CN108311790A - 一种激光辅助金刚石划切加工的方法和加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种激光辅助金刚石划切加工的方法和加工系统，本法光纤导引的激光束聚焦于工件表面的划切路径上，激光加热工件，使划切部位的材料软化，金刚石划切头紧随激光聚焦光斑，划切加热后强度降低的区域。本系统金刚石划切装置的悬臂下端经固定卡具连接金刚石划切头。激光经导引光纤引导至激光头，整形后的激光束聚焦于工件表面，金刚石划切头接触工件表面的点与激光束在工件表面的聚焦点有距离。导引光纤安装于调节结构上的保护壳体内，以便调节激光束。激光加热后材料强度降低，划切难度降低，且可减少切槽崩边、裂纹缺陷，还可提高加工效率。

Description

一种激光辅助金刚石划切加工的方法和加工系统

技术领域

本发明涉及超硬脆性材料的微损伤加工技术，具体为一种激光辅助金刚石划切加工的方法和加工系统，激光加热降低工件表面加工路径上的材料强度，以利于金刚石划切加工。

背景技术

金刚石划切加工脆硬材料是常用的方法，金刚石刀具作用于工件表面，接触产生的压力作用使划切路径上的材料产生塑性变形、滑移，进而使材料破坏分离完成划切加工。由于金刚石莫氏硬度可达9以上，热性能稳定且熔点高于3500摄氏度，长期应用于硬脆材料划切加工，具有划切速度高的特点。但是金刚石划切加工过程中，由于机械冲击的影响，工件切槽两侧面常常产生崩边、裂纹，切槽表面形态难以保持完整、存在缺陷。降低金刚石划切进给速度等方法可以部分降低金刚石划切加工槽的缺陷率，但人们一直在寻找比目前的金刚石划切更加省时高效、且高精度的加工方法。

激光切槽也是常用的脆硬材料加工方法之一。激光能量能汇聚于极小的面积上，获得高能量密度，使工件局部材料受热升温，瞬间汽化，去除受热处的材料，完成加工。但激光能量集中累积在材料加工区域周围，会对工件造成热损伤。激光加热材料相变时压力急剧升高，汽化和液化的材料溅射形成凝固物质颗粒，附着于切槽或工件表面，影响加工质量。而且加工过程中高温产生的等离子体会对激光产生屏蔽作用，降低激光能量的利用效率。再者，目前高精度加工的工件厚度变得越来越薄，材料对机械冲击和热冲击也越来越敏感，激光加工中所产生的热损伤及微裂纹、微孔等缺陷也更易扩展，影响工件服役的寿命。显然当前的激光加工也存在着难以克服的缺陷。

发明内容

本发明的目的是设计一种激光辅助金刚石划切加工的方法，采用激光加热工件，使划切部位的材料软化，再用金刚石刀具划切加热后强度降低的区域，由于加热后的脆硬材料强度降低，其划切的难度降低，且可减少金刚石划切过程中的切槽崩边、裂纹等缺陷，也可提高划切进给速度，提高加工效率。另外由于激光加热较低，不发生熔化、汽化相变，降低加工过程的热损伤、减少激光加工熔渣粘附，改善表面光洁度。

本发明的另一目的是基于上述本发明一种激光辅助金刚石划切加工的方法设计一种激光辅助金刚石划切加工系统，包括金刚石划切装置和光纤导引激光加热装置。激光束中心线和金刚石划切装置悬臂的中心线共面异轴，激光加热装置和金刚石划切装置协同作用于工作台上的工件。

本发明设计的一种激光辅助金刚石划切加工的方法，工件固定于工作台台面上，金刚石划切装置的金刚石划切头作用于工件表面的划切路径上进行加工，光纤导引的激光束聚焦于工件表面的划切路径上，金刚石划切头紧随激光聚焦光斑，二者协同进行加工。

激光聚焦点上的材料在激光的热作用下发生局部软化强度大大降低，便于金刚石的划切。

激光的波长为200nm～1064nm，激光能量密度为10J/cm²～30J/cm²，脉宽100ns～500ns,重复频率10kHz～60kHz。

金刚石划切头接触工件表面的点与激光在工件表面的聚焦点的距离为(1～9)×10μm～(1～5)×10²μm。

金刚石划切头的划切速度0.2m/s～2m/s；划切深度100nm～500μm。

本发明基于上述本发明一种激光辅助金刚石划切加工的方法设计的一种激光辅助金刚石划切加工系统，包括金刚石划切装置和放置工件的工作台，工作台台面为水平面，工件固定于工作台台面。金刚石划切装置的悬臂中心线垂直于工作台台面，悬臂下端固定固定卡具，固定卡具连接安装金刚石划切头，固定卡具和金刚石划切头的中心线均与悬臂中心线重合。还配置激光加热装置，激光加热装置包括激光器和导引光纤，导引光纤末端连接激光头，激光头内为光纤耦合器和整形光学部件。激光器发出的激光经导引光纤引导至激光头内的光纤耦合器和整形光学部件，整形后的激光束聚焦于工件表面，金刚石划切头接触工件表面的点与激光束在工件表面的聚焦点的水平距离为(1～9)×10μm～(1～5)×10²μm。

