本實用新型涉及激光加工領域，尤其涉及一種改善孔錐度的激光打孔裝置。

背景技術：

激光打孔技術是一種以激光束為熱源，采用熱去除方法對材料進行分離的技術。在激光打孔的過程中，高功率的脈沖激光聚焦在工件表面，材料被迅速加熱到熔化及汽化的溫度，隨后在材料氣體急聚膨脹的反沖壓力和高壓輔助氣體壓力的共同作用下，工件上熔融狀態的液體被擠出孔外，并在后續脈沖激光作用下持續上述過程，材料不斷去除，直至形成通孔。

激光打孔技術與其他打孔技術相比，具有諸多優勢，例如，激光打孔技術是無接觸加工技術，加工工具與被加工工件之間不發生摩擦，避免因摩擦帶來加工工具的損耗，也不會因為加工材料較硬導致鉆頭折斷。其次，與其他無接觸的打孔技術（如電子束打孔技術、電火花腐蝕打孔技術、超聲波打孔技術等）相比，激光打孔技術可以加工出孔徑更小的孔（孔的直徑能達到10~250μm），且加工效率高。因此，激光打孔技術廣泛應用于加工金屬材料、陶瓷材料以及高分子材料等領域，很好地滿足了汽車工業、半導體工業、制表業以及醫療裝置制造業等行業對某些關鍵零部件精密加工的要求。

在使用激光打孔技術加工上述關鍵零部件的通孔時，錐度是衡量孔的重要質量指標，錐度越大說明所加工的孔的質量越差。但是，利用現有的脈沖激光打孔技術加工得到的通孔往往存在較大的錐度，而這較大錐度產生的原因主要有以下三種：

1、加工開始時，激光束的焦點在工件表面上，隨著加工平面由工件表面向下延伸，加工表面產生的熱量逐漸降低，并且由于高壓輔助氣體在深孔中壓力損耗過大，導致孔底的熔融材料無法排出，使得底部孔徑逐漸變小，最終形成錐孔；

2、激光脈沖的光強在空間上位高斯分布，激光束中間能量高而四周能量低，導致通孔軸心線上的材料容易去除而四周的材料較難去除，形成錐孔；

3、被加工的材料在激光的輻照下氣化，生成蒸汽，高溫蒸汽中的熱電子致使其他中性粒子電離，形成光致等離子體，對激光有吸收作用。隨著激光打孔過程的持續進行，等離子體不斷增加，對激光功率的削減作用越來越大，使得孔底材料獲得的能量減小，所形成的孔徑隨著孔深度的增加而變小，最終形成錐孔。由以上分析可知，采用傳統的激光加工方法所加工的孔不可避免地存在較大的難度。

針對上述情況，中國實用新型專利CN201310172352提出了一種在打孔的激光束中加入納米級粒子流的方法，通過納米粒子流對所加工的微孔進行拋光，以改善所成孔的錐度。但是，精確的控制納米級粒子流進入到微孔中在實際操作時存在較大的難度，尤其是當孔徑僅為微米級時，由于表面張力太大，流體甚至很難進入到微孔之中。另一中國實用新型專利CN201410050557提出一種利用電磁場提高激光束性能的方法來改善激光打孔錐度的方法，但存在裝置復雜，且需要高能量的磁場才足以消除錐度的缺點。再一中國專利CN201310476632提出一種通過在工件的上側和下側分別施加高能脈沖激光進行打孔的方法。在打孔過程中，必須通過兩個高精度運動平臺使得兩個激光頭和所需打孔位置三者精確地保持在同一直線上，對上下兩個激光器的同軸度、運動平臺的精度等存在極高的要求。

綜上所述，現有的激光加工方法所加工出的孔不可避免地存在錐度，而現有的方法在一定程度上可以改進孔的錐度，但是仍存在裝置復雜、操作困難等缺點，亟需實用新型新的改善激光加工中孔錐度的方法。

技術實現要素：

針對上述缺陷，本實用新型的目的在于提出一種改善孔錐度的激光打孔裝置。

為達此目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種改善孔錐度的激光打孔裝置，包括激光發生器；還包括反射裝置和反射調節機構，所述激光發生器相對固定地設置在工件的一側，所述反射裝置和反射調節機構設置在所述工件的另一側；

所述激光發生器在所述工件上加工出帶有錐度的通孔后，其激光束穿過所述通孔后落到所述反射裝置的反射平面上，經所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和內壁；所述反射調節機構帶著所述反射裝置運動，使得被反射的激光束落到所述通孔的孔周和內壁上不同位置，以將所述通孔內的錐度逐步消除。

