CN102057061B - 用于后处理翘曲控制的对组件的预处理应力加载 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种抵消因微应力的堆积而产生的翘曲效应的过程及设备，所述微应力的堆积因用长波长激光器机器加工部件而导致。在不使待机器加工的所述部件中的任何其它特征屈曲的情况下，使用用于固持所述部件的固定件沿由于机器加工所致的翘曲应力的相反方向对所述部件施加预应力。当将所述部件固持于所述固定件中的预应力位置中时对其进行机器加工。

Description

用于后处理翘曲控制的对组件的预处理应力加载

相关申请案交叉参考

本申请案请求对2008年6月18日提出申请的第61/073,644号美国临时专利申请案的优先权，其以全文引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用以抵消微应力的堆积所导致的翘曲效应的设备及过程技术，所述微应力的堆积因用长波长激光器机器加工部件而导致。

背景技术

当用长波长激光器机器加工组件时，大部分机器加工过程是热的。此热材料移除过程导致机器加工部件中出现热量影响地带及熔融地带。在切割过程期间，所述熔融地带膨胀且转变成液体状态。所述热量影响地带也膨胀且在使金属局部退火之处温度上升。在激光器已机器加工金属区域之后短时间内，热量影响地带及熔融地带冷却且在体积上收缩。由于冷却梯度是不均匀的(也就是说，受热量影响的地带比熔融地带更快速地冷却到环境温度)，因此出现使机器加工部件局部偏斜的小应力地带。随着机器加工部件的更大部分，应力地带偏斜在彼此上堆积且在部件中导致通常称作翘曲的大偏斜。

发明内容

通过本发明的实施例解决如上文所描述的经机器加工的部件的微翘曲，其包括一种用以抵消微应力的堆积所导致的翘曲效应的技术，所述微应力的堆积因使用长波长激光器机器加工部件而导致。

翘曲现象极具重复性。一旦其表征于金属部件中，只要可恰当地固定部件，开发用以在不使部件中的任何其它特征屈曲的情况下沿翘曲的相反方向对部件施加预应力的技术是相对简单的。特定来说，在不使部件中的任何其它特征屈曲的情况下，借助用于固持部件的固定件沿由于机器加工所致的翘曲应力的相反方向对待机器加工的部件施加预应力。然后当将部件固持于固定件中时对其进行机器加工。

如果部件具有引发高应力集中的特征，那么可能加固此类区域以防止高应力地带屈曲。特定来说，可将具有与所述特征精密配合的插入件放置到所述特征中以约束所述特征且防止所述特征屈曲。作为替代方案，可将可膨胀插入件放置到所述特征中且所述可膨胀插入件膨胀直到其具有此种精密配合。

根据某些实施例，部件可包括薄的金属材料平板，例如铝。

本文中描述这些实施例及其它实施例的细节及变化形式。

附图说明

本文中的说明是参照附图，其中在数个视图中相同的参考编号指代相同的部件，且其中：

图1是显示用于用长波长激光器机器加工部件的设备的图解；

图2A是用长波长激光器机器加工的铝样本的俯视图；

图2B是图2A的铝样本的已经切割及安装以用于测试的第一部分的俯视图；

图2C是图2A的铝样本的已经切割及安装以用于测试的第二部分的俯视图；

图2D是从自顶向下观看点拍摄的第一部分的100x放大光学图像；

图2E是从自顶向下观看点拍摄的第一部分的200x放大亮场光学图像；

图2F是第二部分的50x放大亮场光学图像；

图2G是第二部分的200x放大亮场光学图像；

图2H是从自顶向下观看点拍摄的第一部分的600x放大SEM显微图；

图2I是从自顶向下观看点拍摄的第一部分的600x放大SEM显微图；

图3是其上设定有凹翘曲轮廓的典型部件的经简化透视图；

图4是其上设定有凸出预应力轮廓的典型部件的经简化透视图；

图5是具有应力集中几何形状及具有约束插入件的加固部分的典型部件的经简化透视图；

图6是具有可膨胀插入件的替代加固部分的透视图；及

图7是根据图6的可膨胀插入件的截面图。

具体实施方式

图1显示用于用长波长激光器14机器加工部件12的设备10的相关部分，长波长激光器14产生适于机器加工部件12的光束15。如将在本文中解释，根据本发明的实施例的设备10及相关联方法最一般性地针对抵消因微应力的堆积而产生的翘曲效应，所述微应力的堆积因用长波长激光器14机器加工部件12而导致。

