CN100557383C - 一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法 - Google Patents

一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN100557383C
CN100557383C CNB2008101019457A CN200810101945A CN100557383C CN 100557383 C CN100557383 C CN 100557383C CN B2008101019457 A CNB2008101019457 A CN B2008101019457A CN 200810101945 A CN200810101945 A CN 200810101945A CN 100557383 C CN100557383 C CN 100557383C
Authority
CN
China
Prior art keywords
hole section
section shape
aperture
laser boring
thin slice
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2008101019457A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101241002A (zh
Inventor
季凌飞
闫胤洲
鲍勇
蒋毅坚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CNB2008101019457A priority Critical patent/CN100557383C/zh
Publication of CN101241002A publication Critical patent/CN101241002A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100557383C publication Critical patent/CN100557383C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明涉及一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法，特别适用于对硬脆性非金属材料的孔剖面形状进行测量，属于测量方法领域。本发明通过重叠并压紧某种材料的薄片至特定厚度并进行激光打孔，打孔后将重叠薄片的展开，分别测量各个薄板上下表面的孔径并记录各孔径的深度位置，最后采用曲线拟合的方法描绘出孔剖面形状。采用该发明方法避免对硬脆性材料的研磨抛光，简单快速的完成对激光打孔的孔剖面形状的确定，而且所得到的孔剖面形状与一整块相同厚度相同材料的样品进行相同打孔工艺打孔的孔剖面形状一致。

