一种中空构件的激光加工方法

本发明涉及激光加工，具体而言，涉及一种中空构件的激光加工方法。

背景技术：

1、随着精密制造技术的发展，超快激光加工已逐渐应用于航空发动机叶片、燃油喷嘴、传感器壳体、医疗器械等具有内部空腔结构的中空构件加工领域。对于此类中空构件，通常需要从构件外侧对前壁进行非接触式贯穿加工，以形成微孔或其他局部贯穿结构。

2、相关技术中，通常采用固定加工参量和整区扫描方式对中空构件前壁进行逐层材料去除。当局部位置首先发生贯穿后，其周围仍存在尚未去除的材料，若继续采用原有加工参量和整区扫描轨迹，激光仍会反复经过已贯穿区域，并通过贯穿通道作用于内部背壁造成损伤。。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是如何在保证前壁材料有效去除的同时，减少局部贯穿后激光对内部背壁造成的损伤。

2、为解决上述问题，本发明提供一种中空构件的激光加工方法。

3、第一方面，本发明提供了一种中空构件的激光加工方法，应用于激光加工系统，所述中空构件的激光加工方法包括：

4、获取中空构件的前壁的目标加工区域对应的目标设计轮廓；

5、基于预设的第一组加工参量，控制所述激光加工系统沿预设的第一扫描轨迹进行激光扫描，当所述前壁的剩余壁厚满足预设的临界切换条件，由所述第一组加工参量切换至预设的第二组加工参量；

6、基于所述第二组加工参量，控制所述激光加工系统沿所述第一扫描轨迹进行贯穿激光扫描，当所述目标加工区域满足预设的贯穿条件，根据所述目标加工区域中的贯穿轮廓控制所述激光加工系统进行轮廓扩展激光扫描，直到扩展后的所述贯穿轮廓与所述目标设计轮廓满足预设的精修切换条件，由所述第二组加工参量切换至预设的第三组加工参量；

7、基于所述第三组加工参量，控制所述激光加工系统对所述目标加工区域中的未贯穿区域进行轮廓精修激光扫描，直到精修后的所述贯穿轮廓与所述目标设计轮廓满足预设的结构公差条件，控制所述激光加工系统停止激光输出。

8、可选地，所述临界切换条件的判定过程包括：

9、获取在所述第一组加工参量下对应的单循环最大材料去除深度和当前的累计材料去除循环数量；

10、将所述单循环最大材料去除深度和所述累计材料去除循环数量相乘得到累计去除深度；

11、将所述前壁的初始厚度减去所述累计去除深度得到所述剩余壁厚；

12、若所述剩余壁厚小于或者等于所述临界剩余壁厚，判定满足所述临界切换条件；

13、若所述剩余壁厚大于预设的临界剩余壁厚，判定不满足所述临界切换条件，并根据所述第一组加工参量，继续执行下一材料去除循环，并累计得到新的所述累计材料去除循环数量。

14、可选地，所述贯穿条件的判定过程包括：

15、根据所述第二组加工参量，控制所述激光加工系统沿着所述第一扫描轨迹进行闭环激光扫描，其中，完成一次闭环激光扫描后，通过所述激光加工系统的同轴视觉单元采集所述目标加工区域的连续帧图像；

16、根据所述连续帧图像之间的灰度差异判断是否满足所述贯穿条件；

17、若是，控制所述激光加工系统对所述贯穿轮廓和所述目标设计轮廓之间的区域进行所述轮廓扩展激光扫描。

18、可选地，所述根据所述连续帧图像之间的灰度差异判断是否满足所述贯穿条件，包括：

19、对两个所述连续帧图像分别进行灰度处理得到对应的灰度图像；

20、当两个所述灰度图像中相同位置均检测出灰度差异连通区域，判定满足所述贯穿条件，其中，所述灰度差异连通区域根据贯穿区域与未贯穿材料表面之间的灰度差异提取并经连通域分析得到，并且所述灰度差异连通区域的面积大于或者等于预设的有效激光光斑面积。

21、可选地，所述根据所述目标加工区域中的贯穿轮廓控制所述激光加工系统进行轮廓扩展激光扫描，包括：

22、根据所述目标设计轮廓沿指向当前的所述贯穿轮廓的方向逐级进行轮廓偏置，得到多条闭合偏置加工轨迹，其中，相邻的所述闭合偏置加工轨迹之间的距离小于或者等于预设的有效材料去除轨迹宽度；

23、基于多条所述闭合偏置加工轨迹，控制所述激光加工系统逐圈进行所述轮廓扩展激光扫描，其中，所述轮廓扩展激光扫描的加工推进方向为从所述贯穿轮廓指向所述目标设计轮廓。

