一种光纤激光与管电极电解复合用光电液耦合装置

1.本发明涉及精密加工技术领域，具体而言，涉及一种光纤激光与管电极电解复合用光电液耦合装置。


背景技术：

2.近年来，辅助式或同步式复合加工技术充分发挥了各自技术的优势，实现了单一加工技术的优势互补，不仅提高了加工效率及质量，也使其加工范围和加工能力有了明显的提升。其中，由激光加工和电解加工复合后形成的激光电解复合加工技术不仅有望能够解决激光加工的热影响，也能够解决电解加工时形成的杂散腐蚀与加工效率低等问题，这是因为一方面其利用电化学反应去除激光加工过程中的热影响区和再铸层等缺陷，另一方面利用激光的高分辨率来抑制电化学反应的杂散腐蚀，提高加工定域性。由于材料表面受到激光和电化学的同时作用，因而激光电解复合加工技术具有高加工质量、高加工效率、高加工定域性、较少的热影响区、较低的钝化层和较高的材料蚀除速率等特点。
3.然而，目前所提出的激光电解加工技术中随着加工深度的增加，在电解液传输及加工时，加工区域容易出现由于电解液射流冲击和淤积导致的液层不稳定与不均匀的问题，严重影响加工效率和加工精度，造成无法加工超大深径比小孔、槽等结构，影响其适用范围。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决上述技术问题中的至少一个方面。
5.为解决上述问题，本发明提出如下技术方案：
6.一种光纤激光与管电极电解复合用光电液耦合装置，包括装置主体，所述装置主体的中间设有用于安装光纤的安装槽，所述装置主体的内部位于所述安装槽的外侧均匀设置有多个电解液流通通道，所述电解液流通通道沿着所述安装槽的周向方向呈螺旋状分布；
7.所述装置主体的内部还设有电解液进液通道、电解液外圈传输通道和电解液内圈传输通道，所述电解液进液通道的一端贯穿至所述装置主体的外侧用于向所述装置主体供给电解溶液，所述电解液外圈传输通道与所述电解液进液通道相连通，所述电解液流通通道用于将所述电解液内圈传输通道与所述电解液外圈传输通道连通。
8.本发明提供的一种光纤激光与管电极电解复合用光电液耦合装置，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：
9.其中，电解液进液通道与外侧供液循环系统相连，向装置主体供给电解溶液，使其作用于加工区域，装置主体通过电解液外圈传输通道与电解液进液通道相连通，形成环形流场；电解液流通通道用于将电解液内圈传输通道与电解液外圈传输通道连通，电解液流通通道沿着安装槽的周向方向呈螺旋状分布，该结构使得电解液经过电解液外圈传输通道进入到电解液流通通道时得到缓冲，进而使得电解液之后流到电解液内圈传输通道中趋于
稳定，有效解决由于电解液从电解液进液通道进入装置主体内时，电解液射流冲击和淤积导致的液层不稳定及不均匀等问题，从而形成均匀的电解液流道。
10.具体地，多个所述电解液流通通道呈顺时针方向螺旋设置或者是逆时针方向螺旋设置，多个所述电解液流通通道的螺旋方向与环流流场的流动方向一致。
11.优选地，所述装置主体包括上端盖和电解液流通腔体，所述电解液流通腔体上端面中间设置有环形凸起，所述上端盖的中间设置有与所述环形凸起相对应的安装凸起，通过所述环形凸起与所述安装凸起的配合，以使所述电解液流通腔体与所述上端盖之间围合形成所述电解液外圈传输通道和所述电解液内圈传输通道；
12.多个所述电解液流通通道均匀设置在所述环形凸起上；所述电解液内圈传输通道设置于所述电解液流通通道的内侧，所述电解液外圈传输通道设置于所述电解液流通通道的外侧。
13.优选地，所述上端盖的下端面和所述电解液流通腔体的上端面均设置了相对应的上环形密封槽，所述上环形密封槽内安装有上端盖密封圈，所述上端盖用于通过上端盖固定螺栓固定于所述电解液流通腔体上。
14.优选地，所述光纤的上端外壁套接有保护包壳，所述安装凸起中间贯穿设置有与所述保护包壳相匹配的嵌套通道，通过所述保护包壳嵌于所述嵌套通道中，以使得所述光纤的上端固定在所述上端盖上。