部件12可包括薄的平板或呈薄的平板的形式，且利用长波长激光器14来穿过部件12切割一个或一个以上孔隙18。孔隙18从部件12的上部面延伸到下部面，使得孔隙18大致垂直于部件12所界定的平面而延伸。

设备10包括固定件16，当利用长波长激光器14来将一个或一个以上特征切割到部件12中或穿过部件12切割一个或一个以上特征时，固定件16将部件12相对于长波长激光器14固持于预定位置及轮廓中。固定件16包括基底部分17及压力板19，其适于分别在部件12的相对端处啮合部件12的下部及上部表面。也就是说，部件12的每一端捕获于基底部分17与压力板19中的一者之间。在此实例中，其中部件12如图3及图4中所示为大致矩形，压力板19沿部件12的相对边缘的长度延伸。利用一个或一个以上夹具21来相对于部件12固定基底部分17及压力板19。固定件16还包括从基底部分17向上延伸且可与部件12啮合的一个或一个以上指状件23。如下文中解释，通过指状件23与部件12的下部表面的啮合，部件12固持于预定轮廓中。

基底17及激光器14通常并入到任一数目的激光微机器加工系统中。举例来说，基底17可移除地固定到激光微机器加工系统的基底，且激光器14通常由龙门系统支撑以相对于基底17移动。基底17也可经安装以相对于激光器14移动。合适的激光微机器加工系统可从俄勒冈州波特兰的电子科学工业有限公司(Electro ScientificIndustries，Inc.of Portland，OR)购得且作为型号5330、5530、5650及5800销售。

术语“长波长激光器”经定义以包括(举例来说)红外波长激光器。通过举例而非限制的方式，长波长激光器可具有大于约750纳米(nm)的波长，且更优选地具有在约900纳米(nm)与约800微米(μm)之间的波长。在某些实施例中，在约900纳米(nm)与约9000纳米(nm)之间的波长为优选的。最优选地但未必，使用在约1000纳米(nm)与约1100纳米(nm)之间的波长。一般来说关于用长波长激光器机器加工金属部件且特定来说关于使用长波长激光器在金属材料中切割通孔的额外信息可从美国专利申请公开案第2007/0291496号获得，所述专利申请公开案以全文引用方式并入本文中。

术语“薄”当相对于材料平板使用时被定义为具有小于1000(μm)的厚度且更优选地具有在100微米(μm)与1000微米(μm)之间的厚度的板。术语“扁平”在相对于材料板使用时不应被视为具限制性。特定来说，材料板可具有用于完成的产品或部件的任何所需外形。只要可使用本发明的过程及设备在不使相关联高应力集中特征产生任何屈曲的情况下使得仿形产品或部件在预应力反翘曲方向配置中充分弯曲以偏移激光机器加工引发的翘曲，那么上述情况被视为在本发明的范围内。

通过举例而非限制的方式，术语“材料”在相对于薄的平板使用时被定义为同质金属材料且更特定来说铝材料。然而，预期可使用本发明处理经受激光机器加工引发的翘曲的其它材料，所述材料包括选自以下各项的材料：除铝外的另一同质金属材料、复合金属材料、树脂材料、包括纤维填充物的树脂材料、包括玻璃纤维填充物的树脂材料、复合树脂与金属材料、复合树脂、纤维填充物与金属材料，及其任一组合。

现在参照图2A到图2I解释翘曲效应的形成，其显示用长波长激光器14机器加工到表示部件12的铝样本22中的多个孔20。用长波长激光器14机器加工铝样本22导致局部化热量影响地带24及熔融地带26在包围孔20中的每一者的区域中形成。在切割过程期间，熔融地带26膨胀且转变成液体状态。热量影响地带24也膨胀且在使铝样本22的金属局部退火之处温度上升。在长波长激光器14已将孔20机器加工到铝样本22中之后短时间内，热量影响地带24及熔融地带26冷却且在体积上收缩。

