CN102091864A - 激光加工装置及使用该激光加工装置的工具的激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置及使用该激光加工装置的工具的激光加工方法，该激光加工装置通过按照工具等的移动或旋转状态的激光加工获得高尺寸精度。一种向被加工对象物(I)照射镭射光(L)而进行加工的装置，其具备：激光照射机构(2)，根据所输入的触发信号振荡镭射光而向被加工对象物(I)进行照射；移动机构(4)，能够将被加工对象物(I)保持在旋转轴(6a)而使之移动或旋转的同时，将移动载物台的移动位移量或旋转轴(6a)的旋转位移量作为编码器信号输出；触发信号产生电路部(5)，对编码器信号进行计数的同时，按任意设定的计数数量向激光照射机构(2)输出触发信号。

Description

激光加工装置及使用该激光加工装置的工具的激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种适合于cBN工具等的加工的激光加工装置及使用该激光加工装置的工具的激光加工方法。

背景技术

通常，使用了作为超高压烧结体的cBN(立方晶氮化硼)烧结体的cBN工具通过对cBN烧结体进行电火花加工而加工成片状，钎焊于工具母材之后，用精密研磨装置进一步制作形状而作为切削刀片工具。将极小的刀片工具固定在精密研磨装置并进行研磨时，由于工具本身小，因此接触于砂轮时存在由于从钎焊部剥离或崩刀、松动等引起的尺寸精度下降等问题。

以往，作为用精密研磨装置以外加工工具的方法，例如在专利文献1中提出有通过基于镭射光的加工在圆片的前刀面形成倒截棱锥形状的凹坑的方法。另外，在该方法中为了对超高压烧结体的表面进行加工，使用通过检流计反射镜提高聚光性的波长1064nm的高输出脉冲YAG(钇铝石榴石)激光。

专利文献1：日本专利第3698207号公报

在上述以往的技术中留有以下课题。

即，在上述以往工具的激光加工技术中，由于采用通常的一般激光加工机，所以不仅需要能够高速旋转的大型电动机等装置本身较大且由于难以控制等而导致高成本，而且在使加工机动作之后的载物台或各轴启动的加速时或停止时的减速时，过度照射镭射光而有加工面变粗糙或得不到充分的尺寸精度等的问题点。

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通过按照工具等的移动或旋转状态的激光加工获得高尺寸精度的激光加工装置及使用该激光加工装置的工具的激光加工方法。

本发明为了解决上述课题采取了以下结构。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，根据所输入的触发信号振荡镭射光而向所述被加工对象物进行照射；移动机构，能够将所述被加工对象物保持在移动载物台或旋转轴而使之移动或旋转的同时，将所述移动载物台的移动位移量或所述旋转轴的旋转位移量作为编码器信号输出；触发信号产生电路部，对所述编码器信号进行计数的同时，按任意设定的计数数量向所述激光照射机构输出所述触发信号。

由于在该激光加工装置中具备触发信号产生电路部，该触发信号产生电路部对编码器信号进行计数的同时，按任意设定的计数数量向激光照射机构输出触发信号，因此按与所设定的计数数量对应的固定距离或旋转量照射1振荡量的镭射光，由此可以进行根据移动距离或旋转量的镭射光照射。从而，即使在加工时移动或旋转的被加工对象物的加减速区域中，也可以进行与固定速度区域同等的加工，能够抑制加工面的粗糙的同时得到高尺寸精度。尤其在想要决定加工起点和加工终点而进行激光加工时等，能够在整个加工区域中获得同样的加工性状。并且，无需使被加工对象物以固定速度高速移动或高速旋转，即可用小型电动机等使整个装置小型化。即，可以不依赖旋转位置、速度(加减速)而以同等间隔或重叠量照射镭射光，并可以进行加工起点及加工终点的定位。因此，即使以低速旋转时也可以模拟进行与高速移动或高速旋转时同样的加工，并且还可以降低电动机等的规格。

并且，本发明激光加工装置的特征在于，所述移动机构具备：所述移动载物台，能够使被保持的所述被加工对象物沿相互正交的3个方向移动；以及倾斜机构，能够使被保持的所述被加工对象物相对于水平轴倾斜，所述激光照射机构具备扫描所照射的镭射光的电扫描仪。

