CN107309768B - 陶瓷面板孔位的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷面板孔位的加工方法，其至少包括以下步骤：在陶瓷面板欲加工孔位位置，采用激光切割的方式切割形成与所述孔位的设计形状相一致并具有毛坯余量的毛坯通孔；采用数控机床对所述激光切割形成的毛坯通孔的毛坯余量进行切割而形成所需尺寸的陶瓷面板孔位，所述数控机床的切割量等于所述毛坯通孔的毛坯余量。本发明所述的方法不仅能有效缩短陶瓷面板上孔位的加工周期，同时，还能保证加工得到的陶瓷面板上的孔位具有较高的质量，提升生产良率。

Description

陶瓷面板孔位的加工方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷面板的加工方法，尤其是一种陶瓷面板孔位的加工方法。

背景技术

近年，智能手机、智能手表、平板电脑等便携式电子产品的兴起给人们的生活、工作带来了便捷。同时，随着科技的发展，制造工艺的不断进步，人们对便携式电子产品也不断提出新的要求，其中对产品机身的材质的要求也不断变化。传统机身材质主要有塑料、金属和玻璃；而近年来，出现的陶瓷材料，因其手感好、硬度高，陶瓷作为机身时其耐磨、耐刮性好；此外，最重要的是陶瓷电学性能优异，不会像金属一样屏蔽信号；基于陶瓷材料的上述优点，从陶瓷面板应用于电子产品机身之时，已具有明显优势。

通常，在陶瓷面板的应用在电子产品的机身上时，需要开设若干功能孔以供其它电子产品元器件使用，比如摄像头孔、闪光灯孔、按键孔等；虽然陶瓷面板材质具有多种优点，但是因为其自身材料属性，其材料通常比较脆，在陶瓷面板上加工孔位时，技术难度比较大。目前，常用的方法是利用CNC的方法在陶瓷面板上开设孔位，通过CNC的刀具直接对孔位加工成型；虽然该加工方法可实现在陶瓷面板上开设孔位，但是该方法为研磨成型，加工周期长，生产效率低；并且在加工过程中，因为全靠刀具研磨陶瓷材料，刀具磨损严重，生产成本高，同时，更换刀具也会进一步延长生产周期；还有，在研磨陶瓷面板的过程中，刀具容易对陶瓷面板产生冲击力，因为陶瓷面板脆性大，容易断裂，进而导致生产良率低；此外，CNC加工的方法比较适合对规则孔位进行加工，而对异形孔位进行加工的难度较大。为克服以上缺陷，有必要提出一种新的陶瓷面板孔位的加工方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种陶瓷面板孔位的加工方法，该方法能有效缩短陶瓷面板上孔位的加工周期，同时，所述方法还能保证加工得到的通孔具有较高的质量，提升生产良率。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：该陶瓷面板孔位的加工方法，至少包括以下步骤：

采用激光切割形成毛坯孔的步骤；在陶瓷面板欲加工孔位位置，采用激光切割的方式切割形成与所述孔位的设计形状相一致并具有毛坯余量的毛坯通孔；

采用数控机床切割所述毛坯通孔的步骤；采用数控机床对所述激光切割形成的毛坯通孔的毛坯余量进行切割而形成所需尺寸的陶瓷面板孔位，所述数控机床的切割量等于所述毛坯通孔的毛坯余量。

根据本发明的设计构思，本发明所述毛坯通孔的毛坯余量为0.2mm~0.35mm。

根据本发明的设计构思，本发明所述激光由纳秒脉冲光纤激光器发射，在切割所述毛坯通孔时，所述纳秒脉冲光纤激光器发射的激光的能量为15~75W，出光频率为0.1~0.5kHz，激光占空比为0.05~0.2；且所述激光直线移动速率为1~3mm/s，圆弧移动速率为0.5~2mm/s，激光焦点设置在距所述陶瓷面板表面0~0.05mm的范围内。

根据本发明的设计构思，本发明所述数控机床选择的刀具为直径小于毛坯通孔的直径或宽度的砂轮棒。

根据本发明的设计构思，本发明所述数控机床在切割毛坯通孔的毛坯余量时，所述砂轮棒初始下刀位置与毛坯通孔的孔壁之间存在有间隔，所述砂轮棒在该间隔处由内向外悬空旋转的方式而与所述毛坯通孔的孔壁逐渐相接触。

根据本发明的设计构思，本发明所述砂轮棒走刀速度为20000~ 22000r/min，给进速度为0.3 ~ 0.6m/min，数控机床的加工精度为0 ~ 8μm。

根据本发明的设计构思，本发明在激光切割所述陶瓷面板的毛坯通孔时，向靠近所述毛坯通孔位置处的陶瓷面板表面喷射用以冷切陶瓷面板的高压气体，所述高压气体为浓度大于99.99%的压缩氮气，所述高压气体的压力为0.5~2MPa。

