内嵌同轴光纤工具电极、激光与电解复合加工系统及方法

技术领域

本发明涉及一种工具电极，特别涉及一种内嵌同轴光纤工具电极、激光与电解复合加工系统及方法，属于激光与电解复合加工技术领域。

背景技术

航空航天、能源、电子器件等高端现代产品领域日益朝着轻量化、高功率、能量密度方向发展。为满足其使役性能，通常使用钛合金、高温合金等难加工材料制备，并对其表面质量与完整性提出了较高要求。切削加工利用刀具与待加工工件之间的剪切力对工件材料进行减材去除，具有较高的加工精度，然而其刀具损耗严重且存在残余应力与飞边毛刺等问题需进一步克服。电火花加工与激光加工分别利用脉冲性火花放电与高强度激光束的热效应使材料局部、瞬时、可控的高效去除，加工效率高、可加工材料/结构范围广，然而其加工过程中易产生再铸层、微裂纹等加工缺陷。电解加工利用电化学阳极溶解原理对工件材料进行定域性蚀除，不受材料的强度、硬度限制，加工过程中无应力及热效益的影响、具有较高的表面完整性，然而其局部精密加工效率相对较低。

为解决难加工材料的高效率、高表面完整性加工难题，专利申请人前期分别提出了公开号为“CN107962263A”的激光与管电极电解复合加工技术、公开号为“CN116079165A”的光纤激光与电解复合加工技术，综合了激光加工的高加工效率与电解加工的高表面质量等优势，已成功实现难加工材料的深小孔、深窄槽结构的精密高效复合加工。

然而，同轴外喷液电解液的供液模式中，其电解液流量及流速相对较低，限制了其极限加工能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种内嵌同轴光纤工具电极、激光与电解复合加工系统及方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一个方面提供了一种内嵌同轴光纤工具电极，包括：工具电极本体，其内部设有电解液分配腔，所述电解液分配腔与设置在工具电极本体上的电解液入口连通，所述电解液分配腔的直径沿远离工具电极本体顶端的方向减小，且所述电解液分配腔的底壁开设有出液口，所述出液口位于工具电极本体的底端，并至少用于向工件的待加工区输送电解液射流；

裸光纤，其激光输出端穿入工具电极本体内部，并与出液口同轴设置，且与出液口在轴向上形成有大小可调的出液间隙，所述出液间隙大于0，所述出液间隙至少用于将激光传导至所述工件的待加工区。

在一实施方式中，所述电解液分配腔具有沿远离所述工具电极本体的方向依次设置的第一分配腔室和第二分配腔室，所述第一分配腔室具有倒锥形结构，所述出液口开设在所述第二分配腔室的底端。

在一实施方式中，所述倒锥形结构的锥度为30°～80°。

在一实施方式中，所述裸光纤的激光输出端设置在所述电解液分配腔内部。

在一实施方式中，所述电解液分配腔、出液口及裸光纤均同轴设置。

在一实施方式中，所述出液间隙为0.5～5.0mm。

在一实施方式中，所述工具电极本体的外壁上覆设有绝缘层。

在一实施方式中，所述出液口用于向工件的待加工区的中心区域喷射电解液射流。

在一实施方式中，所述工具电极还包括夹具，所述夹具与工具电极本体连接，并用于固定裸光纤。

在一实施方式中，所述裸光纤的激光输出端为活动端，所述活动端可在工具电极本体的轴向和与所述轴向交叉的方向上移动。

本发明另一个方面还提供一种激光与电解复合加工系统，包括所述的内嵌同轴光纤工具电极。

在一实施方式中，所述激光与电解复合加工系统还包括激光光源，其用于向裸光纤提供激光。

在一实施方式中，所述激光与电解复合加工系统还包括电解液供给装置，其与电解液分配腔连通，并用于向电解液分配腔提供电解液。

在一实施方式中，所述激光与电解复合加工系统还包括电源，其用于与所述工具电极、电解液及工件电连接形成电解工作电路。

在一实施方式中，所述激光与电解复合加工系统还包括运动机构，用于驱使所述工具电极与工件沿设定轨迹相对运动。

在一实施方式中，所述激光与电解复合加工系统还包括激光特性调节机构，设置在裸光纤的尾端或者设置在裸光纤的尾端与工件之间，至少用于调整从裸光纤尾端输出的激光光束在工件的加工区的激光能量密度分布特性。