即，因为该激光加工装置中具备移动载物台、倾斜机构及电扫描仪，所以除了通常的X轴、Y轴、Z轴3个方向之外还可以沿倾斜方向移动被加工对象物，并且还用电扫描仪控制镭射光的照射方向，由此可以三维自如地控制镭射光对被加工对象物的照射位置及照射角度。

本发明的工具的激光加工方法，向作为被加工对象物钎焊于工具母材的片状烧结体照射镭射光而进行加工，其特征在于，具有：第1加工工序，通过上述本发明的激光加工装置对所述片状烧结体的加工面大致水平地照射镭射光；第2加工工序，在该第1加工工序之后，对所述片状烧结体的加工面大致垂直地照射镭射光，在所述第2加工工序中，将镭射光设定为低于所述第1加工工序的脉冲能量或高速扫描而进行照射。

即，在该工具的激光加工方法中，由于在第2加工工序中将镭射光设定为低于第1加工工序的脉冲能量或高速扫描而进行照射，因此用低脉冲能量的镭射光或高速扫描的镭射光平整第1加工工序的加工痕，可以光滑地且以高尺寸精度对片状烧结体的加工面进行加工。从而，能够在第1加工工序中切断成成品形状，且在第2加工工序中平整加工痕而成为粗研磨状态。

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，由于具备触发信号产生电路部，该触发信号产生电路部对编码器信号进行计数的同时，按任意设定的计数数量向激光照射机构输出触发信号，因此即使在被加工对象物的加减速区域中也可以进行与一定速度区域同等的加工，能够抑制加工面的粗糙的同时得到高尺寸精度。并且，根据使用该激光加工装置的本发明的工具的激光加工方法，由于在第2加工工序中将镭射光设定为低于所述第1加工工序的脉冲能量或高速扫描而进行照射，因此可以光滑地且以高尺寸精度加工片状烧结体的加工面。

从而，用精密研磨装置对cBN工具等进行研磨时，由于几乎用本发明的激光加工方法制作外观形状，因此可以防止砂轮接触时的由从钎焊部的剥离或崩刀、松动等引起的尺寸精度下降等，且可以大幅度延长作为消耗品的砂轮的寿命。并且，关于只通过基于镭射光的磨削便可以使用的工具，可以省略该研磨工序本身且能够以低成本制作。

附图说明

图1是本发明所涉及的激光加工装置及使用该激光加工装置的工具的激光加工方法的一实施方式中，表示激光加工装置的整体结构图。

图2是本实施方式中按工序顺序表示工具的激光加工方法的说明图。

图3是本实施方式中按工序顺序表示工具的激光加工方法的说明图。

图4是本实施方式中表示相对于开始旋转时的转速的编码器信号与触发信号的关系的图。

图5是本实施方式中表示编码器信号与触发信号的合成工序的流程图。

图6是本实施方式的情况及以往例子的情况中表示开始加工时的加工形状(截面)的示意图。

图7是本发明所涉及的工具的激光加工方法的以往例子(a)及实施例(b)中表示进行激光加工的加工面的加工痕的放大图。

符号说明

1-激光加工装置，2-激光照射机构，3-移动载物台，4-移动机构，5-触发信号产生电路部，6a-旋转轴，7-倾斜机构，10-电扫描仪，12-工具母材，13-片状烧结体，L-镭射光，I-被加工对象物。

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使用该激光加工装置的工具的激光加工方法的一实施方式。另外，在用于以下说明的各附图中，为了将各部件设为可识别或容易识别的大小而适当地变更比例尺。

本实施方式的激光加工装置1为向作为被加工对象物钎焊于工具母材的cBN烧结体等的片状烧结体照射镭射光而进行加工的装置，如图1所示具备：激光照射机构2，根据输入的触发信号振荡镭射光L而向被加工对象物I进行照射；移动机构4，能够将被加工对象物I保持在移动载物台3上的旋转轴6a而使之旋转的同时，将旋转轴6a的旋转位移量作为编码器信号输出；触发信号产生电路部5，对编码器信号进行计数的同时，按任意设定的计数数量向激光照射机构2输出触发信号。

