CN102091863A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置及激光加工方法，其能够得到更高表面精度。该激光加工装置具备：激光照射机构，振荡镭射光并以固定的重复频率向被加工对象物照射的同时能够进行扫描；移动机构，能够保持并移动被加工对象物；控制部，进行如下加工，即控制激光照射机构以固定速度的圆周运动扫描镭射光的同时，控制移动机构使被加工对象物以固定的移动速度向特定方向移动的加工，并设定此时的镭射光的轨迹组的位置，其中，该控制部错开镭射光的轨迹组而多次进行所述加工的同时，进行如下设定，即重叠一部分相互重叠的镭射光的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光的照射稠密的部分。

Description

激光加工装置及激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置及激光加工方法，其适合于使用烧结金刚石或cBN的工具等的加工。

背景技术

通常，使用烧结金刚石、cBN(立方晶氮化硼)的部件或工具，或者用由气相合成等制作的金刚石、DLC(类金刚石)等的碳膜包覆表面的部件或工具等通过磨削等的力学加工方法整形表面的凹凸。

但是，烧结金刚石或cBN等的工具或金刚石等的碳膜等在力学上坚固，并且难以用每当加工时变形的砂轮等施以精密级的精密加工，尤其是表面加工。

因此，正在研究向如上述的工具或碳膜等照射镭射光而进行加工的方法。例如，在专利文献1中提出有在金刚石的表面照射镭射光且扫描而消除凸部的金刚石的激光研磨方法。并且，在专利文献2中提出有以特定的角度在用CVD法合成于基板表面的金刚石膜照射镭射光而使之平滑的方法。另外，在专利文献3中提出有在具有由金刚石或cBN构成的硬质烧结体的切削工具形成断屑槽的方法，即在硬质烧结体表面照射飞秒脉冲激光，使其束光点高速公转的同时移动，在表面形成三维形状的断屑槽图案的方法。

专利文献1：日本专利第3096943号公报

专利文献2：日本专利公开2008-207223号公报

专利文献3：日本专利公开2007-216327号公报

在上述以往的技术中留有以下课题。

即，在上述以往的激光加工技术中对工具或碳膜边照射镭射光边扫描，但是仅沿固定方向扫描的同时重叠轨迹的一部分而加工，或者使其公转的同时扫描而描绘出螺旋形状的轨迹来进行加工，因此镭射光照射中必然产生疏密而在加工痕迹上产生不均匀，难以得到高表面精度。并且，在专利文献1中，使移动速度均等或调整脉冲宽度，以使激光束的每线长的照射量均匀，但是为了不间断地进行加工需要将轨迹彼此重叠某种程度而进行加工，此时也在镭射光照射中产生疏密而难以得到高表面精度。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够得到更高的表面精度的激光加工装置及激光加工方法。

本发明为了解决所述课题采用了以下结构。即本发明的激光加工装置为向被加工对象物照射镭射光而进行加工的装置，其特征在于，具备：激光照射机构，振荡镭射光并以固定的重复频率向所述被加工对象物照射的同时能够进行扫描；移动机构，能够保持并移动所述被加工对象物；控制部，进行如下加工，即控制所述激光照射机构以固定速度的圆周运动扫描镭射光的同时，控制所述移动机构使所述被加工对象物以固定的移动速度向特定方向移动的加工，并设定此时的镭射光的轨迹组的位置，该控制部错开镭射光的轨迹组而多次进行所述加工的同时，进行如下设定，即重叠一部分相互重叠的镭射光的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光的照射稠密的部分。

本发明的激光加工方法为向被加工对象物照射镭射光而进行加工的方法，其特征在于，具有以下工序：利用激光照射机构振荡镭射光并以固定的重复频率向所述被加工对象物照射的工序；利用移动机构保持并移动所述被加工对象物的工序；利用控制部进行如下加工，即控制所述激光照射机构以固定速度的圆周运动扫描镭射光的同时，控制所述移动机构使所述被加工对象物以固定的移动速度向特定方向移动的加工，并设定此时的镭射光的轨迹组的位置的工序，该控制部错开镭射光的轨迹组而多次进行所述加工的同时，进行如下设定，即重叠一部分相互重叠的镭射光的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光的照射稠密的部分。

