干冰冲击辅助全反射激光与射流电解加工变截面孔的工具及方法

1.本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及到一种干冰冲击辅助全反射激光与射流电解加工变截面孔的工具及方法。


背景技术：

2.在航空航天航海等军工领域的关键零件中有很多形状各异的深小孔结构。比如，某型号航空发动机的导向叶片的油道孔、尾缘深孔的深径比超过50比1，船舶工业中甚至还有深径比达500比1的超深小孔。这些深小孔加工难度大、加工工艺复杂，已经成为国内外学者研究的重点领域之一。尤其是在航空发动机的关键零件中微小孔的数量特别多，并且这些关键零件多数都是由钛合金、高温合金等难加工材料制造而成，采用传统的机械切削加工技术难以实现大深径比微小孔的高效高精度加工。
3.一些学者尝试采用特种加工方法进行大深径比微小孔的加工，比如采用激光加工、电火花加工、电解射流加工等，但以上各种工艺均存在一定的局限性。比如，激光加工和电火花加工通过热量去除材料，在加工后的微孔表面通常会有重铸层、热影响区、微裂纹等加工缺陷，对零件的综合性能产生不利的影响。而电化学加工后的表面虽然无重铸层、热影响区、微裂纹等加工缺陷，但随着加工深度的增大，加工产物排出变得困难并且加工也变得不稳定，无法实现大深径比微小孔的加工，此外电化学加工的速度也远低于电火花加工，无法满足大深径比微小孔的高效加工。
4.为了提高特种加工效率，一些学者尝试将激光加工、电火花加工、电解射流加工等多种加工工艺相互复合，进而提高加工效率和质量。但复合工艺对大深径比微小孔的综合加工速度提升不大，这是由于在深孔加工中，加工产物的输运困难，必须预留足够的加工间隙保证加工产物的有效输运，这导致了整体加工效率难以提升。此外，对于变截面的微孔加工通常需要多个加工工艺流程，这也降低了加工效率。
5.如何在大深径比微小孔的加工中快速排出加工产物进而提高加工效率，是航空航天航海等军工领域的关键零件深小孔加工亟待解决的关键问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种干冰冲击辅助全反射激光与射流电解加工变截面孔的工具及方法，通过多个电解加工环形金属带，电解液传导激光束形成环形液导激光，中心中空管干冰颗粒喷射等特征可以实现变截面孔的一次性成型加工。
7.本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
8.一种加工变截面孔的工具，包括中空环形玻璃管、金属层和绝缘涂层；所述中空环形玻璃管外侧壁电铸有金属层，沿轴向方向上，所述金属层外侧壁上除若干环形区域无绝缘涂层外其它区域均涂覆有绝缘涂层。
9.上述方案中，所述环形区域为沿金属层外侧壁圆周方向的金属环形带，环形区域
的轴向位置和高度以变截面孔的加工要求为准。
10.上述方案中，所述中空环形玻璃管包括内部中空圆柱和外部中空圆柱，其中，内部中空圆柱的直径为300～500μm，外部中空圆柱的管壁与内部中空圆柱的管壁之间的距离为200～300μm；外部中空圆柱的管壁厚度和内部中空圆柱的管壁厚度均为100μm。
11.上述方案中，所述中空环形玻璃管材质为石英玻璃。
12.上述方案中，所述金属层外侧壁的端部设置球形结构。
13.加工变截面孔的工具的加工方法，中空环形玻璃管的内外管之间通高速流动的电解液和激光光束，其中，激光光束经内外管壁面的多次全反射到达工件加工区域；
14.从中空环形玻璃管内管喷射干冰微颗粒到加工区域；
15.金属层接电源负极，工件接电源正极。
16.上述方案中，激光加工与干冰微颗粒冲击间隔进行，即在同一时刻内，激光加工和干冰微颗粒冲击只有一个工作。
17.上述方案中，所述高速流动的电解液的流动速度不低于20m/s。
18.上述方案中，所述中空环形玻璃管上方设置有聚集透镜；所述聚焦透镜将激光光束在中空环形玻璃管正上方聚焦。