15.优选地，所述电解液流通腔体的下端设置有下端盖，所述下端盖的上端面和所述电解液流通腔体的下端面均设置了相对应的下密封槽，所述下密封槽内安装有下端盖密封圈，所述下端盖用于通过下端盖固定螺栓连接于所述电解液流通腔体下端。
16.优选地，所述装置主体还包括安装部件和阴极部件，所述安装部件设置于所述电解液流通腔体的中部，所述安装部件用于将所述阴极部件连接在所述电解液流通腔体上。
17.优选地，所述安装部件包括第一安装支架，所述安装槽设置于所述所述电解液流通腔体的上端面中部，所述第一安装支架通过所述安装槽嵌于所述电解液流通腔体上，所述第一安装支架的中间贯穿设有与所述光纤相匹配的第一通孔，所述第一安装支架中位于所述第一通孔的外侧均匀设置有与所述电解液内圈传输通道相连通的第一传输通道；
18.所述电解液流通腔体的内部与所述第一通孔同轴设置有中空状的圆锥体通道和中空状的圆柱体通道，所述圆锥体通道用于将所述第一通孔与所述圆柱体通道相连通。
19.优选地，所述安装部件还包括安装于所述电解液流通腔体下端面的第二安装支架，所述第二安装支架的中间设置有安装孔，所述安装孔内安装有传输柱，所述传输柱的中间贯穿设置有与所述光纤相匹配的第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔同轴；所述传输柱上位于所述第二通孔外侧的位置贯穿设置有多个间隔分布的孔状的第二传输通道，所述第二传输通道与所述圆柱体通道相连通；
20.所述第二安装支架安装在所述下密封槽内，所述第二安装支架用于通过第二安装支架固定螺栓与所述下端盖相连接且固定于所述下密封槽内。
21.优选地，所述阴极部件包括所述光纤、金属管电极和连接支架，所述光纤包括透光基体和涂覆于所述透光基体外壁的反射层；所述金属管电极的外壁涂覆有绝缘层，所述金属管电极套接在所述光纤的外侧，所述连接支架用于连接所述金属管电极与所述光纤；所述第二安装支架的下端套接于所述金属管电极的上端。
22.优选地，所述光纤的上端的导光入口中心处为经光学镜片聚焦后的激光入口，所述光纤的下端为光纤导光出口端，所述光纤导光出口端设置有光纤微透镜；
23.所述光纤微透镜为平面形，或者所述光纤微透镜的截面形状为锥形或者半球形或者抛物线形。
附图说明
24.图1为本发明的整体分解结构示意图；
25.图2为本发明的电解液流通腔体结构示意图；
26.图3为本发明的第一安装支架结构示意图；
27.图4为本发明的整体剖面结构示意图；
28.图5为本发明的图4中a处局部放大示意图；
29.图6为本发明的第二安装支架结构示意图；
30.图7为本发明的阴极部件剖面结构示意图；
31.图8为本发明的电解液传输方向和激光传输方向示意图；
32.图9为本发明的光纤微透镜结构示意图。
33.附图标记说明：
34.1上端盖；11电解液进液通道；12安装凸起；13嵌套通道；14上环形密封槽；15上端盖固定螺栓；16上端盖密封圈；2电解液流通腔体；21电解液内圈传输通道；22环形凸起；23电解液流通通道；24圆锥体通道；25圆柱体通道；26电解液外圈传输通道；3第一安装支架；31第一通孔；32第一传输通道；4第二安装支架；41安装孔；42第二通孔；43传输柱；44第二传输通道；5阴极部件；51光纤；52金属管电极；53连接支架；54保护包壳；55光纤导光出口端；56光纤微透镜；57第三传输通道；58激光传输通道；6下端盖；61下密封槽；62下端盖密封圈；63下端盖固定螺栓；64第二安装支架固定螺栓；a电解液传输方向；b激光传输方向。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不能用来限制本技术的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。
37.需要说明的是，本文提供的坐标系xyz中(如图1所示)，x轴正向代表右方，x轴的反向代表左方，y轴的正向代表后方，y轴的反向代表前方，z轴的正向代表上方，z轴的反向代表下方；z轴、x轴、y轴表示含义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。
