CN107685197A - 利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置及方法，可高效的对铸造砂型进行宽度和深度为毫米级的刻槽，进而在铸件表面形成向外突出的文字、符号或图案标记。本发明依据激光烧蚀原理，采用由激光光源与光学元件组合形成的线型光源对铸造砂型进行扫描，快速获得基于铸造砂型表面向内凹进的文字、符号或图案。通过调整光学元件之间的相对位置来控制刻槽的宽度，通过改变激光器的工作频率、输出能量以及样品移动的时间间隔来控制刻槽的深度和速率。本发明实现了通过线型光源对铸造砂型进行快速刻槽，加工过程无接触、无机械力加载，简单且高效。

Description

利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置及方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置及方法。
背景技术
激光器自诞生以来，经过近六十年的发展，激光应用技术已在众多领域成为不可替代的关键技术，其中激光加工技术已愈来愈多地渗入到诸多高新技术领域，并开始逐步取代或改造某些传统加工行业。激光加工具有非接触、精度高、效率高等优点，目前较为成熟的激光加工技术主要有激光切割技术、激光打标技术、激光打孔技术等。这些技术可以用于各种金属或非金属的加工。
在砂型铸造领域的很多场合需要对产品进行标记，如铸造批次、日期、制造商商标等。传统的做法是利用一含有标记信息的基体板来实现。但这些基体板会在铸造过程中产生磨损，形成缺陷，进而使铸造成型的标记模糊，甚至影响铸件质量。此外，当基体板的磨损达到一定程度时，或者当需要更换标记文字、符号、图案时，需要及时更换基体板，或者另行制造基体板，这都会增加制造周期，进而影响成本效益。W. Weimann等人于1994年提出三种方法来对铸造砂型进行标记：（1）利用带有标记图案的冲模对铸造砂型进行压制，将相应的标记转换至铸造砂型表面；（2）利用超声方法进行划刻；（3）利用激光束进行划刻。但W.Weimann仅对第一种方法进行了较为详细的说明，并指出具体实施过程中需要严格控制冲模压制的力度。对于后两种方法，特别是利用激光束进行划刻，W. Weimann并未对具体实施方案进行进一步的阐述。然而，与前两种方法相比，利用激光进行划刻具有诸多优点：（1）对铸造砂型表面的平整度要求低；（2）可进行快速定位；（3）无模具磨损；（4）无需机械力加载；（5）更换标记方便快捷。因此，利用激光进行刻划并给出相应的实施方案具有重要意义和应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置及方法，解决了传统方法基体板易磨损以及点激光源效率低等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，包括激光器、光阑、第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜、高阈值全反镜、铸造砂型、第一一维电动平移台、第二一维电动平移台和二维电动平移台。
共光轴依次设置激光器、光阑、第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜和高阈值全反镜，第一柱面凸透镜置于第一一维电动平移台上，第二柱面凸透镜置于第二一维电动平移台上，第一一维电动平移台、第二一维电动平移台的移动方向平行于x轴，高阈值全反镜使激光器出射的激光束的传播方向由-x变为-y，铸造砂型的上表面平行于zox平面，且其上表面位于第二柱面凸透镜的焦平面上，铸造砂型置于二维电动平移台上，二维电动平移台能够在平行于x轴和平行于z轴的两个方向上移动，上述激光器、光阑、第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜、高阈值全反镜同轴等高。
一种基于利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1、调节各器件使激光器、光阑、第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜、高阈值全反镜同轴等高；
步骤2、缩小光阑的光圈，截去激光器出射光束中距离中心光轴较远的边缘部分；
步骤3、调节高阈值全反镜的角度，使得其反射后的激光束平行于-y轴方向；
步骤4、通过第二一维电动平移台调节第二柱面凸透镜在平行于x轴方向上的位置，使得铸造砂型位于第二柱面凸透镜的焦平面上；
步骤5、根据所需加工凹槽的宽度，通过第一一维电动平移台调节第一柱面凸透镜在平行于x轴方向上的位置；
步骤6、设置激光器的出射激光束能量和脉冲频率、二维电动平移台的移动步长、移动的时间间隔和路径；
