CN103317298A - 飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，包括以下步骤：（1）将保护层金属粉末均匀喷洒在待加工的微型零件表面；（2）通过飞秒激光将所述金属粉末熔化涂覆在微型零件表面；（3）对微型零件进行微切削加工；（4）当微型零件加工完成后，利用飞秒激光将微型零件表面附着的金属熔/气化去除。本发明只需通过飞秒激光加工技术对金属进行涂覆和去除，操作方便简单，只要建立一套合适的生产线，即可大批量对微型零件进行加工，从而提高零件质量，增加零件使用寿命，从长远来看将大大降低了成本。本发明是一种有效、低成本、可大范围运用的毛刺抑制方法。

Description

飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法
技术领域
本发明属于激光辅助加工领域，具体涉及一种飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法。
背景技术
毛刺虽小,危害极大。微型零件往往会因为极小的毛刺而降低零件加工质量，进而影响了整个产品的装配质量，甚至使零件或整个产品报废。因此,研制出能够在生产过程中有效减少或抑制毛刺形成的方法及工艺，是加工工艺技术的重要内容之一。
在微型机械零件的加工过程中，刀具切削加工的进给率、刀具半径、每齿进给量、切削深度、刀具刃口圆弧半径大小等参数对毛刺的生成都有影响。另外，材料的塑性、刀具的加工方向、顺切或逆切等参数也都对毛刺的生成有影响。所以，目前主要通过如下几种方法来减少毛刺：①优化加工参数来减少毛刺的生成；②从零件设计上避免生成毛刺；③通过热处理来增加材料硬度降低材料的塑性来减少毛刺；④优化刀具参数来减少毛刺。上述方法虽然可以有效减少毛刺的形成，但不能完全抑制毛刺的形成。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，通过抑制毛刺的形成来提高微型零件的切削加工质量。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，包括以下步骤：
（1）将保护层金属粉末均匀喷洒在待加工的微型零件表面；
（2）通过飞秒激光将所述保护层金属粉末熔化后冷却固化涂覆在微型零件表面；
（3）利用微型刀具对微型零件进行微切削加工；
（4）当微型零件加工完成后，利用飞秒激光将微型零件表面附着的保护层金属高温熔/气化去除，得到没有毛刺的微型零件。
本发明的进一步设置在于，步骤（2）中激光聚焦光斑照射的位置为微型零件与金属粉末的接触面上方，所述激光聚焦光斑为椭球形光斑；椭球形光斑的下边界与工件表面相切，调整激光输出功率到较小值，使得覆盖层金属刚好熔化，然后再冷却覆盖在微型零件表面。
本发明的进一步设置在于，步骤（4）中激光聚焦光斑照射的位置为微型零件与金属粉末的接触面上方，所述激光聚焦光斑为椭球形光斑；椭球形光斑的下边界与工件表面相切，调整激光输出功率到较大值，使得覆盖层金属直接熔/气化去除。
本发明的进一步设置在于，步骤（3）所述微切削加工包括微铣削、微车削和微钻削等金属切削加工方法，所用刀具为微铣刀、微车刀和微钻头等微型刀具。
本发明的进一步设置在于，步骤（4）中还包括：在飞秒激光聚焦光斑照射覆盖层金属使其熔/气化去除的同时，利用吸收装置将高温熔/气化的覆盖层金属吸收到回收箱再利用，同时防止污染环境。
本发明的技术构思为：通过分析孔口和槽沿等边缘部位的毛刺形成机理，提出在被加工工件表面涂覆一层金属覆盖被加工工件表面，使被加工工件表面变为内部材料，防止被加工工件孔口和槽沿等边缘部位材料变形失稳，进而抑制毛刺的形成。
本发明利用飞秒激光在微型零件表面涂覆一层金属保护层，使被加工零件表面材料被覆盖后变成内部材料，待微切削加工完成后，再利用飞秒激光去除金属保护层，而不损伤微型零件表面，因此本发明能够完全抑制毛刺的形成。
采用飞秒激光在微型零件上涂敷和去除金属保护层的优点是，飞秒激光脉冲持续时间小于100飞秒，而电子的弛豫时间是几十皮秒，因此热量来不及向外层金属传递，飞秒激光脉冲就已经发射完成了，这样工件表面不会受到热影响，可以保证工件质量。另外，飞秒激光聚焦光斑空间分辨率高，可以精确控制涂覆金属保护层的厚度，同样也可以精确去除金属保护层，而不损伤零件表面。
本发明只需通过飞秒激光对金属或非金属进行涂敷和去除，操作方便简单，只要建立一套合适的生产线，即可大批量对微型零件进行保护层的涂覆和去除，从而抑制毛刺形成，提高微型零件的加工质量，延长零件使用寿命，从长远来看将大大降低生产成本。之所以采用飞秒激光，是因为与皮秒激光和纳秒激光相比，飞秒激光的热影响小，聚焦光斑分辨率高，因而可以精确实现金属覆盖层在微型零件表面的涂覆和去除。
本发明是一种有效、低成本、可大范围运用的毛刺抑制方法，可以方便、快捷、有效地抑制微型零件微切削毛刺的形成，提高微型零件的加工精度和表面质量。
附图说明
图1为飞秒激光熔化金属粉末涂敷金属覆盖层的示意图。
