[发明专利]一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置及加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置及大倾角小孔加工方法，本发明可保证大倾角条件下大深径比小孔加工的质量及效率，适用于航空发动机热端部件气膜冷却孔加工，属于激光材料加工技术领域。

背景技术

目前，激光加工小孔的方法主要有定点冲击加工法和旋转切割加工法，其中，旋转切割辅助吹气加工小孔，以下简称旋切加工小孔，其激光切割路径为圆形，圆弧插补平面垂直于光轴。如图1所示，为现有的激光旋切加工小孔的切割路径投影示意图，即切割路径为圆形，切割路径按箭头所指方向依次为O-a-b-c-d-e-f-O。由于旋切加工小孔具有精度高，孔壁、孔口表面质量好等优点，在航空发动机叶片、燃烧室等热端零件气膜冷却孔加工中广泛使用。该旋切加工小孔方法质量好的一个重要原因是，在旋切加工过程中采用与聚焦激光光束同轴的喷嘴，该喷嘴通常呈圆锥形，喷嘴辅助吹氧气或辅助吹高压氩气或氮气、压缩空气，这样在加工过程中形成的熔化物在一定压力及流速的气流作用下易于从形成的切缝通道中被去除，从而尽可能避免熔化物围绕孔壁和在孔口再次凝固形成再铸层、毛刺等，气体压力大，流速高，去除效果更好，加工质量高。

随着航空发动机的发展，尤其是新型的涡轴发动机回流燃烧室需要加工大倾角小孔，大倾角小孔是指小孔轴线与工件表面法向夹角超过75°甚至达到85°的倾角加工小孔，小孔的深径比最大超过20：1。然而，针对大倾角小孔加工，传统的旋切加工方式将难以实施，这是因为在小倾角小孔加工时，喷嘴可以贴近工件，激光焦点（一般位于喷嘴下方1-3mm）可以调整为位于工件表面或内部，但如果小孔的倾角过大，很显然，由于喷嘴本身加工锥度限制并且需要工件或喷嘴以孔轴为中心作圆弧插补运动，喷嘴难以贴近工件表面，从而导致喷嘴与工件在光轴方向间距过大，这就产生了以下一些技术缺陷：

1、激光焦点位置偏离工件表面，导致与工件作用的激光功率密度及能量密度显著下降；

2、作用于切缝的气体压力及流速会明显降低；

3、由于旋切加工需要喷嘴与工件在与光轴方向垂直的水平面内作圆弧相对移动，倾角过大将导致加工同一小孔时，在圆弧不同位置，喷嘴与工件间距、相应焦点位置差异明显，造成孔壁质量的一致性差。

另外，由于大倾角小孔的深径比较大，例如，1.2mm工件，加工60°倾角小孔，深度仅2.4mm，若倾角为82.5°，小孔深度急剧增加至9.2mm。

因此，采用现有旋切辅助吹气方式加工大倾角小孔将直接导致加工小孔质量、效率的下降，使加工小孔的深度、深径比受到限制。工件愈厚，倾角愈大，这种负面效应愈明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高加工大倾角小孔的质量、效率，增加加工小孔深度的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置的大倾角小孔加工方法，该加工方法能够提高加工大倾角小孔的质量、效率，增加加工小孔深度，从而实现大倾角小孔高效、高质量加工。

为达到上述目的，本发明提出一种激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，用于在工件表面加工大倾角小孔，所述喷嘴装置包括具有中心通道的喷嘴本体，在所述喷嘴本体的前端开设有前端口，在所述前端口处连接能拆装的有圆锥状的前喷嘴，所述前喷嘴具有轴向贯通的通道，所述前喷嘴的通道与所述喷嘴本体的中心通道相连通，在所述前喷嘴的侧壁上沿一斜面加工成形有与所述前喷嘴的通道相连通的斜缺口，所述斜面与所述前喷嘴的中心轴线呈规定的夹角。

如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其中，所述斜缺口所在的斜面与所述前喷嘴的中心轴线的夹角等于所述工件表面与待加工大倾角小孔中心轴线的夹角。

如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其中，所述前喷嘴与所述喷嘴本体卡接或螺纹连接在一起。

如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，其中，所述的斜缺口呈椭圆形。

本发明还提供了一种大倾角小孔加工方法，所述加工方法使用激光加工小孔设备，所述激光加工小孔设备包括有如上所述的激光旋切加工大倾角小孔的喷嘴装置，所述加工方法包括：

将所述喷嘴装置安装在所述激光加工小孔设备的激光聚焦镜前端；

将所述喷嘴装置的前喷嘴贴近工件表面的待加工大倾角小孔处，并使得所述前喷嘴的斜缺口所在的斜面与所述工件表面相吻合；