步骤7、启动激光器和二维电动平移台，对铸造砂型进行刻槽。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）采用激光对铸造砂型进行刻槽，整个加工过程无接触、无机械力加载；（2）利用具有一定长度的线型光源进行刻槽，相比尺寸有限的点光源，可以大大提高加工速率；（3）所使用的线型光源的长度可通过调整光学元器件的相对位置进行调节；（4）本发明对应的刻槽速率和深度可通过激光器的工作频率、输出能量以及样品移动的时间间隔来控制。
附图说明
图1为本发明利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置的光路图。
图2为利用本发明所述的加工装置激光加工得到的凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明的一种利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，包括激光器1、光阑2、第一柱面凸透镜3、第二柱面凸透镜4、高阈值全反镜5、铸造砂型6、第一一维电动平移台7、第二一维电动平移台8、二维电动平移台9。
共光轴依次设置激光器1、光阑2、第一柱面凸透镜3、第二柱面凸透镜4和高阈值全反镜5，第一柱面凸透镜3置于第一一维电动平移台7上，第二柱面凸透镜4置于第二一维电动平移台8上，第一一维电动平移台7、第二一维电动平移台8的移动方向平行于x轴，高阈值全反镜5使激光器1出射的激光束的传播方向由-x变为-y，铸造砂型6的上表面平行于zox平面，且其上表面位于第二柱面凸透镜4的焦平面上，铸造砂型6置于二维电动平移台9上，二维电动平移台9能够在平行于x轴和平行于z轴的两个方向上移动，上述激光器1、光阑2、第一柱面凸透镜3、第二柱面凸透镜4、高阈值全反镜5同轴等高，激光器1、第一一维电动平移台7、第二一维电动平移台8、二维电动平移台9的运行由计算机控制。（其中z轴垂直于纸面，方向向外，y轴沿纸面，方向向上）
第一柱面凸透镜3和第二柱面凸透镜4的轴向子午线互相垂直，且第一柱面凸透镜3的焦距大于第二柱面凸透镜4。
第一柱面凸透镜3与高阈值全反镜5之间的距离小于第一柱面凸透镜3的焦距，第二柱面凸透镜4与高阈值全反镜5之间的距离小于第二柱面凸透镜4的焦距。
第一柱面凸透镜3的位置可位于光阑2与第二柱面凸透镜4之间，也可位于第二柱面凸透镜4与高阈值全反镜5之间。
通过移动第一一维电动平移台7来改变第一柱面凸透镜3相对于第二柱面凸透镜4的位置，进而调整到达铸造砂型6表面的线型激光光源的长度，最终达到控制刻槽宽度的目的。
所述激光器1为脉宽小于20ns、经聚焦后能量密度高于铸造砂型烧蚀阈值、可重频工作的各类激光器，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。
所述高阈值全反镜5具有较高的损伤阈值，保证其不被激光束损伤。
一种基于利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1、调节各器件使激光器1、光阑2、第一柱面凸透镜3、第二柱面凸透镜4、高阈值全反镜5同轴等高。
步骤2、缩小光阑2的光圈，截去激光器1出射光束中距离中心光轴较远的边缘部分。
步骤3、调节高阈值全反镜5的角度，使得反射后的激光束平行于-y轴方向。
步骤4、通过第二一维电动平移台8调节第二柱面凸透镜4在平行于x轴方向上的位置，使得铸造砂型6位于第二柱面凸透镜4的焦平面上。
步骤5、根据所需加工凹槽的宽度，通过第一一维电动平移台7调节第一柱面凸透镜3在平行于x轴方向上的位置。
步骤6、设置激光器1的出射激光束能量和脉冲频率、二维电动平移台9的移动步长、移动的时间间隔和路径。
步骤7、启动激光器1和二维电动平移台9，对铸造砂型6进行刻槽。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述：
实施例1：
一种基于利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，其中激光器1采用Nd:YAG调Q激光器（波长1064nm、脉宽5ns、光斑直径5.7mm、重复频率1-20Hz）；第一柱面凸透镜3采用焦距为400mm的柱面凸透镜；第二柱面凸透镜4采用焦距为200mm的柱面凸透镜；调节各器件使激光器1、光阑2、第一柱面凸透镜3、第二柱面凸透镜4、高阈值全反镜5同轴等高。
步骤2、缩小光阑2的光圈使其透光直径为5mm，截去激光器1出射光束中距离中心光轴较远的边缘部分。
步骤3、调节高阈值全反镜5的角度，使得反射后的激光束平行于-y轴方向。
步骤4、通过第二一维电动平移台8调节第二柱面凸透镜4在平行于x轴方向上的位置，使得铸造砂型6位于第二柱面凸透镜4的焦平面上。