在一实施方式中，所述运动机构包括第一精密运动装置，用于驱使所述工具电极与工件沿所述工具电极的轴向相对运动，从而调节形成在所述工具电极与工件的待加工区之间的加工间隙的大小。

在一实施方式中，所述运动机构包括第二精密运动装置，用于驱使所述工具电极与工件沿一平面相对运动，所述平面垂直于所述工具电极的轴线。

在一实施方式中，所述电解液供给装置包括电解液储槽和供液管路，所述供液管路用于将电解液储槽与电解液分配腔连通，所述供液管路上设置有过滤器、稳压器、单向阀、节流阀、压力表及流量计中的任一者或多者。

在一实施方式中，所述激光与电解复合加工系统还包括用于容纳所述工件的容置装置。

本发明的再一个方面提供一种激光与电解复合加工方法，包括以下步骤：

提供所述的激光与电解复合加工系统；

将内嵌同轴光纤工具电极、工件分别与电源的负极、正极电连接，并使内嵌同轴光纤工具电极的底端与工件的待加工区之间留有加工间隙，同时使激光从裸光纤的激光输出端向工件的待加工区传导，且自出液口向工件的待加工区输送电解液射流，从而对工件进行激光与电解复合加工。

在一实施方式中，所述的激光与电解复合加工方法具体包括：

依据对所述工件的加工需求，调整裸光纤的激光输出端与所述出液口之间的出液间隙，从而将出液间隙的大小控制在设定范围内。

在一实施方式中，依据对所述工件的加工需求，调整所述加工间隙的大小。

在一实施方式中，在开始进行所述的激光与电解复合加工时，所述加工间隙为0.2mm～1.0mm。

在一实施方式中，在进行所述的激光与电解复合加工时，依据对所述工件的加工需求，使裸光纤的激光输出端沿设定轨迹移动。

在一实施方式中，所述电解包括中性盐溶液、酸性溶液或碱性溶液。

在一实施方式中，所述电解液的初始温度为室温。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明提供的一种内嵌同轴光纤工具电极中，裸光纤的激光输出端与所述电解液分配腔室的出液口之间形成有大小可调的出液间隙，电解液可以通过出液间隙高速地流向加工区，使电解液与激光同时作用于加工区，实现光纤激光在加工区的同步耦合。

2)本发明提供的一种内嵌同轴光纤工具电极中，将裸光纤同轴内嵌于金属工具电极内部，电解液从工具电极的出液间隙高速喷射而出，电解液射流和激光同时作用于加工区，实现光纤激光在加工区的同步耦合；并且喷射的电解液可以及时冲刷待加工区，及时带走加工区的电解加工产物、热量、微气泡及等离子体等，保持工具电极的端面的加工间隙内电解液的清洁，快速更新电解液，使加工间隙内的材料在激光和电解复合加工作用下被高效去除。

3)本发明提供的一种激光与电解复合加工系统通过设置第一精密运动装置和第二精密运动装置，实现工具电极和容置装置的灵活运动，工具电极与工件可以进行相对进给，不断实现高深径比/深宽比的深小孔、深窄槽结构的高效、精密复合加工。

附图说明

图1为本发明提供的一种内嵌同轴光纤工具电极的结构示意图；

图2为本发明提供的一种激光与电解复合加工系统的结构示意图；

附图标记说明：2、激光光源；3、裸光纤；4、夹具；5、工具电极本体；6、电解液入口；7、电源；8、绝缘层；9、第一分配腔室；10、出液口；11、工件；12、单向阀；13、稳压器；14、过滤器；15、压力泵；16、安全阀；17、电解液储槽；18、节流阀；19、废液收集装置；20、第一精密运动装置；21、容置装置；22、第二精密运动装置；23、流量计；24、压力表。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

