CN109454326A - 一种透明材料激光辅助切削加工方法 - Google Patents

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徐九华
傅玉灿
苏宏华
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Abstract

本发明涉及一种透明材料激光辅助切削加工方法，是根据透明材料特性选择合适的激光类型；在透明材料加工前采用有限元仿真的方法对透明材料激光辅助加热过程进行仿真；根据温度场分布情况和工件的熔点确定激光束与切削刀具之间的横向和纵向距离；激光束从透明工件一侧入射，将激光焦点聚焦在透明工件的另一侧，在激光热效应的作用下产生热影响区，透明工件在激光辐照范围产生局部软化状态，然后采用切削刀具将透明工件待加工区材料去除，实现难加工材料的延性去除。解决激光束易被遮挡，激光镜头因粘粘切屑造成激光烧坏，切削刀具磨损速度快，加工效率低，加工表面质量差的问题。

Description

一种透明材料激光辅助切削加工方法
技术领域
本发明涉及精密切削加工领域，尤其涉及透明材料的激光辅助切削加工技术。
背景技术
在工业生产中，一些电子元器件以及光电产品的核心部件的加工过程时，通常需要对一些透明材料，比如光学玻璃、LBO、KDP等进行切割、打孔、抛光等操作。由于这些材料通常都是属于低断裂韧性的硬脆材料，因此在加工过程中极易产生表面微裂纹、亚表层损伤等缺陷，加工难度大，成品率低，特别是在满足精度的前提下难以保证加工的效率。随着对透明硬脆材料的产品需求量越来越大，传统的机械加工方法也正面临着新的挑战。
激光作为一种无接触、无污染的特种能量工具，越来越多的被应用到机械加工领域。激光辅助加工最早用于硬质材料的激光辅助车削。激光束直接聚焦于刀具切削区域的前面以预先软化待加工材料，可以降低硬脆材料((Si3N4,SiC,ZrO2,Al2O3,光学玻璃等)加工表面的断裂倾向或促进高温合金、Ti合金已加工表面的均匀化变形。激光辅助切削加工可有效提高难加工材料的加工效率，改善加工表面质量并降低刀具磨损。除了难加工材料的激光辅助车削，激光辅助铣削、激光辅助电化学加工及激光辅助射流加工技术也已被用于难加工材料的精密加工。
透明硬脆材料由于在切削过程中存在加工过程材料去除为脆性断裂去除，表面会产生较大表面缺陷，导致加工表面质量较差，同时切削刀具在受到断续冲击的作用下回严重影响其使用寿命，考虑到激光辅助加工热效应软化的优点，将其应用于透明硬脆材料的切削加工可大大提高切削刀具的使用寿命并并改善加工表面质量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种适用于透明材料的激光辅助切削加工方法，可以提高透明材料切削刀具使用寿命并改善加工表面质量的方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种透明材料激光辅助切削工艺方法，步骤如下：
步骤一：根据透明材料工件特性选择合适的激光类型；确定激光波长、激光功率范围、激光频率范围、激光脉宽范围，以最大限度增加透明材料对激光的吸收率；
如由于蓝宝石激光透过率较高，不能选择较高的红外激光，只能选择选择吸收率较高的紫外或深紫外激光。
步骤二：在透明材料加工前采用有限元仿真的方法对透明材料激光辅助加热过程进行仿真，以获得合适的激光加热参数和温度场分布情况，根据温度场分布情况和透明材料工件的熔点确定激光束与切削刀具之间的横向和纵向距离，以及激光入射角度。
步骤三：搭建激光辅助切削透明材料加工平台，通过仿真和材料特性选择的加工工艺参数对激光和机床系统进行设定，包括激光功率、激光脉冲频率、脉冲宽度、切削刀具进给速度、切削深度、进给量；同时，透明工件的装夹不能遮挡激光的传输路径；
步骤四：将透明工件安装固定，聚焦激光束从透明工件一侧入射，通过调节激光离焦量将激光焦点聚焦在透明工件的另一侧，在激光热效应的作用下产生深度为h的热影响区，透明工件在激光辐照范围产生局部软化状态，然后采用切削刀具将透明工件待加工区材料去除，实现难加工材料的延性去除；
其中，激光离焦量与光斑半径关系如下所示：
其中，z是离焦量，f＝L/2为镜的焦距，L为共焦腔长，ω0为高斯光束的基模腰斑半径，ωz为基模光斑半径。
在离焦量z范围激光产生的热影响深度为h，当切削深度ap＜h时，激光热影响深度大于切削深度，此时可有效软化待去除透明材料，促进透明硬脆性材料的韧性域去除，提高加工表面质量。
采用的激光束近似为理想的高斯光束，透明材料激光辐照形成的能量密度如下式所示：
其中A为透明材料对激光的吸收率，与激光波长，材料性能、工件表面状态以及几何形貌有关；P为激光平均功率；fl为激光重复频率；r为激光辐照范围内任一点距光斑中心的半径。
因此，为降低激光辐照面积，提高单位面积激光能量，采用激光光束垂直待加工面进行入射。
