[发明专利]一种激光与超声复合式钻孔加工系统及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在硬脆材料上钻孔的加工领域，尤指一种保护硬脆材料、高速加工且定位精准的一种激光与超声复合式钻孔加工系统及其加工方法。

背景技术

钻孔加工技术是通过钻头在实体材料上进行打孔加工，对于一般的实体材料采用硬度适合的钻头及合适的转速即可实现，但实体材料的种类居多，既有硬度区别、强度区别，亦有脆性区别、抗压抗拉抗腐蚀性能的区别，但是传统的钻头只能满足一定程度硬度的材料钻孔加工，对于硬度过高的材料，普通钻头在高速下也无法完成钻孔，且加工表面质量很差，对于脆性较高的材料，普通钻头容易损坏材料表面质量。

为解决上述问题，可采用激光钻孔技术进行特殊材料的钻孔加工，采用激光钻孔可应用于多种性质特殊的材料上，尤其是硬脆材料上，但激光钻孔加工所实现的加工表面精度不高，导致表面质量无法符合加工要求；若要达到高表面质量的加工表面，则可采用超声钻孔技术，但是直接采用超声波钻孔时，由于超声波的能量较大，容易突发性损坏材料质量，导致资源浪费，加工无法掌控，因此对于硬脆材料的加工方法仍存在一定的局限。

由此，为更好地解决问题，可将激光与超声波共同相辅加工，如名称为《硬质合金激光超声辅助加工切削力特性》（中文科技期刊数据库收录的《机械设计与研究》中记载）的学术文献，公开了二维超声振动与激光加热辅助加工的方法，实现了高精度的加工质量，但是该方法应用于切削加工中，且加工程序复杂，在正常的工业生产研发中无法广泛普及应用，因此，对于硬脆材料的钻孔加工仍需要一种加工成本低、加工高精度的加工系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在公开一种在硬脆材料上钻孔的加工领域，尤指一种保护硬脆材料、高速加工且定位精准的一种激光与超声复合式钻孔加工系统及其加工方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光与超声复合式钻孔加工系统，其特征在于，所述的加工系统主要包括激光加工系统、超声加工系统、精密旋转定位机构和轴心找正系统，激光加工系统与超声加工系统通过安装在精密旋转定位机构上以调控定位；

所述激光加工系统主要包括支撑顶部、激光部件安装座、激光工作部件、激光激发器和激光调控终端，所述激光部件安装座固定安装在支撑顶部之下，内部为安装激光工作部件的屏蔽式工作腔体，所述的激光工作部件主要由通过定位调节结构定位的第一聚光透镜、第二聚光透镜、正反射镜、副反射镜、激光打孔输出头组成形成光束发射调节组件，其中第一聚光透镜与激光激发器的光束输出端平行设置，正反射镜与第一聚光透镜为角度可调的对向邻近关系，第二聚光透镜可拆卸式水平设置在正反射镜下方，副反射镜可拆卸式平行设置在正反射镜的偏下方；

所述的超声加工系统主要由超声部件安装座、超声信号无线传输装置、超声加工部件、定向发声器和超声调控终端，所述超声加工部件主要由加工主轴、超声波刀柄、超声波发生器、超声换能器和距离传感器组成，加工主轴与超声波刀柄轴套传动连接为一体后通过超声波发生器、超声换能器、距离传感器驱动控制超声波发射和调节；所述定向发声器以超声波为载波从而放大超声波能量；所述超声信号无线传输装置通过无线通信协议实现传输，为超声加工系统各部件之间通过无线信号进行信息关联的信号传输与调制中心；

所述的轴心找正系统主要包括定位面板、锁紧结构、重力传感器、距离传感器、定向调整结构、运动调节底座和驱动控制装置，定位面板为装载待加工工件的薄块状支撑面板，并通过锁紧结构锁定装载，同时重力传感器、距离传感器、定向调整结构安装在定位面板下方以感应并调整待加工工件的定位，运动调节底座为控制整体轴心找正系统位移的支撑底座，通过调节工件定位从而配合激光加工系统或超声加工系统对准工件轴心或其他待钻孔处中心以进行钻孔加工；

所述精密旋转定位机构主要由支撑主体、旋转工作台、夹紧部件、动力导向装置和驱动控制装置组成，其中的支撑主体为支撑旋转工作台的重型立方体，旋转工作台通过中心轴轴向活动安装在支撑主体的上方，同时旋转工作台在其相邻的两个侧面上安装夹紧部件，夹紧部件包括装夹激光加工系统的纵向夹紧件与装夹超声加工系统的侧向夹紧件；驱动控制装置与动力导向装置电性驱动连接，动力导向装置安装在支撑主体内部并与旋转工作台传动连接以形成旋转工作台的运动导向，主要由定位传感器、止挡器、旋转动力轴和回转固定座组成，回转固定座为环状体，与定位传感器、旋转动力轴轴向活动组装为一体，止挡器活动安装在回转固定座上，运动时从回转固定座延伸至旋转动力轴处。