CN105397313A - 一种硬脆材料的激光钻孔装置及钻孔方法 - Google Patents

一种硬脆材料的激光钻孔装置及钻孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硬脆材料的激光钻孔装置，所述激光器出射的激光光束入射进入所述扩束器，经所述扩束器后的激光光束形成扩束光束，所述扩束光束入射进入所述λ/4玻片形成圆偏振光，所述圆偏振光经所述反射镜进入所述光束扫描系统，经所述光束扫描系统后的圆偏振光沿预先设定轨迹传输，并聚焦于所述定位平台上的载硬脆材料上，从而实现了对硬脆材料激光钻孔的精确加工，提高了加工精度。另外，本发明还提供了一种硬脆材料的激光钻孔方法。

Description

一种硬脆材料的激光钻孔装置及钻孔方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种硬脆材料的激光钻孔装置及钻孔方法。
背景技术
自1960年激光器诞生以来，激光加工在航空、航天、汽车和电子领域的应用已经越来越广泛。同时，硬脆材料由于其特殊的机械性能，在航空航天的零部件制造领域已经开始大量使用。因此，研究激光在非平面的硬脆材料上进行钻孔的工艺方法是十分必要和重要的。
现有的半球形空腔硬脆材料钻孔一般采用机械钻孔或者化学腐蚀的方式。机械钻孔使用合金钻头或者金刚石钻头实现，但在空腔零件上进行钻孔时，由于接触应力，很容易导致零件变形，从而导致成品率低，尤其在一个零件上需要实现数千甚至上万个孔的海量群孔加工时，零件的加工几乎很难完成。化学腐蚀加工则可以有效的解决机械加工的接触应力问题，但在复杂形状的零件上很难实现化学腐蚀加工。
对于厚度较薄、直径较大的半球形硬脆材料的零件，如果需要在零件上加工海量群孔，且孔间距较小的情况下，使用机械钻孔时零件会严重变形；使用化学腐蚀加工孔则必须先在平板上腐蚀群孔，然后使用磨具冲压成型，这种情况下，孔与孔之见的“筋”很容易在冲压过程中发生断裂。
发明内容
有鉴如此，有必要提供一种硬脆材料的激光钻孔装置，从而避免了钻孔过程中的接触应力造成的空腔零件形变问题以及孔间距较小带来的孔间“筋”断裂的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种硬脆材料的激光钻孔装置，所述激光钻孔装置安装于机床平台上，所述激光钻孔装置包括激光器、沿所述激光器出射的激光光束依次设置的扩束器、λ/4玻片、反射镜、光束扫描系统，承载硬脆材料的定位平台以及与所述激光器、扩束器、λ/4玻片、反射镜、光束扫描系统，定位平台均信号连接的控制单元；
所述激光器出射的激光光束入射进入所述扩束器，经所述扩束器后的激光光束形成扩束光束，所述扩束光束入射进入所述λ/4玻片形成圆偏振光，所述圆偏振光经所述反射镜进入所述光束扫描系统，经所述光束扫描系统后的圆偏振光沿预先设定轨迹传输，并聚焦于所述定位平台上的载硬脆材料上。
另外本发明还提供了一种硬脆材料的激光钻孔方法，包括下述步骤：
根据硬脆材料需要加工的孔参数，确定加工工艺参数，所述孔参数包括孔径、孔间距及孔总数量，所述加工工艺参数，包括激光功率、频率、扫描速度和加工时间；
根据控制单元控制钻孔装置的自检回零，激光器的预热和光束扫描系统的回零，以及机床平台的回零；
将所述硬脆材料固定于定位平台上，并调整至水平位置；
选定所述硬脆材料上某个位置为坐标原点，建立直角坐标系；
根据所述直角坐标系确定所述硬脆材料上需要加工的钻孔坐标；
根据所述直角坐标系和机床平台的坐标系转换关系，将所述钻孔坐标转换为所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标；
根据所述加工工艺参数和所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标，采用所述激光钻孔装置对所述硬脆材料上需要加工的孔逐次加工。
在一些实施例中，其中，将所述硬脆材料固定于所述定位平台上，并调整至水平位置具体为：通过控制单元控制所述定位平台的方向，使所述硬脆材料水平于所述定位平台上。
在一些实施例中，在完成激光钻孔后还包括下述步骤：
在完成硬脆材料加工后，取下已加工的硬脆材料，对孔的孔参数进行检测。
在一些实施例中，所述硬脆材料的厚度为0.05mm—8mm。
在一些实施例中，所述硬脆材料的厚度为0.05mm—1mm。