实施例1

请参阅图1，为本实施例中提供的一种内嵌同轴光纤工具电极包括工具电极本体5，其内部设有电解液分配腔，所述电解液分配腔与设置在工具电极本体5上的电解液入口6连通，所述电解液分配腔的直径沿远离工具电极本体5顶端的方向减小，且所述电解液分配腔的底壁开设有出液口10，所述出液口10位于工具电极本体5的底端，并至少用于向工件的待加工区输送电解液射流；裸光纤3，其激光输出端穿入工具电极本体5内部，并与出液口10同轴设置，且与出液口10在轴向上形成有大小可调的出液间隙，所述出液间隙大于0，所述出液间隙至少用于将激光传导至所述工件的待加工区。

在本申请的一较佳的实施方式中，一种内嵌同轴光纤工具电极还包括夹具4，所述裸光纤3设置在所述夹具4内，用于将光同步传导至空间的待加工区；所述工具电极本体5具有一电解液分配腔室以及与所述电解液分配腔室连通的出液口10，所述电解液分配腔室用于向所述待加工区提供电解液。所述裸光纤3的激光输出端设置在所述电解液分配腔室中，且所述裸光纤3的激光输出端与所述电解液分配腔室的出液口10之间形成有大小可调的出液间隙，以使所述电解液裸光纤3与所述电解液分配腔室夹合形成的电解液通道向所述待加工区提供电解液。

所述裸光纤3包括纤芯和包层结构，以保证激光的内全反射，所述裸光纤3可以通过所述夹具4同轴安装于所述工具电极本体5的内部，所述工具电极本体5为金属工具电极本体5。使所述裸光纤3的激光输出端回退，而与所述电解液分配腔室的出液口10之间形成出液间隙，请参阅图1，出液间隙δ为0.5mm～5.0mm。所述出液间隙可以理解为是所述裸光纤3的激光输出端与所述出液口10之间的距离，且该距离是沿着所述工具电极本体5的轴线方向形成的。所述出液间隙可以使裸光纤3的激光输出端与工件11之间形成一定的距离，避免激光加工时产生的等离子体对激光输出端的烧蚀破坏。优选的，所述出液间隙δ为0.5mm。

采用内喷液的空心金属的工具电极可实现电解液的同轴、高深度可达性、足量供给，电解液可同步、稳定供液至大深度复合加工区。高速流动的电解液从工具电极的出液口流出，可快速排出加工区产生的激光加工和电解加工产物，如等离子体、微气泡、溶解金属离子等，保持激光加工和电解加工的加工效率和复合加工作用。

并且，采用内嵌于空心工具电极的裸光纤实现激光光路传输，激光光路传输方便快捷、柔性高，可避免加工系统精度对激光与电解耦合精度及稳定性的影响，由于激光在电解液中的传输路径较短，可采用高功率密度的激光进行同步复合加工，进一步提高复合加工的极限加工效率。

在一较佳的实施方式中，所述电解液分配腔室包括第一分配腔室9，所述第一分配腔室9与所述出液口10连通，所述第一分配腔室9于第一方向上的尺寸沿第二方向逐渐减小，所述第一方向为所述第一分配腔室9的径向尺寸，所述第二方向为平行于所述电解液通道的轴向且逐渐靠近所述出液口10的方向。

易于理解的，所述第一分配腔室9由平面和/或弧形面围合形成的，所述第一分配腔室9于第一方向上的尺寸沿第二方向逐渐减小，而所述工具电极本体5可以呈规则的柱状，使得所述工具电极靠近工件11一侧端部面积更大，所述电解液通道环绕所述裸光纤3的激光输出端设置，使从电解液通道中喷射出的电解液呈角度喷射至所述待加工区的中心区域，电解液在所述第一分配腔室9中可以沿着倒锥形的坡面高流速地冲向工件11加工区的中心位置，所述第一分配腔室9用于将所述电解液喷射至所述裸光纤3的激光输出端，以冲刷出去所述激光输出端的至少部分激光加工和/或电解加工产物，通过所述裸光纤3出射的激光将激光加工过程中产生的等离子体、熔渣、微气泡等产物排出加工区，采用此种设置可以增强电解液对加工区的冲刷作用。