步骤5、根据所需加工凹槽的宽度（1.6mm），通过第一一维电动平移台7调节第一柱面凸透镜3在平行于x轴方向上的位置。
步骤6、设置激光器1的出射激光束能量为64.7mJ，脉冲频率为20Hz，二维电动平移台9的移动步长为200μm，移动的时间间隔为1.5s，路径为沿着-x轴方向移动50步。
步骤7、启动激光器1和二维电动平移台9，对铸造砂型6进行刻槽。
结束以上步骤后对加工的凹槽进行测量和拍照如图2所示，其宽度为1.6mm，深度为1.5mm，长度为10.5mm，所需时间为75s。
结合实例可以发现：应用本激光加工装置和方法进行加工，整个加工过程无接触、无机械力加载，不会对铸件砂型其他部位产生影星。此外，应用线型光源进行单向扫描，无需像点光源那样来回扫描以形成具有一定宽度的凹槽，极大地提高了加工效率。

Claims (7)

1.一种利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，其特征在于：包括激光器（1）、光阑（2）、第一柱面凸透镜（3）、第二柱面凸透镜（4）、高阈值全反镜（5）、铸造砂型（6）、第一一维电动平移台（7）、第二一维电动平移台（8）和二维电动平移台（9）；
共光轴依次设置激光器（1）、光阑（2）、第一柱面凸透镜（3）、第二柱面凸透镜（4）和高阈值全反镜（5），第一柱面凸透镜（3）置于第一一维电动平移台（7）上，第二柱面凸透镜（4）置于第二一维电动平移台（8）上，第一一维电动平移台（7）、第二一维电动平移台（8）的移动方向平行于x轴，高阈值全反镜（5）使激光器（1）出射的激光束的传播方向由-x变为-y，铸造砂型（6）的上表面平行于zox平面，且其上表面位于第二柱面凸透镜（4）的焦平面上，铸造砂型（6）置于二维电动平移台（9）上，二维电动平移台（9）能够在平行于x轴和平行于z轴的两个方向上移动，上述激光器（1）、光阑（2）、第一柱面凸透镜（3）、第二柱面凸透镜（4）、高阈值全反镜（5）同轴等高。
2.根据权利要求1所述的利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，其特征在于：所述第一柱面凸透镜（3）和第二柱面凸透镜（4）的轴向子午线互相垂直，且第一柱面凸透镜（3）的焦距大于第二柱面凸透镜（4）。
3.根据权利要求1所述的利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，其特征在于：所述第一柱面凸透镜（3）与高阈值全反镜（5）之间的距离小于第一柱面凸透镜（3）的焦距，第二柱面凸透镜（4）与高阈值全反镜（5）之间的距离小于第二柱面凸透镜（4）的焦距。
4.根据权利要求1所述的利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，其特征在于：所述激光器（1）为脉宽小于20ns、经聚焦后能量密度高于铸造砂型烧蚀阈值、可重频工作的各类激光器。
5.根据权利要求1或4所述的利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，其特征在于：所述激光器（1）为气体激光器、固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
6.根据权利要求1所述的利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置，其特征在于，所述高阈值全反镜（5）具有较高的损伤阈值，保证其不被激光束损伤。
7.一种基于权利要求1所述利用线型激光源对铸造砂型进行刻槽的加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、调节各器件使激光器（1）、光阑（2）、第一柱面凸透镜（3）、第二柱面凸透镜（4）、高阈值全反镜（5）同轴等高；
步骤2、缩小光阑（2）的光圈，截去激光器（1）出射光束中距离中心光轴较远的边缘部分；
步骤3、调节高阈值全反镜（5）的角度，使得其反射后的激光束平行于-y轴方向；
步骤4、通过第二一维电动平移台（8）调节第二柱面凸透镜（4）在平行于x轴方向上的位置，使得铸造砂型（6）位于第二柱面凸透镜（4）的焦平面上；
步骤5、根据所需加工凹槽的宽度，通过第一一维电动平移台（7）调节第一柱面凸透镜（3）在平行于x轴方向上的位置；
步骤6、设置激光器（1）的出射激光束能量和脉冲频率、二维电动平移台（9）的移动步长、移动的时间间隔和路径；
步骤7、启动激光器（1）和二维电动平移台（9），对铸造砂型（6）进行刻槽。
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