图2为飞秒激光高温熔/气化去除金属覆盖层的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，包括以下步骤：
（1）将保护层金属粉末均匀喷洒在待加工的微型零件表面。具体的讲，需根据零件毛坯材料确定保护层金属粉末的材料，保护层金属材料的熔点可以高于也可以低于零件毛坯的熔点，因为不管金属材料熔点多高，激光聚焦光斑的温度都可以将其熔化，保护层材料硬度最好接近或高于零件毛坯的硬度，因为保护层硬度越高可以更好地抑制毛刺的形成，例如零件毛坯材料为45#钢(熔点为1350℃，未经热处理的硬度为HRC28)，可以选用灰铸铁(熔点1300℃，未热处理硬度为HBS280以下，热处理后硬度可达到HRC48)作为保护层。除了45#钢，对于零件材料为金属铜时，可以选用铝合金作为保护层，同样对于零件为金属铝时，可以选用铜作为保护层，对于SUS303不锈钢零件，可以用SUS304不锈钢作为保护层。
（2）根据微型零件大小调节飞秒激光器输出功率、聚焦光斑大小以及离焦量等参数，如图1所示，飞秒激光束5的聚焦光斑4呈椭球形，应使椭球形光斑下边界与微型零件3的表面相切，通过飞秒激光将保护层金属2熔化，然后冷却凝固涂覆在微型零件3的表面。
在利用飞秒激光熔化金属粉末形成覆盖层时，应根据微型零件尺寸大小调整相关参数，如工件边长为1mm，飞秒激光光束直径9mm，用5×物镜，焦距为40mm，脉冲频率1-10kHz，单脉冲能量3.5-0.35mJ，脉冲宽度小于100fs，光斑直径可根据微型零件尺寸大小调整100nm-1mm，将光斑直径调整为0.1-0.5mm，这样飞秒激光快速照射后即可熔化，然后冷却凝固形成覆盖层。为了提高保护层的硬度，飞秒激光熔化金属后可以快速喷洒冷水对保护层进行淬火处理，使其硬度由淬火之前的HBS280以下，提高到淬火后的HRC48。金属覆盖层的厚度可根据工件材料形成毛刺的多少决定，易于形成毛刺的塑性材料，金属覆盖层要厚一些，不易形成毛刺的脆性材料金属覆盖层可以薄一些。
（3）对微型零件进行微切削加工(包括微铣削、微车削、微钻削等)；比如利用微铣刀加工微槽，或用微钻头钻微孔，此时在涂覆的保护层金属的表面生成毛刺，而原零件表面变成内部材料，因而不生成毛刺，从而有效地抑制了微型零件微槽边沿毛刺的形成。
（4）当微型零件加工完成后，利用飞秒激光将微型零件表面附着的金属熔/气化去除，得到没有毛刺的微型零件。同样是通过控制飞秒激光束5的聚焦光斑4中心到工件（原零件）表面的距离h来去除保护层金属2，如图2所示。因为聚焦光斑4的温度可以将保护层金属2高温熔/气化，因此只要使聚焦光斑中心到零件表面的距离刚好等于椭球形光斑长轴h，就可以只去除覆盖层金属，而不会损伤零件表面，因为非聚焦光斑激光束的温度不足以熔化工件表面。本实施例中飞秒激光器的参数为：10W激光功率，波长为780nm，脉宽100fs，频率50kHz。根据粉末的厚度，调节激光聚焦光斑下边界与微型零件的表面相切，将微型零件表面的覆盖层金属高温熔/气化去除。
为了快速、有效地去除金属覆盖层，在飞秒激光辐照的同时，还可以利用吸尘器将熔/气化的覆盖层金属收集到回收箱，如图2所示，同时防止污染环境。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将保护层金属粉末均匀喷洒在待加工的微型零件表面；
（2）通过飞秒激光将所述保护层金属粉末熔化后冷却固化涂覆在微型零件表面；
（3）利用微型刀具对微型零件进行微切削加工；
（4）当微型零件加工完成后，利用飞秒激光将微型零件表面附着的保护层金属高温熔/气化去除，得到没有毛刺的微型零件。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，其特征在于，步骤（2）中激光聚焦光斑照射的位置为微型零件与金属粉末的接触面上方，所述激光聚焦光斑为椭球形光斑；椭球形光斑的下边界与工件表面相切，调整激光输出功率使得保护层金属粉末刚好熔化，然后再冷却覆盖在微型零件表面。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，其特征在于，步骤（4）中激光聚焦光斑照射的位置为微型零件与金属粉末的接触面上方，所述激光聚焦光斑为椭球形光斑；椭球形光斑的下边界与工件表面相切，调整激光输出功率使得覆盖层金属直接熔/气化去除。
4.根据权利要求1所述的飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，其特征在于，步骤（3）所述微切削加工包括微铣削、微车削和微钻削，微型刀具为微铣刀、微车刀和微钻头。
5.根据权利要求1所述的飞秒激光辅助抑制微切削零件毛刺形成的方法，其特征在于，步骤（4）中还包括：在飞秒激光聚焦光斑照射覆盖层金属使其熔/气化去除的同时，利用吸收装置将高温熔/气化的保护层金属吸收到回收箱再利用。
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