上述移动机构4具备由以下构成的驱动机构：电动机6，将被加工对象物I保持在旋转轴6a的前端而使之旋转；移动载物台3，能够使被保持的被加工对象物I沿相互正交的3个方向移动；倾斜机构7，能够使被保持的被加工对象物I相对于水平轴倾斜；水平移动机构8，能够使保持被加工对象物I的电动机6沿水平方向移动。

上述移动载物台3由以下构成：X轴载物台部3x，可以沿与水平面平行的X方向移动；Y轴载物台部3y；设置于该X轴载物台部3x上并可以沿相对于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上并可以沿相对于水平面垂直的方向移动。

上述倾斜机构7具有倾斜台部7b，该倾斜台部在Z轴载物台部3z上配置倾斜轴7a而可以以任意的倾斜角度倾斜。

并且，上述水平移动机构8具有水平移动部8a，该水平移动部在倾斜台部7b上配置水平轴而可以沿水平方向移动。

上述电动机6设置于水平移动部8a上。

上述激光照射机构2具备：激光光源9，根据触发信号振荡镭射光；电扫描仪10，扫描所照射的镭射光；CCD摄像机11，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9成为如下结构：采用固体镭射光中热影响少的2倍波长到5倍波长，例如振荡并射出Nd:YAG镭射光的2倍波长即波长532nm的镭射光L。

该激光光源9与触发信号产生电路部5连接，从而若输入Q开关的触发信号则振荡上述波长的镭射光L。

镭射光L的脉冲能量设定为5mJ～0.2mJ。尤其在切断时设定为高脉冲能量5mJ～1mJ左右，在研磨时设定为低脉冲能量0.1mJ～0.5mJ左右，由此能够在短时间内获得表面粗糙度Rz＜2μm的研磨面。另外，即使在切断时投入高于5mJ的脉冲能量，切断速度也几乎不发生变化，并且若是低于2mJ的脉冲能量，则切断本身变得困难。并且，若在研磨时为低于0.2mJ的脉冲能量，则因加工去除物的影响导致加工深度不稳定，并且若是高于0.5mJ的脉冲能量，则加工面粗糙而难以得到表面粗糙度Rz＜2μm。

上述电扫描仪10配置于倾斜机构7及水平移动机构8的正上方。并且，上述CCD摄像机11与电扫描仪10相邻而设置。

上述触发信号产生电路部5设定成例如以相当于旋转轴6a的1/2850旋转的编码器信号的计数数量输出1次触发信号。

接着，参照图2至图5对使用本实施方式的激光加工装置1的工具的激光加工方法进行说明。

如图2(a)所示，本实施方式的激光加工方法例如为向作为被加工对象物I钎焊于工具母材12的cBN烧结体等的片状烧结体13照射镭射光L而进行加工的方法，具有：第1加工工序，通过上述激光加工装置1对片状烧结体13的加工面大致水平地照射镭射光L；第2加工工序，在该第1加工工序之后，对片状烧结体13的加工面大致垂直地照射镭射光L。

并且，在上述第2加工工序中，将镭射光L设定为低于第1加工工序的脉冲能量或高速扫描而进行照射。

若对该激光加工方法的一例进行详细叙述，则如图2(b)、(c)所示，首先作为第1加工工序，调整通过移动机构4的多轴控制保持的被加工对象物I的位置及倾斜度，使被加工对象物I移动及旋转的同时，通过用电扫描仪10扫描镭射光L而向加工面水平照射镭射光L，从而加工成成品形状。此时，镭射光L例如设定为波长532nm且0.5mJ/Pulse。

在此，实际的角度为使倾斜机构7的倾斜轴7a动作如下量：在指定的锥度加上镭射光L的加工角度的量。例如，指定的角度为20度时，使倾斜轴7a与在加上镭射光L的加工角度(例如6度)的26度对齐。此时，用加工位置确认用的CCD摄像机11确认加工位置。确认之后，使移动载物台3向镭射光照射位置动作，用电扫描仪10沿着工具母材12照射镭射光L而进行加工。另外，工具母材12的其他边也同样地进行加工。