在这些激光加工装置及激光加工方法中，由于控制部错开镭射光的轨迹组而多次进行所述加工的同时，设定为重叠一部分相互重叠的镭射光的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光的照射稠密的部分，所以轨迹组彼此可由照射稠密的部分和稀疏的部分互补，并且以整体均匀的照射疏密状态进行面加工，并能够得到高表面精度。

另外，在本发明中将以固定速度的圆周运动扫描镭射光的同时使被加工对象物以固定的移动速度向特定的方向移动的1次加工中的镭射光的轨迹作为1次(1条的量)的轨迹组。

并且，本发明的激光加工装置优选所述控制部进行将一部分相互重叠的镭射光的轨迹组仅重叠该轨迹组的宽度的0.1～0.8倍量的设定。

即，在该激光加工装置中，由于控制部如下设定，即将一部分相互重叠的镭射光的轨迹组仅重叠该轨迹组的宽度的0.1～0.8倍量，所以能够进行考虑到镭射光的光点密度的良好的加工。

将轨迹组的重叠宽度设定在上述范围的理由为如下：重叠轨迹组的宽度不到0.1倍时或超过0.8倍时，由于照射于被加工对象物的单位面积的镭射光的光点密度在轨迹组的宽度方向的两端区域高，所以通过光点密度高的上述两端区域重叠将导致加工面的凹凸被进一步强调，变得难以得到高表面精度。另外，还有以下缺点：若重叠轨迹组的宽度超过0.8倍，则由于被加工的面积变小，所以得不到提高加工生产量的优点。

并且，本发明的激光加工装置的特征在于，所述激光照射机构能够照射波长190～550nm的镭射光。

即，在该激光加工装置中，由于激光照射机构能够照射波长190～550nm的镭射光，所以通过短波长且高能量的镭射光能够抑制由碳化或加热对烧结金刚石、cBN或金刚石膜等产生的影响而进行高精度的加工。

另外，将镭射光的波长设定在上述范围的理由为如下：若波长不到190nm，则难以在真空紫外区域内的空气中传播，从而加工效率差，若波长超过550nm，则由于金刚石、cBN、氧化铝等吸收率下降并有热影响，所以得不到加工精度。

根据本发明得到以下效果。

即，根据本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法，由于控制部错开镭射光的轨迹组而多次进行加工的同时，设定为重叠一部分相互重叠的镭射光的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光的照射稠密的部分，所以轨迹组彼此可由照射稠密的部分和稀疏的部分互补，并且以整体均匀的照射疏密状态进行面加工，并能够得到高表面精度。

从而，若使用本发明的激光加工装置及激光加工方法，则能够在切削工具或模具等的加工中，以表面粗糙度Ra为0.2μm以下的高表面精度进行表面性状的精加工。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法的一实施方式中，激光加工装置的整体结构图。

图2是表示本实施方式中1个轨迹组的情况和重叠3个轨迹组的情况下镭射光的光点位置的示意图。

图3是以浓淡表示本实施方式中1个轨迹组的情况和重叠3个轨迹组的情况下镭射光的照射密度的示意图。

图4是表示本实施方式中所重叠的3个轨迹组的图。

图5是表示本实施方式中所重叠的3个轨迹组中的镭射光的光点位置的图。

图6是表示本实施方式中合成所重叠的3个轨迹组和各轨迹组中的镭射光的光点位置的图。

符号说明

1-激光加工装置，2-激光照射机构，3-移动机构，4-控制部，6-电扫描仪，I-被加工对象物，L-镭射光。

具体实施方式

以下，参照图1至图6说明本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法的一实施方式。另外，在用于以下说明的各图中，为了将各部件设为可识别或容易识别的大小而适当变更了比例尺。

如图1所示，本实施方式的激光加工装置1为向被加工对象物I照射镭射光L而进行加工的装置，其具备有：激光照射机构2，其振荡镭射光L并以固定的重复频率向被加工对象物I照射的同时可以进行扫描；移动机构3，可以保持并移动被加工对象物I；控制部4，进行如下加工，即控制激光照射机构2以固定速度的圆周运动扫描镭射光L的同时，控制移动机构3使被加工对象物I以固定的移动速度向特定的方向移动的加工，并设定此时的镭射光L的轨迹组的位置。

