CN102310266A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在三维加工中，可得到更高尺寸精确度的激光加工装置及激光加工方法，一种加工装置，向加工对象物(5)照射激光束(L)而进行形状形成，其具备：激光照射机构(22)，向加工对象物照射激光束的同时进行扫描；位置调整机构，可保持加工对象物来调整该加工对象物与激光束的相对位置关系；及控制部(25)，控制这些机构，其中，激光照射机构照射射束截面的光强度分布为高斯分布的激光束，控制部将加工对象物的加工区域分割为在加工前形状和设计上的加工后形状两方中激光束相对于加工面的角度不到50°的多个区域，并控制激光照射机构和位置调整机构，对分割后的每个区域扫描并照射激光束。

Description

激光加工装置及激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种能够以高尺寸精确度进行三维加工的激光加工装置及激光加工方法。

背景技术

近年来，迄今为止用磨刀石切削加工的部件等的形态形成(形状形成)中也使用照射激光束(激光)而进行加工的激光加工装置。例如，专利文献1中记载有一种具备具有刀刃部的金刚石刀片和立铣刀主体的立铣刀，使用了利用基于紫外线激光的激光加工剪切前刀面剪切部的单晶金刚石。另外，该立铣刀的构成刀刃的部分也是通过用磨刀石或自由磨粒研磨而形成的。

这种激光加工装置要求以高尺寸精确度进行加工，例如，专利文献2中提出有具备沿着激光的照射方向可移动保持加工对象物的加工台的同时，为了变换激光向加工对象物的照射角度而倾斜加工台的3自由度载物台的激光加工装置。即，该激光加工装置通过使设置有加工对象物的载物台倾斜来改变照射的激光束和加工对象物的角度，以使激光束的边缘曲面内接于加工区域的边缘曲面。由此，使激光束的聚光点与加工对象物一致，抑制成圆锥形的激光束的聚光点以外照射到加工对象物而导致的加工精确度的恶化。

专利文献1：日本专利第4339573号公报

专利文献2：日本专利公开2000-334594号公报

上述以往技术中，留有以下课题。

用上述以往的激光加工装置进行激光加工时，即使仅使激光束的聚光点与加工对象物的表面一致，也因照射的激光束与加工面所成的角度而存在加工后的形态发生变化，尺寸精确度变差等情况。即，激光束中，通常射束截面的光强度分布具有高斯分布，如图14所示，因为越是激光束L的中心强度越高，因此越靠激光束L的中心越进行深加工的同时，越靠周边越进行浅加工，并在加工对象物5的照射激光的加工部分5a的侧面产生一定的倾斜而导致加工形状走形。因此，即使倾斜加工对象物使圆锥形的激光束的边缘曲面内接于加工区域的边缘曲面，也会因为射束截面的光强度分布而使加工部分的侧面倾斜，从而得不到高尺寸精确度。尤其对加工对象物进行三维加工时，上述以往的激光加工装置中需要对应于加工对象物的三维形状而细微频繁地变更加工对象物的斜度，基于载物台斜度控制复杂，难以实用化。例如，球头立铣刀等作为加工对象物时，难以通过激光加工三维地形成需要高尺寸精确度或较小表面粗糙度的刀刃等的形状。

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在三维加工中得到更高尺寸精确度的激光加工装置及激光加工方法。

本发明为了解决上述课题而采用了以下结构。即，本发明的激光加工装置向加工对象物照射激光束而进行形状形成，其特征在于，具备：激光照射机构，向所述加工对象物照射所述激光束的同时进行扫描；位置调整机构，可保持所述加工对象物来调整该加工对象物与所述激光束的相对位置关系；及控制部，控制这些机构，其中所述激光照射机构照射射束截面的光强度分布为高斯分布的激光束，所述控制部将所述加工对象物的加工区域分割为在加工前形状和设计上的加工后形状两方中所述激光束相对于加工面的角度不到50°的多个区域，并控制所述激光照射机构和所述位置调整机构，对所述分割的每个区域扫描并照射所述激光束。