19.上述方案中，所述电解液为质量分数在10％～20％之间的中性盐溶液。
20.本发明具有如下优点：
21.1.工具电极侧壁多个扩孔和抛光层可以实现变截面孔的一次性加工和抛光，通过设计工具电极扩孔和抛光金属层的位置以及抛光金属层的区域高度可以实现不同结构变截面孔的一次性成型加工。
22.2.本发明方法中通过激光光束分流环形调控加工区平整性，减小由于高速电解液的冲刷和电化学腐蚀而产生的凹凸不平。
23.3.本发明方法中通过干冰微颗粒实现对加工区的快速冷却，并且对加工区产生巨大扰动，促使黏附在加工表面的加工产物的快速排出。
24.4.本发明工具电极端部凸起的球型结构具有多种特殊作用：(1)通过凸起的球型结构保护绝缘涂层免受电解液流体的直接冲击，从而提高了绝缘涂层的耐久性；(2)凸起的球型结构对加工区流体还具有一定的约束作用，有利于维持加工区流体的稳定流动；(3)凸起的球型结构增强了工具电极端部电场强度，有利于提高电解加工效率；(4)凸起的球型结构扩宽了电解液流动的流道，有利于加工后电解液的快速排出。
附图说明
25.图1为本发明实施例涉及到的全反射激光辅助高速射流电解加工微孔示意图；
26.图2为采用本发明工具加工变截面微孔一次性快速成型加工示意图；
27.图3为激光光束全反射辅助电解射流加工示意图；
28.图4为射流电解加工示意图。
29.附图标记如下：1-工件；2-中空玻璃管；3-金属层；4-绝缘涂层；5-干冰微颗粒；6-透镜；7-激光光束；8-电解液；9-加工产物；10-气泡；11-电源。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.干冰冲击辅助全反射激光与射流电解加工变截面孔的工具，加工工具由中空环形玻璃管2、金属层3和绝缘涂层7三层紧密结合而成。三层通过电铸和电泳工艺紧密贴合，可以保证工具电极的形状精度，进而保证微孔的加工精度。
34.中空环形玻璃管2的内管和外管之间有较大的间距(约为200-300微米)，内管中空圆柱的直径约为300-500微米，中空环形玻璃管2的壁厚约为100微米，材质为特种石英玻璃，其折射率显著低于质量分数20％的中性盐溶液，如nacl和nano3溶液。可以保证激光光束穿过电解液后可以在中空环形玻璃管壁面产生全反射。中空环形玻璃管的内部需要接通高速流动的电解液和干冰微颗粒，因此其需要具有足够的壁厚以提高其强度和耐用性。
35.电铸金属层3的材质为钛合金，通过导电胶体作为媒介，利用电铸工艺将金属层制备到中空环形玻璃管2的外侧壁上，其壁厚约为100微米，端部为凸起的球型结构(a和b)，电铸金属层3的顶部连接电源11的负极。端部为凸起的球型结构可以提高工具电极端部的电场强度，进而提高电解加工的效率；端部为凸起的球型结构还可以保护绝缘涂层免受电解液流体的直接冲击，从而提高了绝缘涂层的耐久性。
36.绝缘涂层4厚度为30-50微米，具有电绝缘特性，紧紧的贴敷于电铸金属层3的外侧壁，其分布是间歇式的，即电铸金属层3的外侧壁部分区域无绝缘涂层4。部分区域没有绝缘涂层的位置作为扩孔和抛光区。
37.通过环形激光光束7照射加工区域，调控加工区的平整性，减小由于高速电解液8的冲刷和电化学腐蚀而产生的凹凸不平，以干冰微颗粒5冲击高效冷却降低热影响。
38.加工中通过改变电铸金属层3的扩孔和抛光层(点c、d、e、f)的位置和高度实现变截面微小孔的一次性高效加工。
39.通过从中空环形玻璃管2的内管喷射而出的干冰微颗粒5实现对加工区的快速冷却，并且对加工区产生巨大扰动，促使黏附在加工表面的加工产物9的快速排出。
40.通过电铸金属层3端部凸起的球型结构保护绝缘涂层免受电解液8流体的直接冲击，约束加工区流体，拓宽电解液回流通道，并且增强了工具电极端部的电场强度。