易于理解的，电解液可以通过与所述裸光纤3同轴设置的出液口10喷向加工间隙，实现大深度加工区电解液的足量供给，激光能够通过裸光纤3传导至工件11的待加工区表面。优选的，可以将所述工具电极本体、电解液分配腔、的出液口10及裸光纤均同轴设置。

将裸光纤内嵌于金属工具电极内部，电解液从工具电极的出液间隙高速喷射而出，电解液射流和激光同时作用于加工区，实现光纤激光在加工区的同步耦合；并且喷射的电解液可以及时冲刷待加工区，及时带走加工区的电解加工产物、热量、微气泡及等离子体等，保持工具电极的端面的加工间隙内电解液的清洁，快速更新电解液，使加工间隙内的材料在激光和电解复合加工作用下被高效去除。

在背离加工区中心位置的材料可以通过电解加工进行驱使，以保证工件加工区表面的完整性。

如图1所示，将所述第一分配腔室9设置呈倒锥形结构，由于其具有一定的锥度，能够使电解液更加集中地对加工区的中心进行冲刷，具体的，所述倒锥形的第一分配腔室9的锥度为30°～80°。更具体的，采用所述的倒锥形结构，一方面可以增强喷射压力，获得更好冲刷效果，另一方面可以减少甚至消除从加工区域反流的液流所携带的废渣等进入工具电极内的风险。优选的，所述倒锥形结构的端口即为所述出液口10，所述出液口的径向尺寸为0.2mm～2mm。

并且，由于所述裸光纤3的激光输出端与所述工具电极本体5的出液口10之间设置有出液间隙，能够保证电解液可以直接冲刷在加工区的中心位置，并防止激光等离子体直接作用在激光输出端，起到保护裸光纤3的作用。所述电解液在出射的过程中还可以在所述裸光纤3的侧面对所述裸光纤3的激光输出端进行冲刷清洗以及冷却。

在一较佳的实施方式中，所述电解液分配腔室还包括第二分配腔室，所述第二分配腔室与所述第一分配腔室9连通，且第一分配腔室9和第二分配腔室沿远离所述工具电极本体5的方向依次设置，所述第一分配腔室9具有倒锥形结构，所述出液口10开设在所述第二分配腔室的底端，所述第二分配腔室沿第二方向具有均匀尺寸的腔室内径，电解液入口6设置在所述第二分配腔室中，电解液通过第二分配腔室进入第一分配腔室9，以保证所述出液口10出射的电解液更加均匀且足量。

在一较佳的实施方式中，所述夹具4、所述电解液通道以及裸光纤3同轴设置，所述夹具4将所述裸光纤3进行夹持并置于所述电解液分配腔室中，且所述裸光纤3的激光输出端位于所述电解液通道的轴线上，所述电解液能够通过电解液通道在裸光纤3的周侧均匀的喷射。

并且在所述夹具4的外壁可以利用静电喷涂或者化学气相沉积技术涂覆绝缘层8，以保证电解加工的精度，减小侧面杂散电流腐蚀影响加工精度具所述裸光纤3能够与所述夹具4同步运动。

更具体的，所述工具电极的底端与所述待加工区相对设置，且所述工具电极的底端与所述待加工区之间形成有大小可调的加工间隙Δ，加工间隙Δ为0.2mm～1mm。所述加工间隙可以理解为是在加工之前将所述工具电极的底端与所述待加工区之间成相应的距离进行放置，二者之间保持一定的加工间隙，可以避免在加工过程中发生短路，同时在加工过程中电解液也可以从加工间隙中流出，保证电解加工的正常进行，在所述激光输出端与所述工件11的待加工区之间保持一定的加工间隙，当电解液流过加工间隙的时候，可以及时地带走加工产物、微气泡等，保持激光能够高效地传导至待加工区。