在用长波长激光器14机器加工后，邻近于孔的材料中的冷却梯度不均匀，在于热量影响地带24比熔融地带26更快速地冷却到环境温度。此导致使部件局部偏斜的小应力地带28形成。单个应力地带28所导致的偏斜实际上不显著。然而，随着机器加工部件的更大部分，应力地带28所导致的局部化偏斜在彼此上堆积且在部件中导致通常称作翘曲效应的大的微等级偏斜。

图2A为用长波长激光器14进行激光切割或机器加工后的铝样本22的俯视图。通过准备第一部分30及第二部分32作为样品来准备铝样本22进行光学及SEM(扫描电子显微镜)成像。

通过切割穿过铝样本22以提供包括完全完整的孔20的阵列的大致矩形样品且通过如图2B中所示安装所述样品来准备第一部分30进行成像。因此，第一部分30适于从自顶向下或自底向上视角观察。

通过切割穿过铝样本22以提供细长样品且通过如图2C中所示安装所述样品来准备第二部分32进行成像，所述细长样品沿其细长侧34沿多个孔20的相应纵向轴二分所述多个孔20。因此，第二部分32适于观察孔20的横截面性质。

使用自顶向下视图的第一部分30的100x光学图像显示于图2D中。使用自顶向下视图的第一部分30的200x亮场光学图像显示于图2E中。第二部分32的50x亮场光学图像显示于图2F中。第二部分32的500x亮场光学图像显示于图2G中。在图2D到图2G中，可识别热量影响地带24及熔融地带26。暗场光学图像也显示这些地带。

图2H中的使用自顶向下视图的第一部分30的600x SEM图像显示热量影响地带24及熔融地带26。图2I是第一部分30的600x SEM图像，其显示铝基体中的沉淀物36。

在钻凿之后对铝样本22的取样位置的微硬度测试显示材料热量影响地带24及熔融地带26的硬度值减小到低于基本材料的硬度值。

通过举例而非限制的方式，描述本发明的实施例，其中部件12为薄的材料平板40，其具有绕其大部分周长的沿42且可具有机器加工到其中的数个特征，如在图1及图3到图5中最佳可见。特定来说，高应力集中引入到部分12的邻近于机器加工到沿42中的特征44的区域中。举例来说，特征44可包括以并排方式沿着沿42布置的多个正方形或矩形孔隙。

当用长波长激光器14机器加工部件12时，先前所描述的翘曲效应趋向于根据大致下凹翘曲轮廓50使部件12翘曲，如在图3中最佳可见，其中出于参考目的而图解说明下凹翘曲轮廓50邻近于部件12。可通过在不对部件12施加预应力的情况下使用长波长激光器14机器加工部件12且然后直接测量部件12的所得下凹翘曲轮廓50而经验性地建立下凹翘曲轮廓50。当然，可使用其它已知方法来建立下凹翘曲轮廓50的参数。

为抵消下凹翘曲轮廓50所表示的翘曲效应，固定件16经配置以便以基于下凹翘曲轮廓50的量值及方向对部件12施加预应力。特定来说，固定件16经配置以通过固定件16的直立指状件23与部件12的啮合(图1)使部件12挠曲成凸出的预应力轮廓52，如在图4中最佳可见。凸出的预应力轮廓52沿下凹翘曲轮廓50的相反方向但具有与下凹翘曲轮廓50大约相同的量值。当将部件12固持于预应力凸出轮廓52中时对其进行机器加工。当部件12从固定件16释放时，在通过长波长激光器14进行机器加工期间引发的应力反作用于由固定件16施加的预应力，致使部件16呈现一标称不翘曲轮廓，从而抵消翘曲效应。

在图1中所示的部件12的实例中，两个指状件23与部件12的中心部分等距地间隔开。两个指状件23与部件12的中心部分类似地间隔开且沿部件12的长度定位。不同大小及形状的部件可基于所需的凸出的预应力轮廓52而使用不同数目及/或不同形状的指状件23。

当部件12由固定件16挠曲成凸出的预应力轮廓52时，在部件12中引发应力。在某些情况下，这些应力可在部件12的趋向于引发高应力集中的区域(例如，特征44)处超过制作部件12的材料的屈曲强度。为防止特征44屈曲，可在固定件16上提供加固部分60，如图5中所示。