根据本发明的设计构思，本发明在数控机床切割所述毛坯通孔的毛坯余量时，向靠近所述毛坯通孔位置处的陶瓷面板表面喷淋用以冷切陶瓷面板的冷却液。

与现有技术相比，本发明具有下述有益效果：（1）本发明采用激光切割和数控机床加工相结合的方式，对陶瓷面板的孔位进行加工，因激光切割对陶瓷面板的切割效率比较高，因此，相对传统仅依靠数控机床加工的方式加工陶瓷面板的孔位而言，其加工效率得到大幅度提升；（2）因采用激光加工陶瓷面板的孔位时，激光会对孔位边缘造成发黑、微裂纹、熔渣残留等不良现象，为克服该不良现象，本发明在采用激光加工该孔位时，通过在该孔位处预留毛坯余量的方式，然后通过数控机床切割的方式，切除该毛坯余量，进而形成所需尺寸的孔位，以确保在提高孔位的加工效率的同时，保证孔位的强度不受影响，进而确保了产品的良率；（3）由于本发明首先采用激光切割的方法对陶瓷面板孔位进行粗加工，然后通过数控机床的对该毛坯通孔进行精加工，因在激光切割制作通孔的过程中，快速切除陶瓷面板的孔位处材料，有效减少了后续数控机床精加工的切除量，不但可以降低缩短孔位加工周期，提升加工效率，而且降低数控机床刀具的磨损程度，提高刀具的使用寿命；（4）此外，激光切割在对孔位加工时，不受所加工的孔位形状的限制，可对多种形状的孔进行加工，适用性比较广；同时，激光切割通孔时，激光对陶瓷面板形成的冲击力相对较小，可有效减少陶瓷面板的断裂。

附图说明

图1 为本发明实施例中陶瓷面板的示意图；

图2 为本发明实施例中激光加工路径示意图。

具体实施方式

首先，需要特别说明的是，本发明所述的陶瓷面板可以是平面陶瓷面板，也可是曲面陶瓷面板，为叙述的简便，本发明在以下描述中，均统称为陶瓷面板。

另外，本发明以下所称的激光设备，是市场上常见型号的激光设备，因其为市场上常见公知设备，为叙述的简便，对其结构不作以详细说明。

本发明以下所称的数控机床，是市场上常见型号的数控加工机床，比如加工中心，数控磨床等设备，因其为市场上常见的公知设备，为叙述的简便，对其结构不作以详细说明。

本发明所述的陶瓷面板孔位的加工方法，其主要针对陶瓷面板因其材质较脆，传统加工过程中，加工周期长，良率低的技术缺陷，而提供一种解决方法；为便于理解本发明的技术方案，以下结合实施例，对本发明的技术方案做出详细说明。

参见图1，本实施例为在陶瓷面板1上开设孔位2，图1示出的是3D结构的陶瓷面板1的孔位2结构，对于2D结构陶瓷面板的孔位加工工艺，因与3D结构陶瓷面板1的孔位2结构相近似，因此，在此不做重述；有关本发明的孔位2的加工方法如下：

一、选择一激光设备，为防止在激光切割的过程中陶瓷面板1任意滑动，将陶瓷面板1固定在激光设备的运动平台上，同时，通过所述激光设备上的运动平台带动所述陶瓷面板1按特定的轨迹移动；然后在陶瓷面板欲加工孔位位置，采用激光设备所产生激光或激光束对陶瓷面板1对陶瓷面板进行孔位形状切割而形成毛坯通孔；在对陶瓷面板1进行孔位切割时，应确保激光切割所形成的孔位形状与所述孔位的设计形状相一致。

在激光对孔位进行切割时，因孔位2边缘受激光影响会产生发黑、微裂纹、熔渣残留等不良现象，为克服该不良现象，本发明在采用激光加工该孔位时，在该孔位2处的周边预留有毛坯余量。

二、选择一数控机床，将激光切割后得到的具有毛坯通孔的陶瓷面板1从所述激光设备上拆卸后，把陶瓷面板1固定到所述数控机床上，实践操作过程中，可将所述陶瓷面板1安装在数控机床的夹具上，而所述夹具固定设置在所述数控机床上，然后采用数控机床对陶瓷面板1的毛坯通孔进行切割，使毛坯通孔的毛坯余量切除后而形成所需尺寸的陶瓷面板孔位；在对毛坯通孔的毛坯余量进行切割时，作为优选方案，所述数控机床的切割量等于所述毛坯通孔的毛坯余量。