并且，本发明的激光加工方法其向加工对象物照射激光束而进行形状形成，其特征在于，具有：激光照射工序，向所述加工对象物照射所述激光束的同时进行扫描；及位置调整工序，保持所述加工对象物来调整该加工对象物与所述激光束的相对位置关系，其中，照射射束截面的光强度分布为高斯分布的所述激光束，将所述加工对象物的加工区域分割成在加工前形状和设计上的加工后形状的两方中所述激光束相对于加工面的角度不到50°的多个区域，并对所述分割的每个区域扫描并照射所述激光束。

在这些激光加工装置及激光加工方法中，将所述加工对象物的加工区域分割成在加工前形状和设计上的加工后形状的两方中激光束相对于加工面的角度不到50°的多个区域，并对分割的每个区域扫描并照射激光束，所以能够在分割区域内的加工面整个区域中以较小表面粗糙度且高尺寸精确度形成形状。即，通过将在加工前形状和设计上的加工后形状的两方中激光束相对于加工面的角度(激光束的传播方向与照射激光束的面的法线方向所成的角)设定为不到50°，即设定为考虑了射束截面的光强度分布的角度，而不易受到高斯分布的光强度分布的影响，加工形状不走形，而能够以较小表面粗糙度且高尺寸精确度进行形状形成。而且，将加工区域分割为激光束的角度不到50°的多个区域，并对分割的每个区域进行扫描并照射激光束，因此在分割区域内不需要如在激光束扫描中使加工对象物斜度变化这样的复杂的载物台控制等，能够容易对分割区域内的加工面整个区域以高尺寸精确度形成形状。

并且，本发明的激光加工装置的特征在于，所述激光照射机构将所述激光束的射束截面形状设为椭圆形，并使所述激光束的扫描方向与上述射束截面形状的长轴方向或短轴方向一致。

若激光束的扫描方向不与光强度分布的长轴方向或短轴方向一致，而是相对于长轴或短轴倾斜的方向，则扫描末端部分的加工形状倾斜而产生偏移，但本发明的激光加工装置中，因为使激光束的扫描方向与射束截面形状的长轴方向或短轴方向一致，所以扫描末端部分的加工形状不倾斜且不易产生偏移，所以能够更准确地形成形状。

并且，本发明的激光加工装置的特征在于，在进行所述激光束的扫描时，所述控制部将所述加工区域设定成在所述激光束的照射方向上堆积多个加工层的区域，对各加工层照射所述激光束来对每个所述加工层去除规定部分，从而形成三维形状的加工面。

即，该激光加工装置中，因为对各加工层照射激光束来对每个加工层去除规定部分，从而形成三维形状的加工面，所以加工层的分辨率(厚度)和加工层本身的平滑度可以衡量加工后的表面精确度(Rz或Ra等)，可以高精确度地设定表面粗糙度。并且，激光加工的该各加工层的面成为形成有网目状的细微凹凸的表面粗糙度小且高表面精确度的加工面，所述网目状细微凹凸由相互大致平行并列延伸的多个细微长槽和在邻接的细微长槽间向该邻接方向延伸的多个细微短槽构成。

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，因为将加工对象物的加工区域分割成在加工前形状和设计上的加工后形状的两方中激光束相对于加工面的角度不到50°的多个区域，并对分割的每个区域进行扫描的同时照射激光束，所以不需要如在扫描中使加工对象物斜度变化这样的复杂的控制，能够在分割区域内的加工面整个区域以较小表面粗糙度且高尺寸精确度形成形状。

因此，本发明的激光加工装置及激光加工方法，例如适用于直径2mm以下的小直径球头立铣刀等切削工具的三维形状加工。

附图说明

图1是本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法中表示激光加工装置的简要整体结构图。

图2是本实施方式中表示激光束的扫描方向与激光束的截面形状的关系的说明图。

图3是本实施方式中表示设计上的加工面和实际的加工面相对于激光束的照射角度的倾斜角偏移的说明图。

图4是本实施方式中表示相对于激光束的照射角度的倾斜角偏移的图表。

图5是本实施方式中表示激光束相对于加工前的加工面与设计上的加工后的加工面的照射角度的说明图。

图6是本实施方式中表示每个加工层的加工的说明图。

图7是本实施方式中表示加工面的细微凹凸的示意图。

图8是本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法的实施例中表示作为加工对象物的加工后的立铣刀的工具前端部的侧视图及顶视图。