38.参阅图1-图9，本发明提供的一种光纤激光与管电极电解复合用光电液耦合装置，包括装置主体，所述装置主体的中间设有用于安装光纤51的安装槽，所述装置主体的内部位于所述安装槽的外侧均匀设置有多个电解液流通通道23，所述电解液流通通道23沿着所
述安装槽的周向方向呈螺旋状分布；
39.参阅图1、图2和图4，所述装置主体的内部还设有电解液进液通道11、电解液外圈传输通道26和电解液内圈传输通道21，所述电解液进液通道11的一端贯穿至所述装置主体的外侧用于向所述装置主体供给电解溶液，所述电解液外圈传输通道26与所述电解液进液通道11相连通，所述电解液流通通道23用于将所述电解液内圈传输通道21与所述电解液外圈传输通道26连通。
40.在本实施例中，所述电解液进液通道与外侧供液循环系统相连，向所述装置主体供给电解溶液，使其作用于加工区域，所述装置主体通过所述电解液外圈传输通道与所述电解液进液通道相连通，形成环形流场；所述电解液流通通道23用于将所述电解液内圈传输通道21与所述电解液外圈传输通道26连通，所述电解液流通通道23沿着所述安装槽的周向方向呈螺旋状分布，该结构使得电解液经过所述电解液外圈传输通道26进入到所述电解液流通通道23时得到缓冲，进而使得电解液之后流到所述电解液内圈传输通道21中趋于稳定，有效解决由于电解液从所述电解液进液通道11进入所述装置主体内时，电解液射流冲击和淤积导致的液层不稳定及不均匀等问题，从而形成均匀的电解液流道。
41.具体地，多个所述电解液流通通道23呈顺时针方向螺旋设置或者是逆时针方向螺旋设置，多个所述电解液流通通道23的螺旋方向与环流流场的流动方向一致。
42.参阅图1、图2和图4，优选地，所述装置主体包括上端盖1和电解液流通腔体2，所述电解液流通腔体2上端面中间设置有环形凸起22，所述上端盖1的中间设置有与所述环形凸起22相对应的安装凸起12，通过所述环形凸起22与所述安装凸起12的配合，以使所述电解液流通腔体2与所述上端盖1之间围合形成所述电解液外圈传输通道26和所述电解液内圈传输通道21；
43.多个所述电解液流通通道23均匀设置在所述环形凸起22上；所述电解液内圈传输通道21设置于所述电解液流通通道23的内侧，所述电解液外圈传输通道26设置于所述电解液流通通道23的外侧。
44.具体地，所述上端盖1位于所述安装凸起12外侧的内顶面与所述电解液流通腔体2位于所述环形凸起22外侧的上端面之间围合组成所述电解液外圈传输通道26，所述安装凸起12的下端面与所述环形凸起22的中间内底面之间围合组成所述电解液内圈传输通道21。
45.在本实施例中，所述上端盖1和所述电解液流通腔体2的设置使得所述装置主体便于拆卸，并且便于由外朝内依次设置所述电解液外圈传输通道26、所述电解液流通通道23和所述电解液内圈传输通道21，所述所述电解液流通通道23设置于所述环形凸起22上，使得电解液能够及时从所述电解液流通通道23流到所述电解液内圈传输通道21内，避免发生淤积问题，且所述电解液内圈传输通道21的位置低于所述电解液流通通道23的位置，有利于使得电解液从所述电解液流通通道23流到所述电解液内圈传输通道21中趋于稳定。
46.参阅图4，优选地，所述上端盖1的下端面和所述电解液流通腔体2的上端面均设置了相对应的上环形密封槽14，所述上环形密封槽14内安装有上端盖密封圈16，所述上端盖1用于通过上端盖固定螺栓15固定于所述电解液流通腔体2上。
47.在本实施例中，所述上环形密封槽14、所述上端盖密封圈16和所述上端盖固定螺栓15的设置有利于加强所述上端盖1与所述电解液流通腔体2之间的连接密封性。
48.参阅图4，优选地，所述光纤51的上端外壁套接有保护包壳54，所述安装凸起12中
间贯穿设置有与所述保护包壳54相匹配的嵌套通道13，通过所述保护包壳54嵌于所述嵌套通道13中，以使得所述光纤51的上端固定在所述上端盖1上。
49.具体地，所述保护包壳54材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚丙烯、聚酰亚胺或金属中的任意一种。