Description

一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法
技术领域
本发明涉及一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法，特别适用于对硬脆性非金属材料的孔剖面形状进行测量，属于测量方法领域。
背景技术
激光打孔是一种快速去除材料的过程，具有操作精确、高效率、无接触、孔径小以及热影响区小的特点，被广泛运用到精密加工过程中。但是由于激光打孔的孔径很小(一般在0.5mm以下)，在研究激光打孔过程中工艺参数对孔质量的影响时，通常采用将材料沿侧壁切割并研磨抛光，以得到孔的剖面形状。但是对于包括单晶、陶瓷、玻璃等在内的大多以共价键、离子键或两者混合的化学键而结合的非金属材料来说，由于常温下该类材料具有很大的脆性，增加了传统方法难度。主要体现在切割、研磨和抛光的时间增长以及材料本身在长时间的切割、研磨作用下产生很大应力发生脆裂。由于硬脆性非金属材料具有这种特性，使研究人员无法直观的观察到孔的剖面形状，从而无法准确的评价工艺参数的优劣，严重阻碍了非金属材料的激光加工性能的进一步发挥和推广。
对激光打孔的孔质量，国内外一般采用的评价指标如文献《Comparativestatistical analysis of hole taper and circularity in laser percussiondri ll ing》(Internat ionalJournal of Machine Tools&Manufacture，Vol.42，2002)所示，包括：表面溅污、重凝层、熔渣，入口直径、出口直径、孔锥度等。由于激光具有一定的发散角度，对具有一定厚度的材料打孔，孔剖面形状变的复杂，孔锥度不再可以准确的描述出孔特性，此时通常利用孔剖面形状对打孔质量进行评价。又如在文献《Modeling and analysis of pulsedNd:YAG laser machining characteristics during micro-drilling ofzirconia》(International Journal of Machine Toole&Manufacture，Vol.46，2006)中作者将氧化锆陶瓷对Nd:YAG激光的吸收表征为孔锥度及热影响区的变化，但是由于氧化锆陶瓷的硬脆性，其观察实验仅限于观察打孔材料的上下表面，而对孔剖面形状并没有提及。如果可以观察的孔的剖面形状，则可以更好的研究激光加工过程中材料对激光的吸收特性及优化现有的工艺参数。
现有的对激光打孔的孔剖面形状分析的最有效方法是采用激光共聚焦显微镜，通过激光共聚焦显微镜可以在不损伤材料情况下描绘出孔剖面形状。但是由于激光共聚焦显微镜存在测量范围的限制，对于深度大于5mm的小孔剖面形状已经无法绘制，而且激光打孔会在一定的工艺条件下出现倒喇叭的剖面形状，根据激光共聚焦扫描显微镜的原理，此时的剖面形状将无法描绘。此外激光共聚焦扫描显微镜价格昂贵，不利于研究和应用的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠、无需切割或磨抛工艺、快速的确定激光打孔硬脆性非金属材料的孔剖面形状的方法。该方法可以应用于各种硬脆性非金属，工艺重复性高，对各种厚度的材料进行激光打孔的孔剖面形状均可以准确描绘，避免了磨抛过程中材料发生断裂。
为达到所述目的，本发明通过以下技术方案实现：
1)用多个薄片重叠并压紧成所要观察材料的厚度，再用激光进行打孔。薄片材料的厚度依要求精度而定。材料越薄，重叠层数越多，可测量的不同深度位置的孔径数据越多，曲线拟合的精度就越高；材料越厚，重叠的层数越少，可测量的不同深度位置的孔径数据越少，曲线的拟合精度就越低；
2)将重叠的薄片展开，通过普通可测量型显微镜分别测量每个薄片上下表面的孔径。在测量孔径过程中，还要记录各个孔径在重叠时的深度位置，以完成下步的曲线拟合；
3)根据所测得的各薄片上孔径数据及各孔径所在的深度位置采用函数进行曲线拟合，得到激光打孔所要观察材料厚度的孔剖面形状。
采用本发明中的方法避免对硬脆性材料的研磨抛光，简单快速的完成对激光打孔的孔剖面形状的确定，而且所得到的孔剖面形状与一整块相同厚度相同材料的样品进行相同打孔工艺打孔的孔剖面形状一致。
与现有技术相比，本发明具的有益效果是：
1)不受材料厚度的影响，本发明可以针对任何厚度的激光打孔的孔剖面形状观察，不会由于材料的不同或厚度的增加而无法进行测量。在测量过程中采用普通的可测量型显微镜就可以实现测量。
2)测量时间短，相对于传统研磨抛光工艺，本发明确定孔剖面形状的时间要远小于采用磨抛工艺。
3)测量准确，本发明可以准确的测量沿剖面方向激光打孔孔剖面形状，而采用磨抛工艺无法确保剖面正好处于孔径的直径位置。
4)不受材料类别的影响，本发明适用于任何硬脆性材料，包括陶瓷、单晶、玻璃等。
5)使用发明方法所测量计算得到的激光打孔的孔剖面形状与相同厚度的一整块厚板材料的打孔的孔剖面形状一致，可以通过这种方法来对激光参数与孔径质量的影响进行研究，优化激光打孔的工艺参数。
附图说明
图1是观察激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法的流程图
图2是实例1中采用激光共聚焦显微镜测得的整块厚板的孔剖面形状
图3采用发明方法得到的孔剖面形状的结果
图4是实例2中采用激光共聚焦显微镜测得的整块厚板的孔剖面形状
图5采用发明方法得到的孔剖面形状的结果
图6是实例3中采用发明方法得到的孔剖面形状图
图7是实例4中采用发明方法得到的孔剖面形状图
具体实施方式
如图1所示，用多个薄片2重叠成所要观察的材料厚度1，并用激光3进行打孔；之后将重叠的薄片展开4，通过显微镜分别测量每个薄片上下表面的孔径5并记录各个孔径在重叠时的深度位置；最后根据所测得的各薄片上孔径数据及各孔径所在的深度位置，采用多项式函数进行曲线拟合得到该厚度材料激光打孔的孔剖面形状。
多项式一般使用：
R(t)＝a1tn+a2tn-1+…+anx+an+1
式中：R(t)代表孔径随深度t的而变化，用来表示孔剖面形状；t表示深度；ai(i＝1，2，…，n)是多项式的系数；n表示多项式的次数。通过测量各个薄片的孔径并记录该孔径所在的深度位置，就可以计算得出多项式系数ai，从而得到孔剖面形状函数R(t)，系数ai的数量即n的取值取决于重叠的薄片数量。用该多项式函数描绘出的曲线即为孔剖面形状。
实施例1：
将4片厚度为1mm的氧化铝陶瓷重叠并压紧成4mm厚。激光输出平均功率500-600W，脉冲频率50Hz，气压2-5bar，打孔时间0.1s，焦点位置位于材料内部中心。进行激光打孔后，将4个薄片展开，分别测量每个薄片上下表面的孔径并记录各个孔径在重叠时的深度位置。最后根据所测得的各薄片上孔径数据及各孔径所在的深度位置做多项式函数拟合，得到激光打孔的孔剖面形状的多项式表示：
R(t)＝0.0029704t3+0.018017t2+0.0641261t+0.3149692
由于激光共聚焦扫描显微镜可以在该厚度进行孔剖面形状的测量，因此对整块4mm氧化铝陶瓷进行相同打孔工艺的打孔并进行孔剖面形状测量，对比采用发明方法所得到的函数描绘出的孔剖面形状，二者结果相同(见图2、图3)。
实施例2：
将4片厚度为1mm的氧化铝陶瓷重叠并压紧成4mm厚。激光输出平均功率800-900W，脉冲频率50Hz，气压2-5bar，打孔时间0.05s，焦点位置位于材料上表面。进行激光打孔后，将4个薄片展开，分别测量每个薄片上下表面的孔径并记录各个孔径在重叠时的深度位置。最后根据所测得的各薄片上孔径数据及各孔径所在的深度位置做多项式函数拟合，得到激光打孔的孔剖面形状的多项式表示：
R(t)＝0.0024004t3+0.0207017t2+0.0580076t+0.2949662
由于激光共聚焦扫描显微镜可以在该厚度进行孔剖面形状的测量，因此对整块4mm氧化铝陶瓷进行相同打孔工艺的打孔并进行孔剖面形状测量，对比采用发明方法所得到的函数描绘出的孔剖面形状，二者结果相同(见图4、图5)。
实施例3：
将5片厚度为1mm的石英玻璃重叠并压紧成5mm厚。激光输出平均功率为100-350W，脉冲频率200Hz，气压2-10bar，打孔时间0.1-0.5s，焦点位置位于材料内部中心。进行激光打孔后，将5个薄片展开，分别测量每个薄片上下表面的孔径并记录各个孔径在重叠时的深度位置。最后根据所测得的各薄片上孔径数据及各孔径所在的深度位置做多项式函数拟合，得到激光打孔的孔剖面形状的多项式表示：
R(t)＝0.0011839t3+0.0110394t2+0.0494311t+0.296925
根据孔剖面形状多项式描绘出孔剖面形状如图6所示。该厚度的整块材料采用激光共聚焦显微镜已无法测量孔剖面形状。
实施例4：
将10片厚度为1mm的氧化铝陶瓷重叠并压紧成10mm厚，激光输出平均功率为1000-1200W，脉冲频率50Hz，气压2-5bar，打孔时间0.5s，焦点位置位于材料内部中心。进行激光打孔后，将10个薄片展开，分别测量每个薄片上下表面的孔径并记录各个孔径在重叠时的深度位置。最后根据所测得的各薄片上孔径数据及各孔径所在的深度位置做多项式函数拟合，得到激光打孔的孔剖面形状的多项式表示：
R(t)＝0.0004452t3+0.0060781t2+0.0463508t+0.4647378
根据孔剖面形状多项式描绘出孔剖面形状如图7所示。该厚度的整块材料采用激光共聚焦显微镜已无法测量孔剖面形状。