为防止特征44屈曲，固定件16的固定部分60包括与固定件16直接或间接相关联的一个或一个以上插入件62。插入件62具有与特征44的高应力几何形状的非常精密的配合。插入件62放置于特征44内，且插入件62相对于特征44的精密配合致使固定件16在部件12中引发的应力在特征44附近重新分布于部件12内，从而减小由特征44引发的应力集中的量值。以此方式，插入件62约束特征44且防止特征44屈曲。

虽然已将插入件62描述为提供于固定件16的加固部分60上且因此与固定件16直接或间接相关联，但应理解，此并非可提供插入件62的唯一方式。而是，可以适于约束特征44且防止特征44屈曲的任何方式来提供插入件62。因此，以任何合适方式相对于特征44组装插入件62已足够。

或者，固定件16的加固部分60’可具备一个或一个以上可膨胀插入件72以便确保及或增强加固特征44所需要的精密配合。如图6到图7中所示，且类似于图5的插入件62，可膨胀插入件72既定提供与特征44的高应力几何形状的非常精密的配合且放置到特征44中以减小应力集中的量值，因此约束特征44且防止特征44屈曲。然而，与固定大小的插入件62相比，可膨胀插入件72允许其大小上的轻微变化，因此其可膨胀以具有与特征44的非常精密的配合。此可调整性允许可膨胀插入件72在尽管部件12中存在制造变化的情况下仍实现与特征44的精密配合，且因此允许较大的可接受设计公差范围。

为使可膨胀插入件72膨胀及调整可膨胀插入件72，可以具有膨胀槽74的变细六面体的形式提供每一可膨胀插入件72。膨胀槽74从可膨胀插入件72的顶部面76延伸到相对底部面78，而且穿过可膨胀插入件72的前面80。带螺纹膛孔82在膨胀槽74内形成且从前面80延伸到可膨胀插入件72中。带螺纹变细部分84在带螺纹膛孔82内形成，使得将设定螺杆86推进到带螺纹膛孔82的变细部分84中致使膨胀槽82膨胀，从而将可膨胀插入件72的第一横向面88及相对第二横向面90远离彼此而移动且移动为与特征44的壁接触。

为提供可膨胀插入件72的较大程度的膨胀，可在可膨胀插入件72上提供第一收缩槽92及第二收缩槽94且所述收缩槽大致垂直于膨胀槽74定向。第一收缩槽92从顶部面76延伸到底部面78，而且穿过第一横向面88。第二收缩槽94从顶部面76延伸到底部面78，而且穿过第二横向面90。以此方式，第一收缩槽92及第二收缩槽94经配置以使得膨胀槽74响应于设定螺杆86的推进的膨胀致使收缩槽92、94收缩。因此，第一收缩槽92及第二收缩槽94允许膨胀槽74的高程度膨胀，而不导致固定件16的替代加固部分60’的不期望变形。

应理解，待机器加工的部件可为任何所需配置且不需要限于薄的材料平板。还应认识到，具有高应力集中的特征可为任何所需配置且不需要限于图中所图解说明的那些配置。

虽然已结合某些实施例描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所揭示实施例，而相反，本发明既定涵盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改及等效布置，所述范围应被赋予最广义的解释，以便在法律的许可下囊括所有此类修改及等效结构。

Claims (17)

1.一种用于使用长波长激光器机器加工部件的过程，所述过程包含：

抵消因微应力的堆积而产生的翘曲效应，所述微应力的堆积因用长波长激光器机器加工多个孔至部件而导致，所述抵消由固定件沿翘曲应力的相反方向对所述部件施加预应力至预定轮廓中而实现，所述翘曲应力由所述机器加工而导致；及