图9是本实施例中表示作为加工对象物的加工后的立铣刀的整体的侧视

图。

图10是本实施例中表示激光束与加工面的关系的2分割加工的方法(a)和本实施方式的以4分割加工的方法(b)的说明图。

图11是本实施例中表示在外周方向上4分割加工加工区域的工序的说明图。

图12是本实施例中表示形成形状的加工面的放大图像。

图13是本实施例中表示形成形状的设计值和实施例的测定值的图表。

图14是表示照射激光束而被加工的部分的截面形状的概念图。

符号说明

5-加工对象物，10-立铣刀(加工对象物)，22-激光照射机构，23-旋转机构(位置调整机构)，24-移动机构(位置调整机构)，25-控制部，29、29a、29b、29c、29d-加工面，30-加工层，L-激光束。

具体实施方式

以下，参照图1至图7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，在以下说明中使用的各附图中，为了将各部件设为可识别或容易识别的大小，有根据需要适当变更比例尺的部分。

如图1所示，本实施方式的激光加工装置21为向加工对象物5照射激光束(激光)L而进行三维加工的装置，其具备有：激光照射机构22，其脉冲振荡激光束L，并以一定的重复频率向加工对象物5进行照射的同时进行扫描；电动机等旋转机构23，能够保持加工对象物5并旋转；移动机构24，设置有该旋转机构23并可移动；以及控制这些的控制部25。另外，通过旋转机构23和移动机构24构成位置调整机构，该位置调整机构可保持加工对象物5并调整该加工对象物5与激光束L的相对位置关系。

上述移动机构24由如下构成：X轴载物台部24x，可向平行于水平面的X方向移动；Y轴载物台部24y，设置于该X轴载物台部24x上且可向相对于X方向垂直且平行于水平面的Y方向移动；以及Z轴载物台部24z，设置于该Y轴载物台部24y上且固定有旋转机构23并可保持加工对象物5的同时，可以向相对于水平面垂直的方向移动。

上述激光照射机构22具备有：激光光源26，通过Q开关的触发信号振荡成为激光束L的激光的同时，还具有聚光成点状的光学系统；电扫描仪27，扫描照射的激光束L；以及CCD摄像机28，为了确认被保持的加工对象物5的加工位置而进行拍摄。

通过该激光照射机构22射出的激光束L为单一模式，射束截面的光强度分布为高斯分布的同时，如图2所示，聚光点中射束截面的光强度分布为椭圆形。

另外，激光照射机构22使激光束L的扫描方向与椭圆形的上述光强度分布的长轴方向或短轴方向一致。这是因为，若激光束L的扫描方向与上述光强度分布的长轴方向或短轴方向不一致，且为对长轴或短轴倾斜的方向，则会导致扫描末端部分的加工形状倾斜而产生偏移。另外，图2中，使激光束L的扫描方向与上述光强度分布的短轴方向一致。

上述激光光源26可使用能够照射190～550nm中的任意波长的激光的光源，例如在本实施方式中使用能够振荡且射出波长355nm的激光的光源。

上述电扫描仪27配置于移动机构24的正上方。并且，上述CCD摄像机28与电扫描仪27邻接设置。

上述控制部25将加工对象物5的加工区域分割为在加工前形状和设计上加工后形状的两方中激光束L相对于加工面的角度不到50°的多个区域，并以向分割的每个区域扫描并照射激光束L的方式控制激光照射机构22和位置调整机构(旋转机构23及移动机构24)。

即，如图3所示，欲形成形状的加工面29a的倾斜角度θ2与实际用激光束L进行加工而形成形状的加工面29b的倾斜角度θ3由于如上所述射束截面的光强度分布具有高斯分布，所以若激光束L较大倾斜地照射，则导致在倾斜角度上产生偏移。该现象如从图4所示的图表可知，激光束L相对于欲形成形状的加工面29a的照射角度为50°以上时显著发生，且倾斜角度较大偏移。