24、可选地，所述控制所述激光加工系统逐圈进行所述轮廓扩展激光扫描，包括：

25、对所述闭合偏置加工轨迹进行已贯穿区段筛选得到对应的有效加工轨迹和无效加工轨迹；

26、根据所述有效加工轨迹和所述无效加工轨迹，控制所述激光加工系统进行所述轮廓扩展激光扫描，其中，在所述有效加工轨迹开启激光输出，在所述无效加工轨迹关闭激光输出。

27、可选地，所述精修切换条件的判定过程包括：

28、获取扩展后的当前贯穿轮廓；

29、当所述当前贯穿轮廓与所述目标设计轮廓之间的最大法向距离小于或者等于预设的轮廓精修余量，判定满足所述精修切换条件；

30、否则，判定不满足所述精修切换条件。

31、可选地，所述控制所述激光加工系统对所述目标加工区域中的未贯穿区域进行轮廓精修激光扫描，包括：

32、根据扩展后的所述贯穿轮廓和所述目标设计轮廓之间的剩余材料分布，通过逐级偏置得到轮廓精修轨迹；

33、控制所述激光加工系统沿所述轮廓精修轨迹进行逐圈轮廓精修激光扫描。

34、可选地，所述结构公差条件的判定过程包括：

35、当精修后的所述贯穿轮廓与所述目标设计轮廓之间的最大法向距离小于或者等于预设的目标结构允许公差，判定满足所述结构公差条件，并控制所述激光加工系统停止激光输出；

36、否则，判定不满足所述结构公差条件，控制所述激光加工系统继续进行所述轮廓精修激光扫描。

37、可选地，所述激光加工系统包括整体电源、超快激光器、光学快门、第一反射镜、半波片、扩束镜、扫描振镜、第二反射镜、二向色分光镜、聚焦透镜、工作台、同轴视觉单元和控制单元；

38、所述超快激光器用于输出激光束，沿所述激光束的传播方向依次设置有所述光学快门、所述第一反射镜、所述半波片、所述扩束镜、所述扫描振镜、所述第二反射镜、所述二向色分光镜和所述聚焦透镜；

39、所述二向色分光镜用于透射加工激光，并将所述中空构件表面的可见成像光反射至所述同轴视觉单元；

40、所述聚焦透镜用于将透射过所述二向色分光镜的激光聚焦至放置在所述工作台上的所述中空构件；

41、所述同轴视觉单元包括照明装置、光学镜头和ccd相机，所述照明装置用于向工件表面提供同轴照明，所述光学镜头用于将所述中空构件的所述目标加工区域成像于所述ccd相机，所述ccd相机用于采集所述目标加工区域的连续帧图像；

42、所述控制单元分别与所述超快激光器、所述光学快门、所述扫描振镜、所述工作台和所述同轴视觉单元通信连接

43、所述整体电源分别与所述超快激光器、所述光学快门、所述扫描振镜、所述工作台和所述控制单元电连接。

44、本发明的中空构件的激光加工方法的有益效果是：基于预设的第一组加工参量控制激光加工系统沿预设的第一扫描轨迹进行激光扫描，能够在前壁材料去除初期保证有效材料去除；当所述前壁的剩余壁厚满足预设的临界切换条件时，由第一组加工参量切换至第二组加工参量，使激光作用状态在剩余壁厚达到临界状态时及时改变，从而在前壁接近贯穿前降低单次或累计激光作用强度，减少后续局部贯穿时激光对内部背壁造成损伤的风险；基于第二组加工参量继续沿第一扫描轨迹进行贯穿激光扫描，能够在保持前壁剩余材料继续去除的同时，以较缓和的作用方式完成贯穿过程，当目标加工区域满足预设的贯穿条件时，根据目标加工区域中的贯穿轮廓控制激光加工系统进行轮廓扩展激光扫描，使激光作用范围随实际贯穿轮廓动态调整，而不是继续对已贯穿区域进行重复作用，从而减少激光经已贯穿区域进入中空腔体并作用于内部背壁的机会；当扩展后的贯穿轮廓与目标设计轮廓满足预设的精修切换条件时，由第二组加工参量切换至第三组加工参量，基于第三组加工参量对目标加工区域中的未贯穿区域进行轮廓精修激光扫描，能够进一步降低激光累计作用并仅针对未贯穿区域完成精细去除，避免对已贯穿区域产生不必要的激光作用；直到精修后的贯穿轮廓与目标设计轮廓满足预设的结构公差条件，控制激光加工系统停止激光输出，能够在保证目标轮廓加工完成的同时避免过度加工。通过第一组加工参量、第二组加工参量和第三组加工参量的依次切换，以及临界切换条件、贯穿条件、精修切换条件和结构公差条件的逐级判定，在保证前壁材料有效去除的同时，使局部贯穿后激光主要作用于未贯穿区域，减少对已贯穿区域的重复扫描以及激光经贯穿通道对内部背壁的作用，从而兼顾前壁材料去除效果与内部背壁保护。