因毛坯通孔的毛坯余量大小设置，对数控机床切割的效率和通孔的质量都有重要影响；如毛坯余量过小时，可能会造成对陶瓷面板1发黑的部分或通孔边缘的微裂纹等瑕疵去除不完全，导致通孔的质量不佳；如毛坯余量过大时，数控机床的切割量会增加，导致生产周期变长，生产效率降低，同时还增强了对数控机床切割刀具的磨损，缩短切割刀具的使用寿命，增加成本。在本发明中，优选将所述毛坯通孔的毛坯余量设置在0.2~0.35mm范围内；这样，在数控机床切割毛坯通孔时，只要将切割余量设置为等于毛坯余量，不仅保证可有效去除掉陶瓷面板1上局部发黑、通孔边缘的微裂纹和熔渣等不良，提升通孔的质量，同缩短打磨周期，提升打磨效率。

进一步的，上述实施例中，所选用的激光设备优选采用纳秒脉冲光纤激光器，这是因为所述纳秒脉冲光纤激光器发射的激光能量较高，当其发射的激光作用在陶瓷面板1上时，陶瓷面板1很容易被切割，从而有效提升陶瓷面板1的切割速率，缩短生产周期。

在采用激光设备加工陶瓷面板1的孔位时，首先根据所述陶瓷面板1上孔位2的设计形状和设计尺寸设置激光加工路径，并将所述激光加工路径导入激光切割软件；然后，使用激光设备上的CCD自动对陶瓷面板1进行定位，找准陶瓷面板1上激光切割的位置。在设置激光加工路径时，应保证激光按所述加工路径切割得到一个与所述孔位2的设计形状一致并具有毛坯余量的毛坯通孔。

参见图2，在本实施例中，激光加工路径设置为一带引线4的闭合圈3，其中，所述闭合圈3的形状与所述孔位2的设计形状一致，但尺寸小于所述孔位2的设计尺寸。图2示出的是圆孔的激光加工路径。在激光切割毛坯通孔时，因为激光在发射起始瞬间能量较高，为了提升毛坯通孔边缘的切割效果，以所述引线的端部5为激光切割的下刀位，所述激光先沿所述引线4连续打标，然后沿所述闭合圈3连续打标，最后仍沿所述引线4回到所述引线的端部5，收刀。因所述激光加工路径将激光切割的下刀位、引线4、收刀位均设置在陶瓷面板1上的激光切割废料内，可减少对陶瓷面板1孔位周边边缘的破坏，提升孔位的加工质量。进一步，为了缩短激光加工的路径以缩短加工周期和减小耗能，同时为保证切割效果，所述引线4的长度优选设置为所述闭合圈3的宽度的1/3~1/2。

此外，由于陶瓷面板1自身脆性，在陶瓷面板1受到外力的冲击时，容易发生断裂。考虑到在激光切割时需要克服陶瓷面板1的脆性；激光加工的工艺参数对切割效果起重要作用，因此需要设置合适的激光参数以确保加工效果：

1、激光能量参数设置；因激光能量过小时，激光瞬间融化材料的能力弱，难以快速切割陶瓷面板1，切割效率低；而能量过大时，激光瞬间产生的高能量容易造成时陶瓷面板1断裂；为保证切割效果，在本发明中，所述纳秒脉冲光纤激光器所发射的激光的能量优选设置在15~75W范围内。

2、激光的出光频率设置；因激光出光频率低时，激光的热影响区域大，陶瓷面板1表面易发黑；而出光频率高时，因激光在陶瓷面板1表面停留时间过短，热量不足难以将材料融化而达不到切割的目的；为保证切割效果，在本发明中，所述纳秒脉冲光纤激光器所发射的激光的出光频率设置在0.1~0.5kHz范围内。

3、占空比设置；所述占空比为激光单点出光的能量；因所述占空比较小时难以切割陶瓷面板1，而所述占空比太大时同样容易造成陶瓷面板1断裂；为保证切割效果，在本发明中，所述纳秒脉冲光纤激光器所发射的激光的占空比设置在0.05~0.2范围内。

4、激光移动速率设置；因激光光束相对所述陶瓷面板移动的速率对孔位的切割效果也有较大影响；在激光移动的速率太慢时，激光在陶瓷面板上同一位置作用的时间变长，激光的热效应会使得所述陶瓷面板1表面发黑；而当移动的速率过快时，激光熔化陶瓷材料的时间变短，容易导致切割效果变差甚至无法切断材料；考虑到陶瓷面板1上孔位2可以为多种形状，比如圆形、方形、腰形等形状，所述激光切割路径因孔位2形状的变化也会不同，即所述激光光束可能以直线形式在所述陶瓷面板1上移动，也可能以圆弧形式在所述陶瓷面板1上移动；为保证切割效果，在本发明中，所述激光光束在陶瓷面板1上直线移动时的速率设置在1~3mm/s范围内，圆弧移动时速率设置在0.5~2mm/s范围内。