因此，如图5所示，在本实施方式中，将激光束L相对于加工前形状的加工面29c和设计上的加工后形状的加工面29d的两方的角度θ4及角度θ5设定为不到50°来照射激光束L。并且，为了将激光束L的角度θ4及角度θ5设定为不到50°，而分割加工区域，并对激光束L的角度θ4及角度θ5不到50°的每个分割区域进行激光加工。

并且，如图6所示，上述控制部25控制激光照射机构22，旋转机构23及移动机构24使在进行激光束L的扫描时，将加工区域设定成在激光束L的照射方向上堆积多个加工层30的区域，对各加工层30照射激光束L来对每个加工层30去除规定部分从而形成三维形状的加工面。

即，在本实施方式中在激光束L进行扫描时，通过在扫描程序上层叠设定多个加工层30，相对于各加工层30垂直照射激光束L，对每个加工层30去除规定部分，而形成三维形状的加工面29。因此，在激光束L的扫描控制中，首先将加工对象物5在激光束L的照射方向上分别设定成多个加工层30。

而且，每个加工层30上根据加工前的形状和设计上的加工后形状设定加工去除的部分，对每个加工层30扫描激光束L来去除规定部分，由此形成规定的加工面29。该加工方法中加工层30的分辨率(厚度)和加工层30本身的平滑度衡量加工后的表面精确度(Rz或Ra等)。例如，本实施方式中以表面粗糙度至少为Rz(最大表面粗糙度)：2μm以下，Ra(算术平均粗糙度)：1μm以下的方式设定加工层30的分辨率等。

如图7所示，通过该激光加工装置21进行激光加工的面是形成有网目状的细微凹凸的表面粗糙度小的高表面精确度的加工面，该加工面由相互大致平行排列延伸的多个细微长槽M1和在邻接的细微长槽M1间向该邻接方向延伸的多个细微短槽M2构成。

另外，加工面29的纹理由通过多个细微长槽M1和多个细微短槽M2而成的细微凹凸，因此根据本实施方式的激光加工方法可实现表面粗糙度Rz：2μm以下且表面粗糙度Ra：1μm以下。另外，细微长槽M1的节距例如为0.7～15μm，细微短槽M2的节距例如为0.5～10μm。

这样本实施方式的激光加工装置21及激光加工方法中，将加工对象物5的加工区域分割为在加工前形状和设计上的加工后形状的两方中激光束L相对于加工面29的角度不到50°的多个区域，并对分割的每个区域中扫描并照射激光束L，因此可在分割区域内的加工面29整个区域以较小表面粗糙度且高尺寸精确度形成形状。

即，通过将加工前形状和设计上的加工后形状的两方中激光束L相对于加工面29的角度设定为不足50°，即考虑了射束截面的光强分布的角度，由此不易受作为高斯分布的光强度分布的影响且加工形状不走形，而能够以较小表面粗糙度且高尺寸精确度进行形状形成。并且，将加工区域分割为激光束L的角度不到50°的多个区域，并对分割的每个区域扫描并照射激光束L，因此可在分割区域内不需要在激光束L的扫描中使加工对象物5斜度变化这样的复杂的载物台控制等，能够容易对分割区域内的加工面29整个区域以高尺寸精确度进行形状形成。

并且，因为使激光束L的扫描方向与射束截面形状的长轴方向或短轴方向一致，所以扫描末端部分的加工形状不倾斜，不易产生偏移，因此可进行更准确的形状形成。

并且，因为对各加工层30照射激光束L，对每加工层30去除规定部分，而形成三维形状的加工面，所以加工层30的分辨率(厚度)和加工层30本身的平滑度衡量加工后的表面精确度(Rz或Ra等)，可以高精确度的设定表面粗糙度。

[实施例]