50.在本实施例中，所述保护包壳54嵌套于所述光纤51上端的外壁，并嵌套于位于所述上端盖1的所述嵌套通道13内部，对所述光纤51有固定作用，同时也保证了所述光纤51的高质量传输与电解液传输通道的良好密封性。
51.参阅图4，优选地，所述电解液流通腔体2的下端设置有下端盖6，所述下端盖6的上端面和所述电解液流通腔体2的下端面均设置了相对应的下密封槽61，所述下密封槽61内安装有下端盖密封圈62，所述下端盖6用于通过下端盖固定螺栓63连接于所述电解液流通腔体2下端。
52.在本实施例中，所述下密封槽61、所述下端盖密封圈62和所述下端盖固定螺栓63的设置有利于加强所述下端盖6与所述电解液流通腔体2之间的连接密封性。
53.参阅图1，优选地，所述装置主体还包括安装部件和阴极部件5，所述安装部件设置于所述电解液流通腔体2的中部，所述安装部件用于将所述阴极部件连接在所述电解液流通腔体2上。
54.在本实施例中，所述安装部件被用于固定光纤51和电解液的传输，防止电解液射流冲击对光纤激光传输造成的影响；所述安装部件用于将所述阴极部件连接在所述电解液流通腔体2上，从而使得装置主体形成具有良好密封性的导液导光导电的光电液耦合装置；所述阴极部件5的设置有利于避免作用于工件的激光能量大大减弱，提高光电液复合用加工精度。
55.参阅图3-图5，优选地，所述安装部件包括第一安装支架3，所述安装槽设置于所述所述电解液流通腔体2的上端面中部，所述第一安装支架3通过所述安装槽嵌于所述电解液流通腔体2上，所述第一安装支架3的中间贯穿设有与所述光纤51相匹配的第一通孔31，所述第一安装支架3中位于所述第一通孔31的外侧均匀设置有与所述电解液内圈传输通道21相连通的第一传输通道32；
56.所述电解液流通腔体2的内部与所述第一通孔31同轴设置有中空状的圆锥体通道24和中空状的圆柱体通道25，所述圆锥体通道24用于将所述第一通孔31与所述圆柱体通道25相连通。
57.具体地，所述第一安装支架3用于通过光纤支架固定螺栓将所述第一安装支架3固定在所述电解液流通腔体2上，固定后的所述第一安装支架3的上表面与所述环形凸起22的内底面位于同一水平面；所述圆锥体通道24、所述圆柱体通道25和所述第一安装支架3同轴设置。
58.在本实施例中，所述第一安装支架3的所述第一通孔31供所述光纤51穿过，所述第一传输通道32的上端与所述电解液内圈传输通道21相连通，所述电解液内圈传输通道21内的电解液通过所述第一传输通道32流经圆锥体通道24和圆柱体通道25，所述第一传输通道32用于传输电解液，所述第一安装支架3整体被用于固定光纤51和电解液传输，防止电解液射流冲击对光纤激光传输造成的影响；所述圆锥体通道24和所述圆柱体通道25有利于优化电解液传输的均匀性和稳定性。
59.参阅图4-图6，优选地，所述安装部件还包括安装于所述电解液流通腔体2下端面的第二安装支架4，所述第二安装支架4的中间设置有安装孔41，所述安装孔41内安装有传输柱43，所述传输柱43的中间贯穿设置有与所述光纤51相匹配的第二通孔42，所述第二通孔42与所述第一通孔31同轴；所述传输柱43上位于所述第二通孔42外侧的位置贯穿设置有多个间隔分布的孔状的第二传输通道44，所述第二传输通道44与所述圆柱体通道25相连通。
60.在本实施例中，所述光纤51穿过所述第一通孔31、所述圆锥状通道、所述圆柱状通道以及所述第二通孔42，所述传输柱43上的所述第二传输通道44与所述圆柱体通道25相连通，位于所述圆柱体通道25内的电解液通过所述第二传输通道44流向所述阴极部件5，所述第二安装支架4整体被用于固定光纤51和电解液传输，从而使得装置主体形成具有良好密封性的导液导光导电的光电液耦合装置；其中，所述传输柱43和所述第二传输通道44的设置对电解液传输具有缓冲作用，防止电解液射流冲击对光纤激光传输造成的影响。
61.参阅图4，所述第二安装支架4安装在所述下密封槽61内，所述第二安装支架4用于通过第二安装支架固定螺栓64与所述下端盖6相连接且固定于所述下密封槽61内。