本申请中的电解液可以为中性盐溶液、酸性溶液、碱性溶解中的任意一种，或者也可以是混合溶液，在使用本申请提供的内嵌同轴光纤工具电极时，其通入的电解液的初始温度为室温，即，18℃～25℃。

实施例2

请参阅图2，为本实施例中提供的一种激光与电解复合加工系统，包括如实施例1中的所述工具电极，还包括激光光源2、电解液储槽17以及供液管路，所述激光光源2用于向所述工具电极提供加工所需的激光，所述供液管路与所述电解液储槽17、工具电极本体5连接，用于使所述电解液储槽17通过所述供液管路向所述工具电极本体5提供电解液。

在使用本申请提供的一种激光与电解复合加工系统时，所述工具电极、工件11分别用于与电源7的负极、正极电连接，将所述工具电极与一第一精密运动装置20连接，所述第一精密运动装置20可以驱使所述工具电极沿设定轨迹运动，具体的，用于驱使所述工具电极与工件沿所述工具电极的轴向相对运动，从而调节形成在所述工具电极与工件11的待加工区之间的加工间隙的大小。第一精密运动衔持工具电极与工件进行相对进给，不断实现高深径比/深宽比的深小孔、深窄槽结构的高效、精密复合加工。

当然本系统还可以包括容置装置21，所述容置装置21用于容置所述工件11以及激光与电解复合加工时溢出于工件11的电解液，所述容置装置21可以与一第二精密运动装置22连接，第二精密运动装置22用于驱使所述工具电极与工件11沿一平面相对运动，所述平面垂直于所述工具电极的轴线。

本申请提供的一种激光与电解复合加工系统通过设置第一精密运动装置20和第二精密运动装置22，实现工具电极和容置装置21的灵活运动。

如图2所示，可以将所述第一精密运动装置20与所述工具电极连接，在一些较为简单的激光与电解复合加工中，所述第一精密运动可以衔持所述工具电极沿着Z轴方向运动，如图1中所示Z轴方向指的是竖直方向的，所述第一精密运动装置20可以衔持工具电极使其进行进给工作，可以将所述第二精密运动装置22与所述容置装置21进行装配，所述第二精密运动装置22可以驱使所述容置装置21沿着Y轴方向以及X轴方向运动，所述X轴和Y轴指的是水平面上的相互垂直的两个方向，所述第二精密运动装置22可以实现所述容置装置21在水平面上的移动，当然，所述第二精密运动装置22还可以衔持工具电极，并实现工具电极沿着Y轴方向以及X轴方向运动。

配合所述第一精密运动装置20，可以在激光与电解复合加工中对工件11的待加工区进行逐步加工。当然，在本实施例中是使第一精密运动装置20和第二精密运动装置22分别衔持工具电极、容置装置21沿着X轴、Y轴、Z轴方向进行运动的，而在进行其他工件11加工时，其他的运动方向同样可以通过第一精密运动装置20和第二精密运动装置22实现。

更具体的，在另一较佳的实施方式中，所述供液管路上沿着供液方向，也就是电解液储槽17向所述工具电极供液的方向依次连接有压力泵15、过滤器14、稳压器13、单向阀12以及节流阀18，所述压力泵15用于驱使所述电解液储槽17中的电解液流向工具电极，所述过滤器14可以对流经的电解液进行筛滤，除去电解液中的杂质，所述稳压器13用于稳定所述供液管路中电解液的供液压力，在所述单向阀12的作用下，使供液管路中的电解液只能沿着单向的、指定供液方向进行供液，可以通过调整所述节流阀18限制或者调整所述供液管路中电解液的流量。

为便于进行操作调整，还可以在所述供液管路上设置压力表24和流量计23，以便于监测和显示供液管路中电解液的供液压力以及电解液的流量。

需要说明的是，所述压力泵15、过滤器14、稳压器13、单向阀12、节流阀18、压力表24和流量计23的设置均是可选的，是为了实现更好的控制或是便于检测，在一些系统中也可以选择性的设置或者不设置。