在一些实施例中，所述硬脆材料为金属、陶瓷或者玻璃。
本发明采用上述技术方案带来的技术效果在于：
一方面，本发明提供的硬脆材料的激光钻孔装置，所述激光器出射的激光光束入射进入所述扩束器，经所述扩束器后的激光光束形成扩束光束，所述扩束光束入射进入所述λ/4玻片形成圆偏振光，所述圆偏振光经所述反射镜进入所述光束扫描系统，经所述光束扫描系统后的圆偏振光沿预先设定轨迹传输，并聚焦于所述定位平台上的载硬脆材料上，从而实现了对硬脆材料激光钻孔的精确加工，提高了加工精度。
另一方面，本发明提供的硬脆材料的激光钻孔方法，根据硬脆材料需要加工的孔参数确定加工工艺参数，根据选定的所述硬脆材料坐标原点，建立直角坐标系，根据所述直角坐标系和机床平台的坐标系转换关系，将钻孔坐标转换为所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标，再根据所述加工工艺参数和所述钻孔坐标，采用所述激光钻孔装置对所述硬脆材料上需要加工的孔逐次加工，从而有效避免钻孔过程中的接触应力造成的空腔零件形变问题以及由于孔间距较小带来的孔间“筋”断裂的问题，提高了硬脆材料的钻孔成功率。
附图说明
图1是本发明实施例一实施方式提供的硬脆材料的激光钻孔装置的结构示意图。
图2是本发明实施例一实施方式提供的硬脆材料的激光钻孔方法的步骤流程图。
图3是本发明实施例提供的孔分布示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，为本发明实施例一提供的硬脆材料的激光钻孔装置100，激光钻孔装置100安装于机床平台(图未示)上，所述激光钻孔装置100包括激光器110、沿所述激光器110出射的激光光束依次设置的扩束器120、λ/4玻片130、反射镜140、光束扫描系统150，承载硬脆材料a的定位平台(图未示)以及与所述激光器110、扩束器120、λ/4玻片130、反射镜140、光束扫描系统150，定位平台均信号连接的控制单元(图未示)。
其中，所述激光器110出射的激光光束入射进入所述扩束器120，经所述扩束器120后的激光光束形成扩束光束，所述扩束光束入射进入所述λ/4玻片130形成圆偏振光，所述圆偏振光经所述反射镜进入所述光束扫描系统150，经所述光束扫描系统150后的圆偏振光沿预先设定轨迹传输，并聚焦于所述定位平台上的载硬脆材料a上。
可以理解，由于扩束器120对激光器110输出的光束进行扩束，扩束后可提高激光束的准直性，降低后续光学器件的损伤阈值要求。
可以理解，通过控制单元能够对激光器110、扩束器120、λ/4玻片130、反射镜140、光束扫描系统150及定位平台进行控制，保证了上述硬脆材料a进行高精度定位，从而实现了对硬脆材料激光钻孔的精确加工，提高了加工精度。
请参阅图2，为本发明一实施方式提供的硬脆材料的激光钻孔方法的步骤流程图200，包括下述步骤：
步骤S210：根据硬脆材料需要加工的孔参数，确定加工工艺参数；
具体地，所述孔参数包括孔径、孔间距、加工方向及孔总数量，所述加工工艺参数，包括激光功率、频率、扫描速度和加工时间；
可以理解，实际中根据硬脆材料的加工图纸和需要加工的孔参数，根据经验和软件程序计算可以确定硬脆材料的加工工艺参数。
步骤S220：根据控制单元控制钻孔装置的自检回零，激光器的预热和光束扫描系统的回零，以及机床平台的回零；
可以理解，根据控制单元控制钻孔装置的自检回零，激光器的预热和光束扫描系统的回零，以及机床平台的回零，从而保证了硬脆材料的精确加工。
步骤S230：将所述硬脆材料固定于定位平台上，并调整至水平位置；
具体地，通过上述激光钻孔装置中的控制单元调整定位平台的位置，使得硬脆材料调整至水平位置。
步骤S240：选定所述硬脆材料上某个位置为坐标原点，建立直角坐标系；
步骤S250：根据所述直角坐标系确定所述硬脆材料上需要加工的钻孔坐标；
可以理解，根据硬脆材料的加工图纸，选定硬脆材料上某个位置为硬脆材料的坐标原点，并基于该坐标原点建立直角坐标系，而硬脆材料上需要加工的孔坐标可以根据直角坐标系和硬脆材料的图纸确定；
步骤S260：根据所述直角坐标系和机床平台的坐标系转换关系，将所述钻孔坐标转换为所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标；
步骤S270：根据所述加工工艺参数和所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标，采用所述激光钻孔装置对所述硬脆材料上需要加工的孔逐次加工。