接着，参照图8至图13对通过本发明的激光加工装置及激光加工方法，用激光加工对作为加工对象物的立铣刀实际进行形状形成的实施列进行说明。

如图8及图9所示，作为加工对象物的立铣刀10的加工最终形状为2片刃的球头立铣刀，该2片刃的球头立铣刀以轴线0为中心旋转的工具前端部12中，在前端处夹着轴线0相互相反侧形成一对刀刃13，作为刀刃13具有以上述轴线0为中心的旋转轨迹大致呈半球状的一对球头刃部13a。该立铣刀10由如下构成：圆柱状的刀柄部14由超硬合金等硬质材料形成且在前端侧具有小直径的头部14a；及大致圆柱状的刀片部11通过扩散接合接合于头部14a前端。

上述刀片部11由接合于头部14a的超硬合金部15和成为接合于该超硬合金部15的cBN烧结体的刃部的工具前端部12构成。即，上述刀片部11的工具前端部12是由cBN烧结体形成。

而且，该立铣刀10的刀刃13的外径为直径2mm以下，通过激光加工形成工具前端部12整体的形状，并且通过激光加工在刀刃13的前刀面16侧以带状形成倒角19(图8的(a)的阴影部分)。

上述刀刃13具有设于前端侧并形成为圆弧状的一对球头刃部13a和从球头刃部13a连续沿着轴线0直线状延伸的一对外周刃部13b。即，工具前端部12为由球头刃部13a及外周刃部13b构成的刀刃13所形成的前端部分。另外，球头刃部13a的外径例如设定为R＝0.5mm。

上述工具前端部12中，在朝向立铣刀旋转方向的壁面上形成有从前端向基端侧沿着轴线0延伸的平面状的前刀面16。并且，工具前端部12的外周面形成有后刀面17。即，通过激光加工形成形状的前刀面16与后刀面17的交叉棱线上形成球头刃部13a和外周刃部13b。

设定上述后刀面17的表面粗糙度为Rz(最大表面粗糙度)为2μm以下且表面粗糙度Ra(算术平均粗糙度)为1μm以下。

上述倒角19从球头刃部13a延伸至外周刃部13b而以一定宽度形成。例如，倒角宽度在30～40μm的范围内设定为恒定。并且，设定倒角19的表面粗糙度至少在Rz：2μm以下，Ra：1μm以下。

使用上述本实施方式的激光加工装置21制作立铣刀10时，首先将接合大致圆柱状的刀片部11的刀柄部14设置于旋转机构23并保持。

该状态下，照射激光束L来形成工具前端部12整体的形状(三维激光加工工序)。此时，在加工前形状和设计上的加工后形状的两方中激光束L相对于加工面的角度设定为不到50°来照射激光束L。

即，如图10的(a)所示，将工具前端部12在周向上2分割而进行激光加工时，周向的端部中激光束L相对于加工面29的角度θ变为50°以上。此时，因为激光束L的射束截面的光强度分布具有高斯分布，所以如图14所示，越是激光束L的中心强度越高，越靠激光束L的中心越进行深加工的同时，越靠周边越进行浅加工，在照射激光的加工部分5的侧面产生一定的倾斜而导致加工形状走形。

因此，如图5所示，本实施例中，激光束L相对于加工前形状的加工面29c和设计上的加工后形状的加工面29d的两方的角度θ4及角度θ5设定为不到50°来照射激光束L。并且，因为激光束L的角度θ4及角度θ5设定为不到50°，所以如图10的(b)及图11所示，工具前端部12在周向上4分割(分割为区域A～D)而进行激光加工。

即，通过仅在将工具前端部12在周向上4分割的其中1个区域(分割区域)扫描激光束L，在该加工区域内激光束L相对于任何加工面(含有加工前形状的加工面29c和设计上的加工后形状的加工面29d的两方)的角度θ都不到50°。因此，如图11所示，使用旋转机构23将工具前端部12以轴线0为中心每90°4分割旋转而进行加工，以使激光束L的照射方向与被照射的加工面所成的角度始终在适当的角度范围(θ＜50°)内。另外，本实施例中沿着刀片部11的轴线0方向扫描激光束L。