该步骤中，透明工件可以是固定不动，激光头和切削刀具沿“Z”字进给，在进给过程中对工件材料进行去除，返回过程中无材料去除，也可以透明工件旋转，激光头和切削刀具螺旋线进给。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用激光辅助加热软化硬脆透明材料，可以降低透明材料的脆性，降低切削过程中发生的微裂纹及亚表面损伤，改善加工表面完整性。
(2)本发明中激光束与切削刀具分别位于透明工件两侧，操作方面，避免刀具遮挡激光束以及同侧时镜头因粘粘切屑造成激光烧坏。
(3)本发明透明材料在激光的热效应作用下得到软化，材料去除形式从脆性去除转变成延性去除，这使得切削刀具在去除材料过程中受力较小，磨损程度较小，能够延长刀具使用寿命，提高加工效率。
本发明的激光辅助切削加工透明硬脆材料工艺方法，用于激光光束控制的聚焦系统和砂轮加工系统分别安装于透明工件的两侧，激光束穿过透明材料聚焦于待加工表面且位于砂轮切削位置前缘。砂轮和激光头(扫描振镜或物镜)安装于同一直线轴上，采用单向仅给、多次切削的Z字形加工路径以加工整个工件表面，从而实现光学玻璃等透明材料加工效率的提高及表面完整性的改善。
附图说明
图1是透明材料激光辅助切削示意图；
图2是透明材料激光辅助切削工作原理图；
图3是激光辅助切削加工运动轨迹图；
图4是划分网格划分后的工件示意图。
图中：1、激光头，2、激光束，3、透明工件，4、切削刀具，5、切屑，6、激光热影响区，7、“Z”字切削进给路径，8、“Z”字切削返回路径，10、螺旋切削路径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
实施例1
参照图1所示，一种透明材料激光辅助切削加工方法，包括以下步骤：
步骤一：根据透明材料特性选择合适的激光类型，以最大限度增加透明材料对激光能量的吸收；
本实施例中，所加工的透明材料工件是透明光学玻璃，所选择的激光类型是1064nm的纳秒激光。
步骤二：在透明材料工件加工前采用有限元仿真的方法对透明材料激光辅助加热过程进行仿真，以获得激光热影响区深度h和温度场分布情况，在此基础上确定激光中心距刀具尖端的距离L以及切削深度ap。
仿真过程为：由能量守恒定律和傅里叶定律，采用热力学传导控制方程为：
式中，kr,kθ,kz分别是r，θ，z方向的材料的导热系数W/(m·K)，由于将工件看作各向同性材料，则kr＝kθ＝kz；c为材料的比热容J/(kg·K)；T为某一时刻的温度(℃)；ρ为光学玻璃的密度(kg/m3)，q”'为单位体积内产生的热量，考虑到实际工件无内部热源，则q”'＝0。
将工件的整体初始温度设定为
T(r,θ,z,t＝0)＝To
工件表面存在热流密度输入和对流换热边界条件，所以满足
A为工件的热吸收系数。激光作用过程中产生的对流热流。单位面积换热能量为：
qconv＝hc(Ts-Tb)
式中，hc为周围空气对流换热系数取200W/(m·K)；Ts为工件表面温度；Tb为环境温度(22℃)。
在整个激光加热系统中，砂轮处于同时辐射和吸收热量状态，他们之间的净热量传递可以用史蒂芬-波尔兹曼方程计算(辐射热流密度)：
式中，σ为波尔兹曼常数5.67×10-8W/(m2·K4)；ε为热辐射率。
将激光束近似为理想的高斯光束，透明材料激光辐照形成的能量密度可以表示为：其中A为光学玻璃对激光的吸收率；P为激光平均功率；fl为激光重复频率；r为激光辐照范围内任一点距光斑中心的半径。
激光辅助加热温度场分析需要选择三维瞬态热分析单元，单元类型选为SOLID70。划分网格划分后的工件如图4所示，网格尺寸为0.001mm。采用ANSYS有限元软件，通过加载激光热流密度、初始条件和边界条件可以得到激光温度场的分布情况和热影响深度h，在小于h范围内，光学玻璃得到充分软化，只需要保证ap＜h即可。
本实施例中，确定激光束与切削刀具之间的横向距离和纵向距离分别是1-2mm和0mm。
步骤三：搭建激光辅助切削透明材料加工平台，通过仿真和材料特性选择的加工工艺参数对激光和机床系统进行设定，包括激光功率、激光脉冲频率、脉冲宽度、切削刀具进给速度、切削深度等；
该实施例中，激光功率为20W-40W、激光波长为1064nm、脉冲宽度4ns-120ns，切削刀具进给速度为15mm/min左右，切削深度为0.05mm，工件旋转速度为100-200r/min。
步骤四：将透明工件3安装固定，聚焦激光束2从透明工件3一侧入射，通过调节激光离焦量将激光焦点聚焦在透明工件的另一侧，在激光热效应的作用下产生深度为h的热影响区6，透明工件在激光辐照范围产生局部软化状态，然后采用切削刀具4将透明工件3待加工区材料去除，在这一过程激光头与切削刀具相对位置保持不变，激光头和切削刀具沿“Z”字切削进给路径7进给，再沿着“Z”字切削进给路径8返回，实现材料的去除。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是，步骤四中透明工件以一定转速(100-200r/min)旋转，激光头和切削刀具沿螺旋线进给。