当所述部件由所述固定件固持于所述预定轮廓中时将所述多个孔机器加工至所述部件。

2.根据权利要求1所述的过程，其中所述固定件包含：

基底部分；

至少一个从所述基底部分延伸的指状件；及

压力板；

其中对所述部件施加预应力包含：

将所述部件的每一相对端啮合至所述基底部分和所述压力板中的一者以使所述至少一个指状件接触所述部件的下部表面且使所述部件挠曲至所述预定轮廓中；

且其中对所述部件进行机器加工包含：

从所述部件的上部表面到下部表面加工孔隙。

3.根据权利要求1或2所述的过程，其进一步包含：

加固引发高应力集中的所述部件的特征以防止所述特征在所述机器加工步骤期间屈曲，其中所述特征包括被加工在所述部件上的多个孔隙。

4.根据权利要求1或2所述的过程，其进一步包含：

将具有与引发高应力集中的所述部件的特征的精密配合的插入件放置到所述特征中以约束所述特征且防止所述特征在所述机器加工步骤期间屈曲。

5.根据权利要求1或2所述的过程，其进一步包含：

将可膨胀插入件放置到引发高应力集中的所述部件的特征中；及

使所述可膨胀插入件膨胀直到所述插入件具有与所述特征的精密配合以约束所述特征且防止所述特征在所述机器加工步骤期间屈曲。

6.根据权利要求1或2所述的过程，其中所述部件包括薄的铝平板。

7.一种用于使用长波长激光器机器加工部件的过程，其包含：

确定因微应力的堆积而产生的翘曲应力轮廓，所述微应力的堆积因用长波长激光器机器加工多个孔至部件而导致；

在预应力轮廓中对待机器加工的所述部件施加预应力，所述预应力轮廓具有与所述翘曲应力轮廓相反的方向；及

当将所述部件固持于所述预应力轮廓中以便抵消因微应力的堆积而产生的翘曲效应时用长波长激光器将所述多个孔机器加工至所述部件。

8.根据权利要求7所述的过程，其中所述固定件包含：

基底部分；

至少一个从所述基底部分延伸的指状件；及

压力板；

其中对所述部件施加预应力包含：

通过将所述部件的每一相对端啮合至所述基底部分和所述压力板中的一者以使所述至少一个指状件接触所述部件的下部表面且使所述部件挠曲至所述预应力轮廓中，从而在不使所述部件中的任何其它特征屈曲的情况下，将所述预应力轮廓中的所述部件固持于固定件中；

且其中对所述部件进行机器加工包含：

在将所述部件固持于所述固定件中时从所述部件的上部表面到下部表面加工孔隙。

9.根据权利要求7或8所述的过程，其进一步包含：

加固所述部件的引发高应力集中的特征以防止所述特征在所述机器加工步骤期间屈曲，其中所述特征包括被加工在所述部件上的多个孔隙。

10.根据权利要求9所述的过程，其中加固所述部件的特征包含：

将具有精密配合的插入件放置于所述特征内。

11.根据权利要求9所述的过程，其中加固所述部件的特征包含：

将可膨胀插入件放置到所述特征中；及

使所述可膨胀插入件膨胀直到所述插入件具有与所述特征的精密配合。

12.一种用于使用长波长激光器机器加工部件的设备，在所述设备中，改善包含：

固定件，其经配置以抵消因微应力的堆积而产生的翘曲效应，所述微应力的堆积因用长波长激光器机器加工多个孔至部件而导致，所述抵消由固定件沿翘曲应力的相反方向对所述部件施加预应力至预应力轮廓中而实现，所述翘曲应力由所述机器加工而导致。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述固定件包含：

基底部分；

至少一个从所述基底部分延伸的指状件；及

压力板；

其中通过啮合所述部件的每一相对端以使所述至少一个指状件接触所述部件的下部表面且使所述部件挠曲至所述预应力轮廓中，从而使所述固定件沿所述翘曲应力的所述相反方向对所述部件施加预应力。

14.根据权利要求12或13所述的设备，其中所述部件包括引发高应力集中的特征，所述固定件进一步包含：

加固部分，其加固所述特征以防止所述特征屈曲。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述加固部分包括至少一个插入件，所述至少一个插入件具有与所述部件的所述特征的精密配合以约束所述特征且防止所述特征屈曲。

16.根据权利要求14所述的设备，其中所述加固部分包括至少一个可膨胀插入件，所述至少一个可膨胀插入件经配置以放置到所述特征中且膨胀直到所述可膨胀插入件具有与所述特征的精密配合，以约束所述特征且防止所述特征屈曲。

17.根据权利要求12或13所述的设备，其中所述部件包括薄的铝平板。

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