并且，如图6所示，本实施例中在激光束L进行扫描时，通过在扫描程序上层叠设定多个加工层30，相对于各加工层30垂直照射激光束L，对每个加工层30去除规定部分，而形成三维形状的加工面29(后刀面17或倒角19等)。即，在激光束L的扫描控制中，首先将加工对象物的刀片部11在激光束L的照射方向上分为多个加工层30而进行设定。

而且，在每个加工层30上根据加工前的形状和设计上的加工后形状设定加工去除的部分，并对每个加工层30扫描激光束L来去除规定部分，从而形成后刀面17等规定的加工面29。

图12中表示将这样实际进行激光加工的面(后刀面17)放大的照片图像(350倍的放大图像)。

从该图像上可知，在本实施例中被加工的面形成有由相互大致平行排列延伸的多个细微长槽和在邻接的细微长槽间向该邻接方向延伸的多个细微短槽构成的网目状的细微凹凸的同时，表面粗糙度Rz为2μm以下，Ra为1μm以下。

其次，在本发明的激光加工装置中，通过Fθ透镜将波长355nm、重复频率166kHz、平均输出0.5W的激光束聚光，并使用电扫描仪以300mm/s的扫描速度实际进行作为加工对象物的陶瓷的三维形成，比较目标的形状设计值和实际加工的形状测定值。将比较该设计值和测定值的图表示于图13。

该图表中，形状为三维，但是在相对于纸面垂直的方向上前后连续有相同形状，所以描绘出该任意部位的截面并以二维表示。图表中的粗线表示激光加工后的实际形状，细线表示目标的设计上的形状(设计图)。另外，加工对象物的陶瓷为平板，通过激光加工在上述每个加工层上将不必要的部分加工成层状并去除。作为该加工层的加工层的间隔各设定为1μm。并且，该图表中的箭头示意地表示各加工层的层状加工。

目标的加工后的形状和加工前的平板的形状及配置均设定成激光束相对于各个加工面的照射角度不到50°，并通过本发明的激光加工方法进行加工。并且，激光束的射束截面在聚光点中设为长轴20μm、短轴15μm的椭圆形状，激光束的扫描方向设为与长轴方向一致的方向。

其结果，如图13的图表所示，能够以2μm之差并由高尺寸精确度使目标形状设计值和实际加工的形状测定值一致。

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

Claims (4)

1.一种激光加工装置，向加工对象物照射激光束而进行形状形成，其特征在于，具备：

激光照射机构，向所述加工对象物照射所述激光束的同时进行扫描；

位置调整机构，可保持所述加工对象物来调整该加工对象物与所述激光束的相对位置关系；及

控制部，控制这些机构，

其中，所述激光照射机构照射射束截面的光强度分布为高斯分布的激光束，

所述控制部将所述加工对象物的加工区域分割为在加工前形状和设计上的加工后形状两方中所述激光束相对于加工面的角度不到50°的多个区域，控制所述激光照射机构和所述位置调整机构，对所述分割的每个区域扫描并照射所述激光束。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述激光照射机构将所述激光束的射束截面形状设为椭圆形，并使所述激光束的扫描方向与所述射束截面形状的长轴方向或短轴方向一致。

3.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，

在进行所述激光束的扫描时，所述控制部将所述加工区域设定成在所述激光束的照射方向上堆积多个加工层的区域，对各加工层照射所述激光束来对每个所述加工层去除规定部分从而形成三维形状的加工面。

4.一种激光加工方法，向加工对象物照射激光束而进行形状形成，其特征在于，具有：

激光照射工序，向所述加工对象物照射所述激光束的同时进行扫描；及

位置调整工序，保持所述加工对象物来调整该加工对象物与所述激光束的相对位置关系，

照射射束截面的光强度分布为高斯分布的所述激光束，

将所述加工对象物的加工区域分割为在加工前形状和设计上的加工后形状的两方中所述激光束相对于加工面的角度不到50°的多个区域，并对所述分割的每个区域扫描并照射所述激光束。

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