Claims (5)

1.一种透明材料激光辅助切削加工方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：根据透明材料工件特性选择激光类型；确定激光波长、激光功率范围、激光频率范围、激光脉宽范围；
步骤二：在透明材料加工前采用有限元仿真的方法对透明材料激光辅助加热过程进行仿真，以获得激光加热参数和温度场分布情况，根据温度场分布情况和透明材料工件的熔点确定激光束与切削刀具之间的横向和纵向距离以及激光入射角度；
步骤三：搭建激光辅助切削透明材料加工平台，根据仿真结果和材料特性选择的加工工艺参数对激光和机床系统进行设定，包括激光功率、激光脉冲频率、脉冲宽度、切削刀具进给速度、切削深度、进给量；
步骤四：将透明工件安装固定，聚焦激光束从透明工件一侧入射，通过调节激光离焦量将激光焦点聚焦在透明工件的另一侧，在激光热效应的作用下产生深度为h的热影响区，透明工件在激光辐照范围产生局部软化状态，然后采用切削刀具将透明工件待加工区材料去除，实现难加工材料的延性去除。
2.权利要求1所述一种透明材料激光辅助切削加工方法，其特征在于，步骤三中，切削深度的选择原则如下式：
ap＜h；
h是在离焦量z范围激光产生的热影响深度；
ap是切削深度。
3.权利要求1所述的一种透明材料激光辅助切削加工方法，其特征在于，步骤二中，激光入射角度的选择原则如下：
采用的激光束近似为理想的高斯光束，透明材料激光辐照形成的能量密度如下式所示：
其中A为透明材料对激光的吸收率，与激光波长，材料性能、工件表面状态以及几何形貌有关；P为激光平均功率；fl为激光重复频率；r为激光辐照范围内任一点距光斑中心的半径。
4.权利要求1所述的一种透明材料激光辅助切削加工方法，其特征在于，步骤四中，切削刀具将透明工件待加工区材料去除的过程中，透明工件固定，激光头和切削刀具沿“Z”字进给，在进给过程中对工件材料进行去除，返回过程中无材料去除；或者透明工件旋转，激光头和切削刀具螺旋线进给。
5.权利要求1所述的一种透明材料激光辅助切削加工方法，其特征在于，步骤一中，激光选择原则是:对于激光透过率高的透明材料，选择吸收率高的激光。
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