5、激光焦点设置；因所述激光光束的焦点位置处激光能量最大且光斑最小，如所述激光光束的焦点设置在离所述陶瓷面板1较远的位置上，容易造成激光能量不集中而难以把陶瓷材料切断，或引起切割缝隙变宽从而影响切割尺寸；为保证切割效果，在本发明中，所述激光光束聚焦后的焦点优选设置在距所述陶瓷面板1表面0~0.05mm的范围内。

在采用激光切割陶瓷面板孔位时，作为上述激光参数的一个实施例，上述激光参数选择为：激光能量为18W，频率为0.22Khz，占空比为0.08，激光光束在所述陶瓷面板上直线移动的速率为2mm/s，圆弧移动的速率为1mm/s；激光光束聚焦后的焦点设置在距所述陶瓷面板1表面0mm的位置；在选择以上参数对陶瓷面板孔位进行切割时，经实验验证，可达到较佳效果。

另外，在激光切割陶瓷面板1的过程中，因激光热效应的影响，会导致在激光切割区域附近陶瓷材料的性能会产生变化，为减小激光热效应的影响，本发明在激光切割的孔位时，辅以高压气体而对所述陶瓷面板1进行冷却，该高压气体在对陶瓷面板1的切割区域冷却的同时，也可把激光切割时产生的残渣吹出，从而可使切割效果得以提升；具体地，可通过所述纳秒脉冲光纤激光器上的喷嘴向所述陶瓷面板1上的激光切割区域喷射高压气体，且所述高压气体与所述纳秒脉冲光纤激光器发射的激光光束优选同轴设置。

进一步的，为避免所述高压气体与陶瓷材料发生反应或所述高压气体带入杂质进而导致杂质与陶瓷材料发生反应，所述高压气体应选择高纯度的化学性质稳定的气体；本发明中，所述高压气体优选为浓度为99.99%的压缩氮气；另外，因高压气体的压力过小时，难以达到冷却和吹出残渣的目的，而压力过大时，由于瞬间的冷热交替及压力的共同作用易导致陶瓷面板1断裂；因此，在本发明中，所述高压气体的压力优选设置在0.5~2MPa范围内。

采用上述实施例的激光对陶瓷面板的孔位加工，具有切割速度快，切割效率高、受切割图案限制小等多种优点，但在激光切割陶瓷面板1的过程中也存在其他不容忽视的问题，比如：激光的瞬间高温作用使陶瓷材料融化的同时，热影响也会造成被切割的陶瓷面板1背面局部发黑；激光切割会造成切割得到的通孔边缘存在微裂纹，从而降低陶瓷面板1上孔位2的强度；因此，仅采用激光加工孔位2，很难达到产品要求。

为克服激光切割存在的上述问题，使激光切割陶瓷面板的孔位2的加工方式更为可行；本发明创新性的提出，本发明在采用激光加工孔位2时，通过在该孔位2处的周边预留毛坯余量，然后通过数控机床对所述毛坯通孔的预留毛坯余量进行切割，以消除由激光切割热影响造成孔位2周边发黑的部分、毛坯通孔边缘的微裂纹和残存的熔渣等不良现象，进而增强陶瓷面板1上通孔的强度，提升通孔质量。以下对数控机床切割毛坯通孔截面的过程进行详细说明。

1、将激光切割后得到毛坯通孔的陶瓷面板1从所述激光设备上拆卸后将该陶瓷面板1固定到所述数控机床上。

2、在采用数控机床对所述通孔的截面进行切割前，先设置数控机床切割路径；具体地，所述数控机床的切割路线优选设置为由内向外的螺旋线，并使得所述数控机床上的刀具正对所述毛坯通孔的中心。

3、采用数控机床对激光切割得到的陶瓷面板1上的毛坯通孔的截面进行切割。

采用所述数控机床切割所述毛坯通孔的截面，其是利用所述数控机床上的刀具直接与所述毛坯通孔的截面进行作用。所述刀具的初始下刀位置设置为与所述毛坯通孔的孔壁之间存在有间隔，且所述刀具在该间隔处以由内向外悬空旋转的方式与所述毛坯通孔的孔壁逐渐相接触。具体地，在利用所述数控机床上的刀具切割所述毛坯通孔的截面时，以所述陶瓷面板1上毛坯通孔的中心点为所述刀具的初始下刀位置，并螺旋下刀。