Claims (1)

1、一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将多个薄片材料重叠并压紧，其厚度与所要确定材料的厚度相同；
2)利用激光(3)对重叠后的材料进行打孔后，将重叠的薄片(2)展开，分别测量各个薄片上下表面的孔径并记录各个孔径所在的深度位置；
3)根据所测得的各薄片上下表面的孔径数据及各孔径所在的深度位置，采用函数进行曲线拟合，得到激光打孔所要确定材料厚度的孔剖面形状，
所述的拟合函数为多项式函数。
CNB2008101019457A 2008-03-14 2008-03-14 一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法 Expired - Fee Related CN100557383C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2008101019457A CN100557383C (zh) 2008-03-14 2008-03-14 一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2008101019457A CN100557383C (zh) 2008-03-14 2008-03-14 一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101241002A CN101241002A (zh) 2008-08-13
CN100557383C true CN100557383C (zh) 2009-11-04

Family

ID=39932705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2008101019457A Expired - Fee Related CN100557383C (zh) 2008-03-14 2008-03-14 一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100557383C (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102564291A (zh) * 2010-12-27 2012-07-11 无锡华润上华科技有限公司 侦测晶圆打标质量的方法
CN102737137B (zh) * 2011-04-07 2015-09-30 中国科学院力学研究所 一种激光精微打孔工艺参数优化方法
CN104634274B (zh) * 2015-01-20 2019-02-22 北方工业大学 一种金属材料激光打孔形状的表征方法
CN113547236A (zh) * 2021-07-01 2021-10-26 上海美维电子有限公司 激光钻机性能检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN101241002A (zh) 2008-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nakasuji et al. Diamond turning of brittle materials for optical components
Bertsche et al. An analytical model of rotary ultrasonic milling
CN100557383C (zh) 一种确定激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法
Yu et al. Ultraprecision machining of micro-structured functional surfaces on brittle materials
CN110487464B (zh) 一种基于残余应力的变形轮廓测量方法
CN105415101A (zh) 一种微晶玻璃陶瓷磨削表面粗糙度的确定方法
CN104061853A (zh) 一种光学材料亚表面损伤层深度及形貌测量方法
Chen et al. Study on cutting force and surface micro-topography of hard turning of GCr15 steel
Zhu et al. Theoretical and experimental investigation on inclined ultrasonic elliptical vibration cutting of alumina ceramics
Deng et al. Smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulation and experimental investigation on the diamond fly-cutting milling of zirconia ceramics
CN103105332B (zh) 用正交切削法测定材料断裂韧性的方法
Tanovic et al. Experimental investigation of microcutting mechanisms in granite grinding
Coelho et al. An experimental method to determine the minimum uncut chip thickness (hmin) in orthogonal cutting
Li et al. Experimental study on surface topography and fracture strength of worn saw wire in multi-wire sawing
Tanovic et al. Mechanisms in oxide-carbide ceramic BOK 60 grinding
CN209303898U (zh) 一种探测晶圆表面起伏的测量装置及激光隐形切割系统
Behm et al. Challenges of the wire saw wafering process
Mladenovic et al. Experimental investigation of microcutting mechanisms in oxide ceramic CM332 grinding
CN103644960A (zh) 一种超声辅助磨削加工动态振幅测量工具及测量方法
CN113466043A (zh) 一种陶瓷岩板断裂韧性的测试方法
Arif et al. A model to determine the effect of tool diameter on the critical feed rate for ductile-brittle transition in milling process of brittle material
CN112207292B (zh) 棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法
Cui et al. A review of subsurface damage detection methods for optical components
KOGA et al. Acoustic emission technique for contact detection and cutting state monitoring in ultra-precision turning
Lv et al. Formation mechanisms of exit-chippings in rotary ultrasonic drilling and conventional drilling of glass bk7

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20091104

Termination date: 20130314