62.在本实施例中，所述第二安装支架4用于通过第二安装支架固定螺栓64与所述下端盖6相连接且固定于所述下密封槽61内，该结构有效防止电解液射流以及光纤激光传输时第二安装支架4发生晃动，有利于加强所述第二安装支架4安装在所述电解液流通腔体2上的稳定性。
63.参阅图7，优选地，所述阴极部件5包括所述光纤51、金属管电极52和连接支架53，所述光纤51包括透光基体和涂覆于所述透光基体外壁的反射层；所述金属管电极52的外壁涂覆有绝缘层，所述金属管电极52套接在所述光纤51的外侧，所述连接支架53用于连接所述金属管电极52与所述光纤51；所述第二安装支架4的下端套接于所述金属管电极52的上端。
64.具体地，所述连接支架53用于设置于所述金属管电极52的内壁与所述光纤51的外壁之间，且所述连接支架53沿着所述光纤51的周向方向设置有多个，所述连接支架53使得所述光纤51固定在所述金属管电极52的内侧，则所述金属管电极52的内壁与所述光纤51的外壁之间围合组成第三传输通道57，所述光纤51的内部为激光传输通道58；
65.所述光纤51直径为100μm～1200μm，高度不小于30mm，所述光纤51的透光基体材料为石英玻璃，所述透光基体外壁反射层材料为金、银、铜、铝或者掺杂的二氧化硅中的任意一种，所述透光基体内侧为所述光纤51传输通道；
66.所述金属管电极52的直径为400μm～1500μm，高度为不小于20mm；所述金属管电极52的材料可为不锈钢、铜和钛等中的任意一种，所述金属管电极52外壁的绝缘层材料为陶瓷；
67.所述光纤51、所述金属管电极52、所述电解液流通腔体2、所述上端盖1、所述下端盖6、所述第一安装支架3以及所述第二安装支架4均同轴设置。
68.所述下端盖6下设置有导电装置，所述下端盖6设置有用于连接所述金属管电极52与电源的专用导电通道；所述金属管电极52作为阴极，通过导电装置在专用导电通道与脉冲电源相连；
69.所述金属管电极52距其上端面0.5～1mm范围内的金属管电极52本体部分未做绝
缘处理，将所述导电连接装置直接嵌套于所述金属管电极52上，并通过所述下端盖6上设置的导电连接孔将其与电源负极相连，形成阴极工具。
70.参阅图8，在本实施例中，从所述安装部件传输出的电解液和光纤激光分别沿着第三传输通道57和激光传输通道58，以电解液传输方向a与激光传输方向b作用于工件，在激光与电化学的复合能场下复合同步加工工件材料，从而使材料被高效高质的蚀除；其中，所述金属管电极52涂覆所述绝缘层，有效解决所述金属管电极52表面被腐蚀的问题，可提高光电液复合用加工精度。
71.参阅图9，优选地，所述光纤51的上端的导光入口中心处为经光学镜片聚焦后的激光入口，所述光纤51的下端为光纤导光出口端55，所述光纤导光出口端55设置有光纤微透镜56；
72.所述光纤微透镜56为平面形，或者所述光纤微透镜56的截面形状为锥形或者半球形或者抛物线形。
73.具体地，可通过采用加热熔融法、液滴固化法、研磨抛光以及激光加工的方法制备出特定具有特定角度的锥形光纤微透镜56。
74.在本实施例中，光纤激光经聚焦并传输至所述光纤51内部的激光传输通道58，在平面形光纤微透镜56导出并直接作用于工件表面，对材料进行蚀除；光纤导光出口端55的光纤微透镜56为锥形时，光纤激光聚焦于一点，形成中心光斑，从而作用于工件表面；光纤导光出口端55的光纤微透镜56为半球形或者抛物线形时，光纤激光同样可聚焦于一点，但由于曲率的不同，其聚焦位置也存在差异。
75.本发明中的光纤激光与管电极同步复合加工材料用光电液耦合装置，通过采用装置主体，将光纤激光加工与管电极电解加工进行复合形成光电复合能场加工工艺，即以由光纤51传输激光和管电极传输电解液形成的光纤管电极复合工具作为阴极，工件作为阳极，利用光电复合能场同时去除工件材料；同时，本发明专利提供的光电液耦合装置以及光纤微透镜56，能够有效提高激光强度，实现光纤51与管电极电解复合加工的高效稳定耦合。
76.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。