所述数控机床上切割所述毛坯通孔截面用的刀具为砂轮棒，为使所述砂轮棒能通过所述毛坯通孔并对所述毛坯通孔进行打磨，所述砂轮棒的直径设置为小于所述毛坯通孔的直径/宽度。

在所述刀具切割毛坯通孔截面的过程中，数控机床的走刀速度设置为20000~22000r/min，给进速度设置为0.3~0.6m/min，加工精度设置为0~8μm，加工余量设置为毛坯通孔的毛坯余量；作为一个优选方案，所述刀具走刀速度设置为20000r/min，给进速度设置为0.6m/min，加工精度设置为5μm，经实验验证，可达到较佳效果。

此外，为了防止粘刀、断刀现象，在所述数控机床切割所述毛坯通孔截面的过程中，可对陶瓷面板1辅以冷却液，该冷却液同时具有加强磨削的功能；其在数控机床切割陶瓷面板1通孔的过程中可带走切割时产生的大量热量，降低陶瓷面板1的温度，减小陶瓷面板1的热变形，控制残余应力和微观裂纹的产生；同时，所述冷却液还能在所述陶瓷面板1与所述砂轮棒之间形成一层润滑膜，降低刀具的磨损速度。

Claims (7)

1.一种陶瓷面板孔位的加工方法，其特征在于，其至少包括以下步骤： 采用激光切割形成毛坯孔的步骤；在陶瓷面板欲加工孔位位置，采用激光切割的方式切割形成与所述孔位的设计形状相一致并具有毛坯余量的毛坯通孔； 采用数控机床切割所述毛坯通孔的步骤；采用数控机床对所述激光切割形成的毛坯通孔的毛坯余量进行切割而形成所需尺寸的陶瓷面板孔位，所述数控机床的切割量等于所述毛坯通孔的毛坯余量； 其中所述毛坯通孔的毛坯余量为0.2mm~0.35mm；

其中，所述在陶瓷面板欲加工孔位位置，采用激光切割的方式切割形成与所述孔位的设计形状相一致并具有毛坯余量的毛坯通孔，具体包括：

根据所述陶瓷面板的的孔位的设计形状设置激光加工路径，所述激光加工路径设置为一带引线的闭合圈，其中，所述闭合圈的形状与所述孔位的设计形状一致；且所述引线的端部为所述激光切割的下刀位，所述激光 先沿所述引线连续达标，然后沿所述闭合圈连续打标，最后沿所述引线回到所述引线的端部后收刀；且所述引线的长度设置为所述闭合圈的宽度的1/3-1/2。

2.如权利要求1所述的陶瓷面板孔位的加工方法，其特征在于，所述激光由纳秒脉冲光纤激光器发射，在切割所述毛坯通孔时，所述纳秒脉冲光纤激光器发射的激光的能量为15~75W，出光频率为0.1~0.5kHz，激光占空比为0.05~0.2；且所述激光直线移动速率为1~3mm/s，圆弧移动速率为0.5~2mm/s，激光焦点设置在距所述陶瓷面板表面0~0.05mm的范围内。

3.如权利要求2所述的陶瓷面板孔位的加工方法，其特征在于，所述数控机床选择的刀具为直径小于毛坯通孔的直径或宽度的砂轮棒。

4.如权利要求3所述的陶瓷面板孔位的加工方法，其特征在于，所述数控机床在切割毛坯通孔的毛坯余量时，所述砂轮棒初始下刀位置与毛坯通孔的孔壁之间存在有间隔，所述砂轮棒在该间隔处由内向外悬空旋转的方式而与所述毛坯通孔的孔壁逐渐相接触。

5.如权利要求4所述的陶瓷面板孔位的加工方法，其特征在于，所述砂轮棒走刀速度为20000~22000r/min，给进速度为0.3~0.6m/min，数控机床的加工精度为0~8μm。

6.如权利要求2所述的陶瓷面板孔位的加工方法，其特征在于，在激光切割所述陶瓷面板的毛坯通孔时，向靠近所述毛坯通孔位置处的陶瓷面板表面喷射用以冷切陶瓷面板的高压气体，所述高压气体为浓度大于99.99%的压缩氮气，所述高压气体的压力为0.5~2MPa。

7.如权利要求5所述的陶瓷面板孔位的加工方法，其特征在于，在数控机床切割所述毛坯通孔的毛坯余量时，向靠近所述毛坯通孔位置处的陶瓷面板表面喷淋用以冷切陶瓷面板的冷却液。