更具体的，为了在紧急情况下对系统进行调整，所述系统还包括保护支路，所述保护支路与所述供液管路连通在所述保护支路上设置有安全阀16，防止供液管路中的压力过大，对系统造成伤害。当管路中压力大于安全阀16的设定压力阈值时，安全阀16会打开，并通过保护支路泄压。

在进行激光与电解复合加工过程中，所述容置装置21需要始终承载着工件11以及加工形成的电解液，而伴随着加工形成的电解液的增多，则需要及时的将其排出，因此本申请中的所述系统还包括废液收集装置19，所述废液收集装置19与所述容置装置21连通，用于收集所述容置装置21中的废液，具体的，所述废液收集装置19通过一废液收集管与所述容置装置21连通，所述废液收集管与所述容置装置21靠近底部的位置连通，以便于产生的废液能够快速的离开容置装置21，而所述容置装置21和所述废液收集装置19也可以沿着重力方向依次设置，这样在重力作用下，所述废液可以在不依靠水泵等驱动机构的驱使下就可以快速的从容置装置21进入废液收集装置19中。

此外，所述系统还包括激光特性调节机构，所述激光特性调节机构可以设置于裸光纤3的激光输入端和/或激光输出端，或者对应于裸光纤3的激光输出端设置，并至少用于调整所述裸光纤3输出的激光光束在工件的待加工区的激光能量密度分布特性。在一些情况下，所述激光特性调节机构可以采用光学透镜，所述透镜可以调控裸光纤的激光输出端使其正对加工区，提高激光能量密度的分布特性。在一些情况下，也可以对裸光纤3的激光输出端的几何形状等进行调节，以构成所述激光特性调节机构。

采用本实施例的激光与电解复合加工系统，能极大提高深小孔、深窄槽结构的激光与电解复合加工的极限加工能力。

实施例3

本实施例中提供的一种激光与电解复合加工方法，具体包括以下步骤：

提供本申请所述的系统；

将所述工具电极、工件11分别与电源7的负极、正极电连接，并使所述激光通过所述工具电极的裸光纤3传导至所述工件11的待加工区，以及使电解液通过所述电解液通道传输至所述待加工区，从而实现对待加工区的激光与电解复合加工。

更具体的，可以依据对所述待加工区的加工需求，调整裸光纤3的激光输出端与所述电解液分配腔室的出液口10的距离，从而将所述出液间隙的大小控制在设定范围内。同时，也可以调整所述工具电极的尾端与待加工区的距离，从而将加工间隙的大小控制在设定范围内。

在使用时，将裸光纤3固定在夹具4中，并使激光光源2与所述裸光纤3连通，将所述夹具4配置在工具电极中。将工具电极的电解液入口6通过供液管路与电解液储槽17连通，并将所述工具电极与所述第一精密运动装置20连接，将承装工件11的容置装置21与所述第二精密运动装置22连接。将工件11与电源7的正极相连，工具电极与所述电源7的负极相连。通过第一精密运动装置20调整工件11的待加工区与所述工具电极之间的距离使二者之间形成加工间隙。

激光通过裸光纤3传导至工件11的待加工区，电解液则以设定的流速喷射在待加工区上，实现金属工件11材料的电解蚀除。由于裸光纤3具有良好的柔性，可以通过夹具4固定裸光纤3的末端，结合第一精密运动装置20，通过控制裸光纤3的激光输出端与工件11进行相对运动以进行精密控制，可实现预定轮廓结构的激光与电解复合加工。在所述激光输出端与所述工件11的待加工区之间保持一定的加工间隙，当电解液流过加工间隙的时候，可以及时地带走加工产物、微气泡等，保持激光能够高效地传导至待加工区。所述电解液以及激光可以随着工具电极的进给工作，同步作用于大深度加工区中，可保证大深度加工区电解液的充分供给，实现深小孔或者深窄槽结构的稳定高效加工。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。