優選的，所述反射裝置為平面鏡和球面鏡中的任一種反射鏡。

優選的，所述平面鏡或球面鏡的反射平面上設有若干可增加激光散射的微結構。

優選的，所述微結構為均勻布滿在所述反射平面上的凸起，所述凸起為半球或半橢球狀沿橫縱方向均勻間距排列。

優選的，所述反射調節機構包括驅動所述反射裝置環繞所述通孔運動的動力源和調節所述反射裝置與所述通孔的橫截面之間夾角大小的動力源。

優選的，所述反射平面的面積為所述通孔的最小截面直徑的10~15倍。

優選的，所述工件通過夾具固定在所述激光發生器的一側。

優選的，還包括載鏡臺，所述反射裝置通過所述反射調節機構設置在所述載鏡臺。

一種改善孔錐度的激光打孔方法；其包括以下步驟：

1）將工件裝夾到夾具上，并調整夾具將工件上待加工通孔的目標位置調節到激光發生器的正下方；

2）開啟激光發生器，使其發出的高能脈沖激光束聚焦到通孔的目標位置上，開始在工件上打孔；經過數個或幾十個脈沖后，打出帶錐度的通孔；

3）激光發生器繼續維持開啟的狀態，其穿過通孔的入射激光束打到反射裝置的反射平面上，并經反射平面將入射激光束反射，使得反射激光束落到通孔的孔周和內壁，將孔周和內壁上多余的材料通過熔化消除或升華消除；

4）通過反射調節機構調節反射平面與通孔的橫截面之間的角度，使得反射激光束落在通孔的孔周和內壁的不同位置，所述反射調節機構驅動所述反射裝置環繞所述通孔運動，使得反射激光束對通孔的孔周和內壁進行旋切，最終將所有多余的材料切除，消除錐度，得到內徑一致的通孔。

優選的，完成加工一個通孔的加工后，夾具帶動工件移動到下一個通孔的目標位置，重復所述步驟1~4，直至完成該工件所需數量的通孔的加工。

本實用新型的有益效果：通過反射裝置的反射平面將激光束反射回所加工通孔的孔周和內壁，并對孔壁進行旋切，以改善所加工的通孔的錐度。在一次加工中完成通孔和改善錐度兩個過程，克服了現有技術中采用上下兩個激光發生器對準加工時需要極高運動精度要求的問題，顯著地降低了成本。僅僅采用同一激光發生器對目標工件進行加工和改善維度，避免引入磁場、流場等其他能場導致裝置復雜、成本過高、控制困難的缺點，簡化安裝和使用。

附圖說明

圖1是本實用新型的一個實施例的結構示意圖；

圖2（a)~(d）是激光束作用到不同位置的反射裝置后的反射路徑圖；

圖3（a）是本實用新型中帶有錐度的通孔的結構示意圖；

圖3（b）是本實用新型中加工完成后的通孔的結構示意圖；

圖4是本實用新型中微結構的一個實施例的俯視圖；

圖5是圖4中微結構在豎直平面上的剖視圖。

其中：激光發生器1，入射激光束11，反射激光束12；反射裝置2，反射平面20，微結構21；反射調節機構3，工件4，通孔5，夾具6，載鏡臺7。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本實用新型的技術方案。

一種改善孔錐度的激光打孔裝置，包括激光發生器1，其特征在于：還包括反射裝置2和反射調節機構3，所述激光發生器1相對固定地設置在工件4的一側，所述反射裝置2和反射調節機構3設置在所述工件4的另一側；

所述激光發生器1在所述工件4上加工出帶有錐度的通孔5后，其激光束穿過所述通孔5后落到所述反射裝置2的反射平面20上，經所述反射平面20反射后落到所述通孔5的孔周和內壁；所述反射調節機構3帶著所述反射裝置2運動，使得被反射的激光束落到所述通孔5的孔周和內壁上不同位置，以將所述通孔5內的錐度逐步消除。

如圖1所示，通過反射裝置2的反射平面將激光束反射回所加工通孔5的孔周和內壁，并對孔壁進行旋切，以改善所加工的通孔5的錐度。在一次加工中完成通孔和改善錐度兩個過程，克服了現有技術中采用上下兩個激光發生器對準加工時需要極高運動精度要求的問題，顯著地降低了成本。僅僅采用同一激光發生器1對目標工件進行加工和改善維度，避免引入磁場、流場等其他能場導致裝置復雜、成本過高、控制困難的缺點，簡化安裝和使用。

