透镜振动辅助激光加工技术的研究

【作者】 吴昊； 邹平； 康迪； 王文杰；

【机构】 东北大学机械工程与自动化学院；

【摘要】 传统的激光加工技术存在加工后的零件表面发生熔化的材料重新凝固在零件表面、热影响区等情况,影响加工质量。为解决这些问题,近些年来振动辅助激光加工作为改进的加工方法被学者们研究。目前振动辅助激光加工有两种方式:工件振动辅助激光加工和透镜振动辅助激光加工。对于工件振动辅助激光加工的研究中表明,此方法可以有效地降低被加工工件表面的粗糙度、改变工件表面的微结构、硬度和提高孔的深径比等优点。而透镜振动辅助激光加工也能降低被加工工件表面的粗糙度和提高孔的深径比。对于工件振动辅助激光加工的研究有很多,对于透镜振动辅助激光加工的研究却很少。基于此,从激光焦点处能量分布角度,对透镜振动辅助激光加工过程进行了研究。首先文中确定了透镜的振动方向:透镜的振动方向有三种,分别对应沿空间的三维坐标轴向移动。利用CODEV仿真可以发现,透镜的振动可以改变激光的能量分布,当透镜沿激光传播方向移动时,激光能量分布变化大,所以激光传播方向是影响激光能量分布的敏感方向。其次,分析了透镜振动辅助激光加工区域:"激光焦点处加工区域"用来定义激光焦点处能量密度大于材料所能承受的临界值,处于在激光焦点处加工区域的材料可被去除,根据透镜振动辅助激光加工的能量分布可得,透镜振动辅助激光加工与传统激光加工的"激光焦点处的加工区域"不同,因此也会导致经两种加工方法加工后得到的表面形貌不同。根据以上分析设计了振幅辅助激光加工系统,其振动由压电陶瓷产生,原理为:电脑控制LABVIEW产生振动信号,经驱动器传递给压电陶瓷,压电陶瓷产生振动从而带动透镜振动。在振动辅助激光加工系统中对不锈钢材料进行激光钻孔实验,钻孔的过程是:首先对激光进行对焦,将激光焦点的中心点位置对焦到工件的表面,然后激光光束照射工件表面持续0.1秒完成钻孔过程。实验将分别使用传统激光加工和透镜振动辅助激光加工进行钻孔,其中当使用透镜振动辅助激光加工方法时,驱动信号为正弦信号,透镜振动的振幅是12μm,频率是200Hz。而后对加工后的孔进行测量,比较两种加工方式得到的孔的深度和直径。深度和直径各参数测量3次,其平均值将作为最终的结果。结果表明:两种方法加工后的孔的平均直径相近,而透镜振动辅助激光加工所得孔的深度比传统激光加工所得孔的深度增加了18%。两种方法所得的孔的形状差异验证了上述理论分析中的透镜振动辅助激光加工中激光能量分布与传统激光加工的激光能量分布和激光加工区域的不同。更多还原