所述激光束的中心线与金刚石划切装置悬臂的中心线共面，二者的交角为0°～45°。

所述金刚石划切头尖端直径15μm～40μm。

所述导引光纤末段安装于刚性的保护壳体内，保护壳体安装于固定支架的调节结构上，所述调节结构为可调节高度、水平位移和俯仰角度的调节结构。

与现有技术相比，本发明一种激光辅助金刚石划切加工的方法和加工系统的优点为：1、由于激光加热后的脆硬材料强度降低，材料在金刚石划切头压力作用下更易发生变形、塑性流动，其划切的难度降低，机械式加工所需作用力减小；2、材料的划切去除发生在微尺度范围的加热区内，不发生熔化、汽化相变，周边材料强度不变，本发明的金刚石划切头的作用力小于传统金刚石加工所需压力，不会对工件产生大的机械冲击，划切不易产生崩边、碎屑、裂纹等缺陷，提高划切质量和精度；3、激光加热后的工件温度低于相变温度，故与传统激光熔切的加工相比，对工件材料组织的热损伤小，同时也减少激光加工熔渣粘附，改善表面光洁度。

附图说明

图1为本激光辅助金刚石划切加工系统实施例结构图；

图2为图1中局部M金刚石划切头与激光束位置关系的放大示意图；

图3为图1中调节结构正视示意图；

图4为图1中调节结构俯视示意图。

图内标号为：

1.工作台，2.工件，3.激光束，4.激光头，5.导引光纤，6.保护壳体，7.调节盘，8.水平位移调节装置，81.水平滑动块，82.水平导向杆，83.水平调节螺杆，9.悬臂，10.竖直位移调节装置，101.竖直滑动块，102.竖直导向杆，103.竖直调节螺杆，104.固定块，11.固定卡具，12.金刚石划切头。

具体实施方式

激光辅助金刚石划切加工系统实施例

本激光辅助金刚石划切加工系统结构如图1所示。本系统包含金刚石划切装置和固定工件2的工作台1，三维可调的工作台台面为水平面。金刚石划切装置的悬臂9中心线垂直于工作台1台面。如图2所示，悬臂9下端固定固定卡具11，固定卡具11连接安装金刚石划切头12，固定卡具11和金刚石划切头12的中心线均与悬臂9中心线重合。本例金刚石划切头12尖端直径15μm～40μm。

还配置激光加热装置，激光加热装置包括激光器和导引光纤5，导引光纤5同轴安置于保护壳体6内，其末端连接激光头4，激光头4内为光纤耦合器和整形光学部件。激光器发出的激光经导引光纤5引导至激光头4内的光纤耦合器和整形光学部件。

本例导引光纤5末段同轴安置于刚性的保护壳体6内，保护壳体6安装于固定支架的调节结构上。本例调节结构包括调节俯仰角度的调节盘7、水平位移调节装置8和竖直位移调节装置10。

如图1、3和4所示，内装导引光纤5的保护壳体6固定于调节盘7上，调节盘的转动轴平行于工作台台面、垂直于保护壳体6中心线所处的面，调节盘7转动即可调节导引光纤5的俯仰角度。水平位移调节装置8的水平滑动块81为水平截面为U形的块，调节盘7的轴可转动地安装于水平滑动块81的U形槽内，U形槽底面朝向悬臂9。U形两臂各有一个从U形顶面通到U开底的水平的通孔，其中一孔内插入水平导向杆82，另一孔内插入水平调节螺杆83，水平导向杆82底端固定于竖直位移调节装置10的竖直滑动块101，水平调节螺杆83的底端旋入竖直滑动块101的螺孔内。水平导向杆82和水平调节螺杆83的端头处于水平滑动块81的U形的顶面之上。旋动水平调节螺杆83即可使水平滑动块81沿水平方向平移。

竖直滑动块101套在悬臂9上，竖直滑动块101与悬臂9为间隙配合，竖直滑动块101下方为固定于悬臂9上的固定块104。竖直滑动块101在悬臂9的左右各有一竖直通孔，其中一孔内插入竖直导向杆102，另一孔内插入竖直调节螺杆103，竖直导向杆102底端固定于固定块104，竖直调节螺杆103底端旋入固定块104的螺孔内，旋动竖直调节螺杆103，竖直滑动块101即可在悬臂9上实现上下位移。

