CN109773429A - 一种非晶合金精密切割工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶合金精密切割工艺，包括如下工艺步骤：S01，利用激光在非晶合金制件待切割位置切割出切割槽，所述切割槽的深度为不切透所述待切割位置且所述切割槽背面切割印痕清晰可见；S02，制备与待切割非晶合金制件相适配的冲切模具，利用所述冲切模具将S01中所述切割槽冲断。本发明提供了一种适用于非晶合金材料的精密切割工艺，该切割工艺尤其适用于尺寸轻薄的非晶合金制件。
Description
技术领域
本发明属于非晶合金加工领域，具体涉及一种应用于非晶合金的精密切割工艺。
背景技术
非晶合金的特点是微观结构短程有序、长程无序，因此具有比晶态合金更为优异的物理化学性质，具有高强度、高韧性、好的耐磨耐蚀性、优良软磁性和超导特性等品质。随着非晶合金体系不断被开发，其应用价值也逐渐在工业领域得到承认，在许多工业领域中，非晶合金已经取代了传统的晶态金属材料。随着非晶合金越来越广泛的应用，其加工工艺也同样成为了相关研究中的热点。
任何非晶合金制件的加工都离不开切割工艺，现有技术中的非晶合金切割工艺主要包括刀具或者砂轮切割、线切割、水射流切割以及激光切割。上述现有的切割方法中，由于非晶合金脆性大、硬度高，利用刀具或者砂轮切割一方面在切割过程中容易导致非晶合金制件碎裂，另一方面刀具或者砂轮切割工艺对所使用的刀具或者砂轮的消耗尤其严重，导致加工过程耗材多、成本高，与高成本不匹配的是加工精度也不高。而使用线切割，加工出的切割面表面质量低、粗糙度高，而且加工速度低，适合批量进行加工的制件形状也非常有限，故而在现有加工工艺中也很少用到线切割。水射流切割方法多用于去水口，水射流切割效率高，能够避免切割过程中切割处温度的升高，其缺点是尺寸精度低，精密制件的加工过程无法使用。
激光切割方法相对其他切割工艺是一种更为合适的选择。激光切割工艺可控性好，加工成本不高，精密度高。例如非晶合金材料作为3C产品的构件进行加工时，随着电子产品轻薄化、超大屏幕的流行，制成对应构件的非晶合金具有高强度的优势便可以直接铸造成型制成超薄结构件，然后再利用激光切割的工艺去除多余的水口料以及毛刺，从而获得近终产品。尽管比起其他现有的切割工艺，激光切割方法在各方面都更为优异，但是在非晶合金加工上仍旧存在不足，具体如下：
1、激光切割的过程中在切割面上还是会集聚热量，尤其是在超薄件的加工过程中，切割产生的热量会导致超薄制件发生形变，使产品的平面度无法达标。
2、由于非晶合金材料的熔点比普通晶态合金材料要低许多，而且在空气中、高温条件下容易氧化，激光切割过程中的产热会使得切割面上产生一定的熔渣，这种熔渣体积小，又是与制件浑然一体形成的，非常难以去除，这样就大大提升了非晶合金制件的不良率，使产品的制造成本增加。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于非晶合金材料的精密切割工艺，该切割工艺尤其适用于尺寸轻薄的非晶合金制件。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中提供的非晶合金精密切割工艺，包括如下工艺步骤：
S01，利用激光在非晶合金制件待切割位置切割出切割槽，所述切割槽的深度为不切透所述待切割位置且所述切割槽背面切割印痕清晰可见；
S02，制备与待切割非晶合金制件相适配的冲切模具，利用所述冲切模具将S01中所述切割槽冲断。
在现有技术中，激光切割对非晶合金薄型件平面度有非常大的影响，而单独使用冲切工艺又存在切口崩缺的风险。在现有技术中，并未有人将上述两种方法应用于同一工艺过程中。在本发明中，通过这样意想不到的组合方式，对工艺过程进行精密控制，克服了单一切割工艺的缺点和风险，同时将上述组合切割工艺标准化，适合工业化应用。
进一步地，S01中，所述切割槽的深度为：当待切割非晶合金制件厚度小于等于0.6mm时，所述切割槽深度为制件厚度的50-80%；当待切割非晶合金制件厚度大于0.6mm时，所述切割槽深度为制件厚度的60-95%。本发明中，首先利用精密激光在非晶合金制件需要进行切割的地方切出深槽，由于激光切割过程中的热影响是沿着切缝厚度方向全部贯穿，非晶合金制件在激光切割过程中热影响区域强度会产生变化，从而能够使在冲切步骤中，切口将自动沿着激光切缝发生断裂，从而保证切口整齐，而且由于激光加工过程中并未穿透，不会产生过量的熔渣。在切割过程中，待切割制件厚度与切割厚度存在一定的比例关系，需严格按照本发明中的范围进行选择。
进一步地，S01中，激光切割过程中，激光最小光斑圆点直径不大于0.3mm，且切割过程中同轴吹气、激光切割设备还具有CCD精密定位功能。激光切割过程中若光斑过大，则加工过程中的热影响区域过大，在冲切时会使切割边缘不整齐。同轴吹气功能是为了将激光高温气化的金属气体及时吹走，同时进行冷却，防止再焊边留置于制件表面形成新的熔渣。CCD精密定位功能是为了实现产品尺寸的精密控制。
进一步地，所述同轴吹气过程中所使用的气体为惰性气体，且吹气方向与激光发射方向呈45-65度角，吹气压力为2-3Pa。同轴吹气过程中，吹气方向、角度和压力的选择决定了吹气过程中冷却的效率。
进一步地，所述激光为脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲宽度为0.5-1.2微秒、峰值功率为2-4千瓦、频率为350-400Hz，所述激光的切割速度为3.5-5mm/秒。
进一步地，S02中，所述冲切模具的冲切位置与S01中激光切割位置偏差小于0.2mm。冲切模具与激光切割位置的偏差需进行精密控制在0.2mm以内，否则在在冲切过程中容易导致冲切方向并不完全按照激光切割痕迹进行。
进一步地，S01步骤完成后，将激光切割后的非晶合金制件置于深冷箱中1-3min，所述深冷箱温度为-120~-140℃；完成上述步骤后再进行冲切工艺。
进一步地，S02中，所述冲切模具中所使用的冲切刀采用深冷冲切刀，具体为：利用液氮使冲切刀降温至-120~-140℃后再进行非晶合金制件的冲切。
本发明中，针对组合式切割工艺进行进一步改进的方法，在于引入了深冷处理工艺。与常见的晶态合金相比，非晶合金对温度尤其敏感，由于非晶合金熔点低，在切割过程中产生的高热很容易造成不同程度的形变，尤其对精密结构件影响甚大。激光切割完毕后，加工过程中产生的热量或多或少会在切缝处形成熔渣，利用深冷处理能够使熔渣与制件本体硬度及微观结构发生微量变化，使冲切过程中熔渣能够完全被一次性切除，使切割面更为平滑。同理，也可使用深冷冲切刀实现相同的技术效果。