41.加工中通过改变电铸金属层的扩孔和抛光层(点c、d、e、f)的位置和高度实现变截面微小孔的一次性高效加工。通过激光光束7照射加工区域，调控加工区的平整性，减小由于高速电解液的冲刷和电化学腐蚀而产生的凹凸不平。通过从中空环形玻璃管的内管喷射而出的干冰微颗粒实现对加工区的快速冷却，并且对加工区产生巨大扰动，促使黏附在加工表面的加工产物的快速排出。通过电铸金属层端部凸起的球型结构保护绝缘涂层免受电解液流体的直接冲击，约束加工区流体，并且增强了工具电极端部的电场强度。
42.中空环形玻璃管2的内外层之间的环形区域持续接通高速流动(流速超过20m/s)的电解液8，激光光束7在内外层之间穿过电解液8经过中空环形玻璃管2玻璃壁面的多次全反射到达加工区域。高速流动的电解液对加工产物具有冲刷作用，可以快速带走加工热量、加工产物和气泡。
43.激光光束7的照射和干冰微颗粒5的冲击是间隔进行的，即同一时刻内激光光束7与干冰微颗粒5只有一个在起作用，避免干冰微颗粒5的冲击对激光光束7在加工区电解液8中的传导产生不良影响。干冰微颗粒的冲击，可以增大加工区扰动，有助于排出加工产物，但同时也会使得电解液变得浑浊，使得激光光束的传导变得不稳定，因此激光光束的照射和干冰微颗粒的冲击两者同一时刻只能有一个起作用。
44.中空环形玻璃管2中高速流动的电解液8的质量分数为10％至20％的中性盐溶液，如nacl溶液或nano3溶液，电解液8的光折射率显著高于材质为特种石英玻璃的中空环形玻璃管2。从而保证了激光光束能够有效的在中空环形玻璃管壁面产生全反射。
45.结合附图1所示，在开始加工之前，首先接通电解液8，电解液8通过中空环形玻璃管2内流道冲击到工件1表面。调节电解液8流速流量并使其流动逐渐区域稳定时打开激光器并以较弱的功率进行调节激光光束7在中空环形玻璃管2内的全反射传导，调节激光光路、工具电极位置以及工件1位置，直到激光光束7能够稳定的传导和照射到加工区域。将激光器功率和电源11的参数调节到正常加工数值，正式开始加工。加工中工具电极保持静止，工件1沿z方向移动进给。激光光束7照射是间歇式进行的，在间歇期间中空环形玻璃管2中空内腔中接入高速流动的干冰微颗粒5，利用其对加工区产生剧烈冲击和冷却效果，带走加工产物9、热量和气泡10。
46.结合附图2所示，随着加工的不断深入，金属层3外侧壁周向环形区域未涂覆绝缘涂层7，即工具电极外侧壁的扩孔和抛光层(点c、d、e、f)先后开始起作用。微孔的侧壁流道也不断拓宽(从w1到w2、w3、w4)，有利于加工产物9和热量的输运。
47.结合附图3和4所示，在激光束7全反射辅助电解射流加工中激光束7的照射可以减弱由于电解液流体高速冲击和腐蚀造成的微孔底面凹凸不平，最终加工出较为平整的结构，如图3所示。在单纯射流电解加工中由于电解液8流体高速冲击和腐蚀导致正对流体冲击的区域产生明显的凹陷，而周边形成凸起结构，如果工件1进给速度过快，则容易导致工件凸起部位接触工具电极进而导致工具电极的损坏，如图4所示。
48.本发明通过工具电极侧壁多个扩孔和抛光层可以实现变截面孔的一次性加工和抛光，通过设计工具电极扩孔和抛光层的位置以及抛光层的区域高度可以实现不同结构变截面孔的一次性成型加工。通过激光光束分流环形调控加工区平整性，减小由于高速电解
液的冲刷和电化学腐蚀而产生的凹凸不平。利用干冰微颗粒实现对加工区的快速冷却，并且对加工区产生巨大扰动，促使黏附在加工表面的加工产物的快速排出。利用工具电极端部半球形凸出体保护绝缘涂层免受电解液流体的直接冲击，从而提高了绝缘涂层的耐久性，半球形凸出体还增强了工具电极端部电场强度，有利于提高电解加工效率。本发明技术对实现变截面微孔的高效高质量一体化加工具有重要价值。
49.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
50.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。