可以理解，在进行激光钻孔之前还包括确定加工方向，具体地，保证孔加工过程中，零件形状不会发生变化，例如本案所举案例中，如果从边缘开始加工，则在孔加工到一定数量(例如孔总数的三分之一)时，由于力学性能的变化，零件中间位置的形状会发生变化，从而导致在中间位置加工孔时，由于所采用焦点位置的不同，而导致加工孔的质量发生变化。)进一步地，在完成激光钻孔后还包括下述步骤：
在完成硬脆材料加工后，取下已加工的硬脆材料，对孔的孔参数进行检测。
优选地，所述硬脆材料的厚度为0.05mm—8mm。
进一步地，所述硬脆材料的厚度为0.05mm—1mm。
可以理解，在对厚度为0.05mm—1mm的硬脆材料进行加工时，更能够体现上述装置的优势。
优选地，所述硬脆材料为金属、陶瓷或者玻璃。
本发明提供的硬脆材料的激光钻孔方法，根据硬脆材料需要加工的孔参数确定加工工艺参数，根据选定的所述硬脆材料坐标原点，建立直角坐标系，根据所述直角坐标系和机床平台的坐标系转换关系，将钻孔坐标转换为所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标，再根据所述加工工艺参数和所述钻孔坐标，采用所述激光钻孔装置对所述硬脆材料上需要加工的孔逐次加工，从而有效避免钻孔过程中的接触应力造成的空腔零件形变问题以及由于孔间距较小带来的孔间“筋”断裂的问题，提高了硬脆材料的钻孔成功率。
请参阅图3，为本发明采用上述钻孔方法得到的加工件：
其中，被钻孔硬脆材料为钼材料，为半球形，厚度为0.5mm，要求加工孔的孔径为2.0mm，孔间距为0.2mm，且法向加工，孔总数量为20000个。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种硬脆材料的激光钻孔装置，所述激光钻孔装置安装于机床平台上，其特征在于，所述激光钻孔装置包括激光器、沿所述激光器出射的激光光束依次设置的扩束器、λ/4玻片、反射镜、光束扫描系统，承载硬脆材料的定位平台以及与所述激光器、扩束器、λ/4玻片、反射镜、光束扫描系统，定位平台均信号连接的控制单元；
所述激光器出射的激光光束入射进入所述扩束器，经所述扩束器后的激光光束形成扩束光束，所述扩束光束入射进入所述λ/4玻片形成圆偏振光，所述圆偏振光经所述反射镜进入所述光束扫描系统，经所述光束扫描系统后的圆偏振光沿预先设定轨迹传输，并聚焦于所述定位平台上的载硬脆材料上。
2.一种硬脆材料的激光钻孔方法，其特征在于，包括下述步骤：
根据硬脆材料需要加工的孔参数，确定加工工艺参数，所述孔参数包括孔径、孔间距及孔总数量，所述加工工艺参数，包括激光功率、频率、扫描速度和加工时间；
根据控制单元控制钻孔装置的自检回零，激光器的预热和光束扫描系统的回零，以及机床平台的回零；
将所述硬脆材料固定于定位平台上，并调整至水平位置；
选定所述硬脆材料上某个位置为坐标原点，建立直角坐标系；
根据所述直角坐标系确定所述硬脆材料上需要加工的钻孔坐标；
根据所述直角坐标系和机床平台的坐标系转换关系，将所述钻孔坐标转换为所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标；
根据所述加工工艺参数和所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标，采用所述激光钻孔装置对所述硬脆材料上需要加工的孔逐次加工。
3.根据权利要求2所述的硬脆材料的激光钻孔方法，其特征在于，其中，将所述硬脆材料固定于所述定位平台上，并调整至水平位置具体为：通过控制单元控制所述定位平台的方向，使所述硬脆材料水平于所述定位平台上。
4.根据权利要求2所述硬脆材料的激光钻孔方法，其特征在于，在完成激光钻孔后还包括下述步骤：
在完成硬脆材料加工后，取下已加工的硬脆材料，对孔的孔参数进行检测。
5.根据权利要求2所述硬脆材料的激光钻孔方法，其特征在于，所述硬脆材料的厚度为0.05mm—8mm。
6.根据权利要求5所述硬脆材料的激光钻孔方法，其特征在于，所述硬脆材料的厚度为0.05mm—1mm。
7.根据权利要求5或6所述硬脆材料的激光钻孔方法，其特征在于，所述硬脆材料为金属、陶瓷或者玻璃。
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