作为上述被加工对象物I，例如为切削工具或模具，被加工的表面由烧结金刚石、cBN、通过气相合成成膜的金刚石膜等构成。

上述移动机构3由以下构成：X轴载物台部3x，能够沿与水平面平行的X方向移动；Y轴载物台部3y，设置于该X轴载物台部3x上并且可沿相对于X方向垂直且与水平面平行的Y方向移动，Z轴载物台部3z，设置于该Y轴载物台部3y上并且能够保持被加工对象物I的同时可沿相对于水平面垂直的方向移动。

上述激光照射机构2具备有：激光光源5，其根据Q开关的触发信号振荡镭射光L并且还具有使镭射光L聚光成光点状的光学系统；电扫描仪6，扫描所照射的镭射光L；CCD摄像机7，为了确认加工位置而拍摄被保持的被加工对象物I。

上述激光光源5能够照射波长190～550nm的镭射光，例如在本实施方式中，能够振荡并射出波长262nm的镭射光L。

上述电扫描仪6配置于移动机构3的正上方。并且，上述CCD摄像机7与电扫描仪6邻接而设置。

上述控制部4错开镭射光L的轨迹组而多次进行所述加工的同时，进行重叠一部分相互重叠的镭射光L的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光L的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光L的照射稠密的部分的设定。

并且，该控制部4优选进行将一部分相互重叠的镭射光L的轨迹组仅重叠该轨迹组的宽度的0.1～0.8倍量的设定。

上述控制部4基于以下定义式：

镭射光L的单位照射时间(t)＝1/镭射光L的重复频率(Hz)、

被加工对象物I的水平方向移动距离(Xh)＝单位照射时间(t)×移动速度(Vx)，

并基于由以下计算式：

镭射光L的轨迹的X坐标(X)＝旋转半径(R)×cos(每单位照射时间的移动角度(ω)×单位照射时间(t))+水平方向移动距离(Xh)、

镭射光L的轨迹的Y坐标(Y)＝旋转半径(R)×sin(每单位照射时间的移动角度(ω)×单位照射时间(t))

计算的轨迹的X坐标及Y坐标控制激光照射机构2及移动机构3。

接着，参照图2至图7对使用本实施方式的激光加工装置1的激光加工方法进行说明。

在本实施方式的激光加工方法中，例如控制部4通过激光照射机构2对被加工对象物I的想要进行表面加工的面将波长190～550nm的镭射光L聚光成直径0.08mm以下的光点直径，并使其以圆周速度10～5000mm/s的圆周运动扫描的同时，再通过移动机构3使被加工对象物I以固定速度移动。此时，控制部4以基于由上述计算式得到的轨迹的X坐标及Y坐标的激光束的轨迹组进行加工。并且，扫描的激光束的峰值功率密度设成0.8MW/cm2～1.5MW/cm2。另外，镭射光L的重复频率例如以1～200kHz来使用。

此时，激光束的圆周运动的圆周速度与被加工对象物I的移动速度有如下关系。

移动速度＝圆周速度/(8～15)

另外，如上所述，进行以该轨迹组涂满加工对象范围的操作。即，错开镭射光L的轨迹组而多次进行上述加工的同时，重叠一部分相互重叠的镭射光L的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光L的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光L的照射稠密的部分。此时，与相邻的轨迹组的重叠仅重叠轨迹组的宽度的0.1～0.8倍量。

例如，如图2(a)及图3(a)所示，1个轨迹组中的镭射光L的光点位置在轨迹组的宽度内产生镭射光L的照射密度高的部分L1(照射稠密的部分)和低的部分L2(照射稀疏的部分)。即在轨迹组的宽度方向上的边缘侧区域产生照射密度高的部分L1，在其之间的内侧区域产生照射密度低的部分L2。因此，如图2(b)及图3(b)所示，可通过在邻接的轨迹组中的使镭射光L的照射稀疏的部分重合在稠密的部分，将第2条以及第3条轨迹组相对于第1条轨迹组降低宽度方向上的照射密度的疏密而被均匀化，从而能够进行平坦加工。另外，在图2中，黑圆部分为镭射光的光点，曲线为镭射光的轨迹。

