[发明专利]带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种加工沉头微小孔结构的方法及装置，具体来说，涉及一种激光-电火花-电解组合加工的方法，同时涉及一种该方法专用的加工装置。

背景技术

电火花加工、电解加工和激光加工分别是上世纪四、五、六十年代开始发展起来的加工工艺，由于其各具有不同的优越性而得到了飞速发展，在航空航天、武器装备、汽车、电子、船舶等制造业中得到广泛应用。三者对于上述领域中广泛存在的细小孔加工具有各自鲜明的特点。电火花加工微细孔有两种方法，即电火花穿孔和高速电火花小孔加工，它们和其它方法相比，在微细孔加工方面有一定优势：可以将任何导电材料，不受工件材料的强度和硬度限制，其次，可在工件表面上加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔等，加工过程中切削力很小，对工具的强度和刚度要求较低。但是电火花加工微细孔的深度有限，而且随着孔的加工深度的增加，拉弧的频率越高，最终使加工无法进行而被迫中断，而且电火花加工的零件表面会残留一层很薄的再铸层。激光加工是一种高能量束流加工方法，它以光量子为能量载体，利用聚焦后的高能量密度产生的光热效应来去除材料，具有加工速度快、加工精度高(可至微米级)、无切削力、无需加工工具等优点，易于实现加工过程中的自动化、数字化。但激光加工后工件表面存在再铸层、残余应力和微裂纹等缺陷而影响工件的疲劳强度，限制了其部分领域的应用。上述细小孔的电解加工方法主要采用行管电解加工和电液束加工。电液束加工是利用阴极充电电解液喷射到工件表面，在喷射点上产生阳极溶解而去除材料，该工艺技术具有可达性好、表面完整性好、深径比大的特点，是公认的“三无”(无再铸层、无残余应力、无微裂纹)加工技术。美、俄、英、德等国家已成熟应用于航空发动机叶片的小孔加工。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号CN1919514A，记载了一种喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置。其方法是利用激光发生装置产生激光束在工件上进行孔、缝、槽的加工，同时，喷射液束装置产生与激光束同轴的高速喷射液束去除材料；其装置包括激光器和工件安装夹具，还包括电源和喷射液束装置，喷射液束装置包括喷射装置安装座、绝缘转接座、阴极、聚焦透镜、防护镜、绝缘外套和喷嘴。该发明的方法以激光加工为主，在激光加工的基础上增加了高速喷射液束的冲刷、冷却以及在激光辐照条件下的喷射液束电解的复合加工作用，从而可以实现在激光加工过程中“在线”去除再铸层。

虽然该技术提供了一种可以加工细小孔、缝、槽等结构，并具有可消除再铸层、无残余应力、无微裂纹、效率高等诸多优点的加工方法及专用加工装置。但是，该技术并没有给出如何加工出带沉头微小孔的高效精密加工方法。然而在现代高性能航空发动机中，由于燃气的温度很高，往往会对发动机中的高温部件产生不良影响，需采用气膜冷却技术对高温部件加以保护。影响气膜冷却效率的因素有很多，其中气膜孔的出口形状对冷却效率的影响不容忽视。有研究通过实验比较了圆柱形孔、圆锥形孔及簸箕形孔的冷却效率，发现当吹风比较大时，带有扩张形出口的气膜冷却效率优于圆柱形孔。因此圆锥形孔和簸箕形孔在航空航天、汽车、船舶等领域中的应用越发重要，而快速准确的制造加工出带有扩张形出口的气膜孔是上述应用的保证。带扩张形出口的气膜孔的加工对加工方法及加工装置设备的要求较高，既要有加工速度，又要有出口形状，又要避免表面重铸层、残余应力和微裂纹。而本发明综合激光加工、电火花加工和电解加工三种加工方式，可以实现对带扩张形出口的气膜孔快速成形加工等。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法及装置，在现有的微小孔特种加工技术基础之上，将激光加工、电火花加工和电解加工综合运用，达到快速、精准的加工带沉头微小孔。并可消除沉头微小孔壁上的再铸层、无残余应力、高效的加工出带沉头微小孔。

本发明的技术方案：利用激光束在工件上进行沉头微小孔的通孔预加工，再利用管状铜电极对微小孔的沉头进行电火花加工，基本达到所需沉头形状精度，最后再利用与电火花加工电极同轴的高速喷射电解液束对整个带沉头微小孔进行电解加工，去除前两者加工后留下的再铸层。

本发明涉及的带沉头微小孔激光-电火花-电解加工方法，包括以下步骤：

第一步，根据加工要求选用合适的激光强度、电火花加工用管状铜电极大小和喷射液束强度，然后将待加工工件夹持固定在工作台上。通过控制系统分别确定激光加工用激光束的坐标位置、电火花加工管状铜电极和电解喷射加工液束在工作台上的坐标位置，然后再在同一坐标系下，通过控制系统确定待加工工件的坐标位置。