接着，用上述CCD摄像机11决定片状烧结体13的刀尖半径部分的加工开始位置。使移动载物台3向镭射光照射位置动作，驱动电动机6而使旋转轴6a旋转。此时，使镭射光L的触发信号与旋转轴6a的编码器信号同步。

即，关于片状烧结体13的刀尖半径部分，对旋转轴6a的编码器信号进行计数，产生按照移动距离的镭射光L的触发信号，由此在移动机构4(在本工序中为电动机6)的加减速区域中也能够进行与固定速度区域相同的加工。例如，如图6的(a)所示，在以往的激光加工方法中，被加工对象物I的加工形状(截面)在加工开始之后的转速的加速区域中，与成为固定转速的区域相比重叠更多加工痕而加工成比固定转速区域更深且更宽，相反在本实施方式的激光加工方法中，如图6的(b)所示，加工开始之后也以与固定转速区域同样的间隔形成加工痕。

另外，此时如图5所示，就编码器信号与触发信号的合成而言，若输出编码器信号(步骤S1)，则触发信号产生电路部5的计数器对编码器信号进行计数(步骤S2)，按由外部数据输入来设定的计数数量(以几μm为1次等)输出1次触发信号，使镭射光L从激光光源9产生1发射量(步骤S3)。此时，产生的镭射光L设定成由外部数据输入来设定的脉冲宽度。另外，输出的触发信号通过巨脉冲控制电路被设定在由外部数据输入来设定的激光频率等的条件(步骤S4)，通过RF(高频)驱动器输出至激光光源9的Q开关(步骤S5)。

接着，作为第2加工工序如下操作：如图3(a)所示，用倾斜机构7使被加工对象物I倾斜，控制在与加工面垂直地照射镭射光L的角度，如图3(b)所示，通过低于第1加工工序的脉冲能量或高速扫描照射镭射光L而进行研磨并平整第1加工工序中残留的加工痕。

此时，镭射光L例如设定为波长532nm且0.02mJ/Pulse。并且通过用激光束的聚光直径的1/3左右的节距扫描，可以使基于镭射光L的研磨面成为表面粗糙度Rz＜2μm。

如上所述，在第1加工工序中通过用高输出或脉冲能量照射镭射光L，能够以较短的加工时间制作粗略形状。此时，切断面由按照镭射光L的脉冲形状的加工痕粗糙，但在第2加工工序中通过用低脉冲能量或高速扫描的镭射光L的照射，可以平整镭射光L的加工痕，而成为粗研磨状态(表面粗糙度Rz＜2μm)。

并且，关于片状烧结体13的刀尖半径部分，当使用基于以往的激光加工机的电扫描仪的激光加工方法时，难以对应刀尖半径部分的锥度，但在本实施方式中可根据脉冲的同步以及旋转轴6a的动作制作带锥度的刀尖半径部分。

如此，由于本实施方式的激光装置加工装置1中具备触发信号产生电路部5，该触发信号产生电路部对编码器信号进行计数的同时，按任意设定的计数数量向激光照射机构2输出触发信号，因此，通过按与所设定的计数数量对应的固定距离或旋转量照射1振荡量的镭射光L，可以根据移动距离或旋转量进行镭射光照射。从而，在加工时移动或旋转的被加工对象物I的加减速区域中，也可以进行与固定速度区域同等的加工，能够抑制加工面粗糙的同时，得到高尺寸精度。

尤其在想要决定加工起点和加工终点而进行激光加工时等，能够在整个加工区域获得同样的加工性状。并且，无需使被加工对象物I以固定速度高速移动或高速旋转，可以用小型电动机等使整个装置小型化。即，可以不依赖旋转位置、速度(加减速)以相同间隔或重叠量照射镭射光L，并可以进行加工起点及加工终点的定位。因此，即使以低速旋转时也可以模拟进行与高速移动或高速旋转时同样的加工，并且也可以降低电动机等的规格。