如图2所示，本例的调节范围：激光束3中轴线与金刚石划切头12中轴线夹角为θ为0°～45°，激光束3在工件2上的加热点与金刚石划切头12距离L为(1～9)×10μm～(1～5)×10²μm。

激光辅助金刚石划切加工的方法实施例

本例采用上述激光辅助金刚石划切加工系统实施例，工件2固定于工作台1的台面。

金刚石划切头12与工件2表面接触，旋动竖直调节螺杆103使竖直滑动块101在竖直导向杆102导向下沿悬臂9竖直运动；旋动水平调节螺杆83使水平滑动块81在水平导向杆82导向下水平运动；转动调节盘7至激光器产生的激光经导引光纤5导引和激光头4的整形、聚焦后，激光束3聚焦于工件2表面的划切路径上，本例聚焦点与金刚石划切头12接触工件2表面的点距离为300μm。激光束32，工件被加热部位强度降低，金刚石划切头12刻划加热部位，二者协同进行加工。

本例激光的波长为500nm，激光能量密度为20J/cm²，脉宽300ns,重复频率40kHz。

本例划切单晶硅，划切压力为20MPa～500MPa，金刚石划切头的划切速度1m/s；划切深度300μm。经SEM检测划切线周围无崩边和变质层。

相同的工件样品，采用相同的金刚石划切装置，但没有激光加热装置，划切压力需要达到3GPa～6GPa间，才能获得与本实施例相同的划切速度和划切深度，由于划切压力大，划切线周围存在崩边。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光辅助金刚石划切加工的方法，工件固定于三维可调的工作台台面上，金刚石划切装置的金刚石划切头作用于工件表面的划切路径上进行加工，其特征在于：

导引光纤(5)导引的激光束(3)聚焦于工件(2)表面的划切路径上，金刚石划切头(12)紧随激光聚焦光斑，二者协同进行加工。

2.根据权利要求1所述的激光辅助金刚石划切加工的方法，其特征在于：

所述激光的波长为200nm～1064nm，激光能量密度为10J/cm²～30J/cm²，脉宽100ns～500ns,重复频率10kHz～60kHz。

3.根据权利要求1所述的激光辅助金刚石划切加工的方法，其特征在于：

所述金刚石划切头(12)接触工件(2)表面的点与激光束(3)在工件(2)表面的聚焦点的水平距离为(1～9)×10μm～(1～5)×10²μm。

4.根据权利要求1所述的激光辅助金刚石划切加工的方法，其特征在于：

所述金刚石划切头(12)的划切速度为0.2m/s～2m/s。

5.根据权利要求1所述的激光辅助金刚石划切加工的方法，其特征在于：

所述金刚石划切头(12)的划切深度为100nm～500μm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光辅助金刚石划切加工的方法设计的一种激光辅助金刚石划切加工系统，其特征在于：

包括金刚石划切装置和放置工件的工作台(1)，三维可调的工作台(1)台面为水平面，工件(5)固定于工作台(1)台面；金刚石划切装置的悬臂(9)中心线垂直于工作台(1)台面，悬臂(9)下端固定固定卡具(11)，固定卡具(11)连接安装金刚石划切头(12)，固定卡具(11)和金刚石划切头(12)的中心线均与悬臂(9)中心线重合；

还配置激光加热装置，激光加热装置包括激光器和导引光纤(5)，导引光纤(5)末端连接激光头(4)，激光头(4)内为光纤耦合器和整形光学部件；激光器发出的激光经导引光纤(5)引导至激光头(4)内的光纤耦合器和整形光学部件，整形后的激光束(3)聚焦于工件(2)表面。

7.根据权利要求6所述的激光辅助金刚石划切加工系统，其特征在于：

所述金刚石划切头(12)接触工件(2)表面的点与激光在工件(2)表面的聚焦点的水平距离为(1～9)×10μm～(1～5)×10²μm。

8.根据权利要求6所述的激光辅助金刚石划切加工系统，其特征在于：

所述激光束(3)的中心线与金刚石划切装置悬臂(9)的中心线共面，2条中心线的交角为0°～45°。

9.根据权利要求6所述的激光辅助金刚石划切加工系统，其特征在于：

所述金刚石划切头(12)尖端直径15μm～40μm。

10.根据权利要求6所述的激光辅助金刚石划切加工系统，其特征在于：

所述导引光纤(5)末段安装于刚性的保护壳体(6)内，保护壳体(6)安装于固定支架的调节结构上。