此时，产生于轨迹组的疏密状态通过变动上述圆周运动、上述移动速度、镭射光L的脉冲条件从而改变，因此使控制部4对应于此时的疏密状态用上述方法重合轨迹组彼此。

另外，在图4至图6中表示更详细图示的重叠的3个轨迹组，重叠的3个轨迹组中的镭射光的光点位置及合成重叠的3个轨迹组与各轨迹组中的镭射光的光点位置的图。

如此，在本实施方式的激光加工装置1中，由于控制部4设定为重叠一部分相互重叠的镭射光L的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光L的照射稀疏的部分L2和另一方的轨迹组中的镭射光L的照射稠密的部分L1，所以轨迹组彼此可由照射稠密的部分和稀疏的部分互补，以整体均匀的照射疏密状态加工面，并能够得到高表面精度。

并且，由于控制部4设定为将一部分相互重叠的镭射光L的轨迹组仅重叠该轨迹组的宽度的0.1～0.8倍量，所以能够进行考虑到镭射光L的光点密度的良好的加工。

另外，由于激光照射机构2能够照射波长190～550nm的镭射光L，因此能够通过短波长且高能量的镭射光L抑制由碳化或加热对烧结金刚石、cBN或金刚石膜等产生的影响而进行高精度的加工。

[实施例1]

接着，对使用上述实施方式的激光加工装置而实际加工的实施例进行说明。

另外，作为被加工对象物采用了通过CVD法成膜的表面粗糙度Ra：8μm的金刚石膜。

对于该金刚石膜，将光点内的功率密度为高斯分布的波长262nm的镭射光设定为峰值功率密度0.8MW/cm2，使镭射光以直径80μm的圆周运动(即轨迹组的宽度)扫描，同时使被加工对象物以420mm/s的速度相对于加工面平行移动而进行加工。此时，激光束的圆周运动的圆周速度设为4200mm/s。在该条件下利用控制部以上述的方法使镭射光的轨迹组相互局部重叠，并进行了以多个轨迹组涂满加工对象范围的操作。另外，此时，将与相邻轨迹组的重叠设为40μm。通过该激光加工获得了金刚石膜的表面粗糙度为Ra0.2μm的高表面精度的加工。

另外，本发明的技术范围不限于上述实施方式及实施例，在不脱离本发明宗旨的范围内可以施加各种变更。

工业实用性

本发明的激光加工装置及激光加工方法尤其适宜于切削工具或模具等的加工中表面性状的精加工等。

Claims (4)

1.一种激光加工装置，向被加工对象物照射镭射光而进行加工，其特征在于，具备：

激光照射机构，振荡镭射光并以固定的重复频率向所述被加工对象物照射的同时能够进行扫描；

移动机构，能够保持并移动所述被加工对象物；

控制部，进行如下加工，即控制所述激光照射机构以固定速度的圆周运动扫描镭射光的同时，控制所述移动机构使所述被加工对象物以固定的移动速度向特定方向移动的加工，并设定此时的镭射光的轨迹组的位置，

该控制部错开镭射光的轨迹组而多次进行所述加工的同时，进行如下设定，即重叠一部分相互重叠的镭射光的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光的照射稠密的部分。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述控制部进行将一部分相互重叠的镭射光的轨迹组仅重叠该轨迹组的宽度的0.1～0.8倍量的设定。

3.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，

所述激光照射机构能够照射波长190～550nm的镭射光。

4.一种激光加工方法，向被加工对象物照射镭射光而进行加工，其特征在于，具有以下工序：

利用激光照射机构振荡镭射光以固定的重复频率向所述被加工对象物照射的工序；

利用移动机构保持并移动所述被加工对象物的工序；

利用控制部进行如下加工，即控制所述激光照射机构以固定速度的圆周运动扫描镭射光的同时，控制所述移动机构使所述被加工对象物以固定的移动速度向特定方向移动的加工，并设定此时的镭射光的轨迹组的位置的工序，

该控制部错开镭射光的轨迹组而多次进行所述加工的同时，进行如下设定，即重叠一部分相互重叠的镭射光的轨迹组中一方的轨迹组中的镭射光的照射稀疏的部分和另一方的轨迹组中的镭射光的照射稠密的部分。

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