寧波材料所五軸超快激光加工系統(tǒng)在難加工材料可控錐度深小孔加工方面取得進(jìn)展
硬脆材料或高熔點(diǎn)難加工材料憑借優(yōu)異的材料性能，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)、水刀等工業(yè)產(chǎn)品中的噴油嘴、水射流噴嘴的功能結(jié)構(gòu)，都需要在硬脆性或高熔點(diǎn)的難加工材料上加工大深徑比小孔（簡(jiǎn)稱“深小孔”），常規(guī)的機(jī)械加工方法、電加工方法難以控制小孔加工錐度，很難在硬脆、絕緣材料上加工出孔徑小于0.1mm的小孔。在實(shí)現(xiàn)正錐度、反錐度和零錐度等效果方面，激光加工方式具有顯著優(yōu)勢(shì)。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料與技術(shù)工程研究所所屬二級(jí)所先進(jìn)制造所的激光與智能能量場(chǎng)團(tuán)隊(duì)采用皮秒激光器結(jié)合五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)解決了難加工材料可控錐度的深小孔加工難題。皮秒激光器輸出Φ0.03～Φ0.05mm的光斑，功率密度可達(dá)1012W/cm2，能在陶瓷及高溫合金材料上加工Φ0.05mm～Φ0.5mm可控錐度的深小孔。
采用5+2軸激光加工系統(tǒng)（如圖1）解決了工件上深小孔的空間定位、焦點(diǎn)校正及實(shí)時(shí)角度補(bǔ)償?shù)葐栴}。五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工件在空間上的準(zhǔn)確定位（精度小于3μm），焦點(diǎn)實(shí)時(shí)聚焦，保證了焦點(diǎn)定位準(zhǔn)確；加工深小孔隨深度增加，激光入射角相應(yīng)增大，由于激光光斑能量的高斯分布特點(diǎn)和耦合效應(yīng)，小孔材料內(nèi)壁對(duì)能量吸收率降低，激光去除效率減弱，五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過角度補(bǔ)償變換控制激光焦點(diǎn)與工件表面入射角θ，減小激光入射角θ，可增加材料單位面積能量吸收率，提高材料去除率（如圖2）。經(jīng)過理論分析和工藝策略優(yōu)化調(diào)控，已可控加工出45°正錐沉孔、零錐度孔以及-11°倒錐小孔。
團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)和方法開展了氧化鋯陶瓷（Zirconia Ceramics）、某高溫合金材料的深小孔加工試驗(yàn)。皮秒激光加工系統(tǒng)加工深小孔，利用焦點(diǎn)實(shí)時(shí)校正及角度變換補(bǔ)償能獲得Φ0.05mm～Φ0.5mm深小孔。通過工藝試驗(yàn)探索，在陶瓷、某高溫合金等材料中加工深小孔，所實(shí)現(xiàn)深徑比可以＞15:1。部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，圖3為氧化鋯陶瓷材料通過基恩士共聚焦顯微鏡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，入口直徑Φ0.302mm，出口直徑Φ0.301mm，材料厚度4mm，錐度接近零度。這樣的可控錐度深小孔可以在曲面工件上自動(dòng)化加工出來。該技術(shù)為難加工材料可控錐度大深徑比深小孔加工奠定了基礎(chǔ)，對(duì)多類動(dòng)力系統(tǒng)噴油嘴加工及拔絲孔加工等微小孔應(yīng)用具有重要意義。
圖1 可控錐度深小孔激光加工系統(tǒng)
圖2 深小孔加工激光入射角θ補(bǔ)償示意圖
圖3 厚度4毫米氧化鋁陶瓷材料剖面測(cè)量圖
表1 多種材料可控錐度加工
?。ㄏ冗M(jìn)制造所 王云峰）