并且，因为具备移动载物台3、倾斜机构7及电扫描仪10，所以除了通常的X轴、Y轴、Z轴3个方向之外还可以沿倾斜方向移动被加工对象物I，并且还用电扫描仪10控制镭射光L的照射方向，由此可以三维自如地控制镭射光对被加工对象物I的照射位置及照射角度。

并且，在本实施方式的激光加工方法中，由于在第2加工工序中将镭射光L设定为低于第1加工工序的脉冲能量或高速扫描而进行照射，因此可以用低脉冲能量的镭射光L或高速扫描的镭射光L平整第1加工工序的加工痕，光滑地且以高尺寸精度加工片状烧结体13的加工面。从而，能够在第1加工工序中切断成成品形状，在第2加工工序中平整加工痕而成为粗研磨状态。

[实施例1]

接着，参照图7对使用上述实施方式的激光加工装置对工具进行实际加工的实施例进行说明。

在图7(a)中表示，将Si晶片作为被加工对象物，使用上述实施方式的激光加工装置将其表面加工成直线状的表面的放大图像。另外，在图7(b)中表示，作为以往例子通过以往的激光加工同样加工的表面的放大图像。

从该结果可知，在以往的激光加工中，被加工对象物的加工形状(截面)在加工开始之后重叠许多加工痕而加工成比其他区域宽的宽度，相反在本实施例的激光加工中，加工开始之后也以与其他区域同样的间隔形成加工痕，并在整体中以均等的宽度加工。

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添加各种变更。

例如，也可以将上述实施方式中的倾斜机构的倾斜载物台替换成测角载物台等。另外，除了将加工位置确认用的CCD摄像机与电扫描仪相邻而设置之外，也可以与设置于激光照射机构的加工光学系统光学地设置在同轴上。

并且，在上述实施方式中，将被加工对象物保持在旋转轴上而使之旋转的同时，将旋转轴的旋转位移量作为编码器信号输出，但在使之向特定方向滑动时，即在将被加工对象物保持在移动载物台而使之向单向移动时也可以应用，可以将移动载物台的移动位移量作为编码器信号输出。

另外，使移动机构中的各驱动机构同步动作，并且输出各编码器信号，分别对应地在触发信号产生电路部设置计数器，用加法器合成其输出，使用比较器从2轴以上的编码器信号产生触发信号，由此可以实施三维下的移动随动加工或螺旋方式的加工。由此不仅可以应用于刀片工具而且还可应用于钻头或立铣刀之类的工具。进一步通过利用编码器信号的合成，使水平移动机构的功能根据X轴与Z轴的同步实现，可以使水平移动所涉及的机构进一步简化。

工业实用性

本发明的激光加工装置及使用该激光加工装置的工具的激光加工方法用于微小刀片工具等的加工，尤其适合于使用cBN烧结体等的超高压烧结体的工具的加工。

Claims (3)

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，根据所输入的触发信号振荡镭射光而向所述被加工对象物进行照射；

移动机构，能够将所述被加工对象物保持在移动载物台或旋转轴而使之移动或旋转的同时，将所述移动载物台的移动位移量或所述旋转轴的旋转位移量作为编码器信号输出；以及

触发信号产生电路部，对所述编码器信号进行计数的同时，按任意设定的计数数量向所述激光照射机构输出所述触发信号。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述移动机构具备：所述移动载物台，能够使被保持的所述被加工对象物沿相互正交的3个方向移动；以及

倾斜机构，能够使被保持的所述被加工对象物相对于水平轴倾斜，

所述激光照射机构具备扫描所照射的镭射光的电扫描仪。

3.一种工具激光加工方法，向作为被加工对象物钎焊于工具母材的片状烧结体照射镭射光而进行加工，其特征在于，具有：

第1加工工序，根据权利要求1或2所述的激光加工装置对所述片状烧结体的加工面大致水平地照射镭射光；以及

第2加工工序，在该第1加工工序之后，对所述片状烧结体的加工面大致垂直地照射镭射光，

在所述第2加工工序中，将镭射光设定为低于所述第1加工工序的脉冲能量或高速扫描而进行照射。

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