嘴机构的固定细管及光纤做相对于工件平行旋转至少360度，用于对工件表面进行打孔；

(5)、驱动该旋转式水导激光加工系统伸入至工件表面上所打的孔，重复步骤(4)的动作直到加工完成。

8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：所述高压水通过水腔机构引导至喷嘴机构的固定细管与光纤之间的间隙，或者光纤的空心部。