所述反射裝置2為平面鏡和球面鏡中的任一種反射鏡；結構簡單，更換方便，性價比高。

所述平面鏡或球面鏡的反射平面20上設有若干可增加激光散射的微結構21。

激光發生器1發出的激光束在反射平面20上進行反射，在反射平面20上增加微結構21，這若干微結構21的外壁向不同方向延伸，從而增加了入射到這些外壁上的激光束的散射，避免激光直接反射回激光發生器1內而導致激光發生器1的損壞。所述的微結構和平面鏡或球面鏡的類型取決于工件4的材料、目標通孔5的孔徑大小和激光發生器1的功率。

所述微結構21為均勻布滿在所述反射平面20上的凸起，所述凸起為半球或半橢球狀沿橫縱方向均勻間距排列。

如圖4及圖5所示，直接使用凸起作為微結構，結構簡單，加工方便；而最優的方案是使用球狀或橢球狀形狀的凸起，是從立體幾何的構建原理出發，相同體積的凸起加工成的任何立體形狀中，球狀是其中表面積最大的，且球狀表面有曲率，適合更多的激光束往更多的方向發生散射，以達到保護激光發生器1的作用。

所述反射調節機構3包括驅動所述反射裝置2環繞所述通孔5運動的動力源和調節所述反射裝置2與所述通孔5的橫截面之間夾角大小的動力源。

根據光學反射定理，入射激光束11與反射平面20上微結構21的表面法線的夾角，為反射激光束12與反射平面20上微結構21的表面法線的夾角。反射調節機構3不斷調節反射裝置2與所述通孔5橫截面之間的夾角，使得反射激光束12在通孔5內壁的落點逐漸升高，且在升高的過程中利用自身的熱量逐漸對通孔5內的錐度進行消除到與通孔5上部分的孔徑一致；反射調節機構3還不斷調節反射裝置2環繞所述通孔5運動，以實現對通孔5內錐度的旋切，將通孔5內各處的錐度都消除，得到整個孔徑上下都一致的通孔，結構簡單，操作方便。

所述反射平面20的面積為所述通孔5的最小截面直徑的10~15倍。

量化限定反射平面20面積，確保所有的激光束都能發射到通孔5內或者工件4的背面，在激光束的能量較大時，通過這樣面積大小的反射平面20實現其的多次反射后能量的分散，防止具有一定能量的激光束對工件4或反射調節機構3造成損壞，延長設備的使用壽命。

所述工件4通過夾具6固定在所述激光發生器1的一側。

完成加工一個通孔的加工后，夾具6帶動工件4移動，使得激光發生器1對準工件4上下一個通孔的目標位置，再繼續完成加工，保證工件4穩定性的同時，提高加工效率。

還包括載鏡臺7，所述反射裝置2通過所述反射調節機構3設置在所述載鏡臺7。

反射裝置2和發射調節機構3設置在載鏡臺7上，兩者的位置調整時直接移動在載鏡臺7即可，在與工件4以及激光發生器1的位置對正時方便高效。

一種改善孔錐度的激光打孔方法；其包括以下步驟：

1）將工件4裝夾到夾具6上，并調整夾具6將工件4上待加工通孔的目標位置調節到激光發生器1的正下方,如圖2（a）所示；

2）開啟激光發生器1，使其發出的高能脈沖激光束聚焦到通孔5的目標位置上，激光發生器1聚焦的焦距取決于激光發生器1到工件4表面的距離，聚焦完成后開始在工件4上打孔；經過數個或幾十個脈沖后，打出帶錐度的通孔5，如圖3（a）所示，所述的脈沖個數取決于工件4的材料、目標通孔的孔徑大小和激光發生器1的功率實際決定；

3）激光發生器1繼續維持開啟的狀態，其穿過通孔5的入射激光束11打到反射裝置2的反射平面20上，并經反射平面20將入射激光束11反射，使得反射激光束12落到通孔5的孔周和內壁，將孔周和內壁上多余的材料通過熔化消除或升華消除，如圖2（b）和圖2（c）所示；

4）通過反射調節機構3調節反射平面20與通孔5的橫截面之間的角度，使得反射激光束12落在通孔5的孔周和內壁的不同位置，所述反射調節機構3驅動所述反射裝置2環繞所述通孔5運動，使得反射激光束12對通孔5的孔周和內壁進行旋切，最終將所有多余的材料切除，消除錐度，得到內徑一致的通孔，如圖2（d）所示和圖3（b）所示。

完成加工一個通孔的加工后，夾具6帶動工件4移動到下一個通孔的目標位置，重復所述步驟1~4，直至完成該工件4所需數量的通孔的加工。

以上結合具體實施例描述了本實用新型的技術原理。這些描述只是為了解釋本實用新型的原理，而不能以任何方式解釋為對本實用新型保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本實用新型的其它具體實施方式，這些方式都將落入本實用新型的保護范圍之內。