进一步地，所述非晶合金精密切割工艺适用于锆基非晶合金、镁基非晶合金、铁基非晶合金、钛基非晶合金、钴基非晶合金、铝基非晶合金、稀土基非晶合金、镍基非晶合金中的一种或者多种制备而成的非晶合金制件的水口去除。
进一步地，所述非晶合金的组成为ZraTibCucNidBeeMfNg，其中M、N分别为Al、Mg、Zn、Sb、In、Mo、Mn、Au、Si、稀土元素中的一种；a、b、c、d、e、f、g、x为原子百分比，其中55≤a≤73，10≤b≤15，8≤c≤15，5≤d≤8，2≤e≤4，0.5≤f≤2，0.5≤g≤2。锆基非晶合金熔点相对高，使用广泛，切割过程中熔渣现象少，尤其适合采用本发明中的切割工艺进行处理。
本发明具有以下优点：
1、本发明提供了一种适用于非晶合金材料的精密切割工艺，该切割工艺尤其适用于尺寸轻薄的非晶合金制件，本发明中的切割工艺对非晶合金制件，尤其是薄型制件的尺寸没有影响。
2、本发明中的非晶合金材料的精密切割工艺过程简单，适合工业化大规模生产中的应用。
附图说明
图1为采用激光直接进行切割的非晶合金制件切割面；
图2为采用本发明中精密切割工艺进行切割的非晶合金制件切割面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
本发明实施例中采用的非晶合金材料为锆基非晶合金材料，其结构为Zr67.4Ti11.6Cu10.5Ni6.3Be2.1Sb0.7In1.4。锆基非晶合金熔点相对高，使用广泛，切割过程中熔渣现象少，尤其适合采用本发明中的切割工艺进行处理。
将上述非晶合金原料按照原子比例称取原料进行熔炼，控制含氧量低于1000ppm，然后利用压铸工艺分别制成厚度为1mm、0.6mm、0.3mm的非晶合金片材进行实施例中的试验。
实施例1
切割步骤如下：
将1mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.1mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为350Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的80%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈60度角，吹气压力为3Pa；
将切割好的片材，固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；
冲切完毕后取出片材。
实施例2
将1mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.1mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为350Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的80%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈60度角，吹气压力为3Pa；
将激光切割后的片材置于深冷箱中1min，深冷箱温度为-120℃；
将深冷处理后的片材固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；
冲切完毕后取出片材。
实施例3
将1mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.1mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为350Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的80%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈60度角，吹气压力为3Pa；
将切割好的片材，固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；冲切模具中所使用的冲切刀采用深冷冲切刀，具体为：利用液氮使冲切刀降温至-120℃后再进行非晶合金制件的冲切。
冲切完毕后取出片材。
实施例4
切割步骤如下：
将0.6mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.08mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为400Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的70%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈45度角，吹气压力为3Pa；
将切割好的片材，固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；
冲切完毕后取出片材。
实施例5
切割步骤如下：
将0.6mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.08mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为400Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的70%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈45度角，吹气压力为3Pa；
将激光切割后的片材置于深冷箱中1min，深冷箱温度为-120℃；
将深冷处理后的片材固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；
冲切完毕后取出片材。
实施例6
切割步骤如下：
将0.6mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.08mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为400Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的70%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈45度角，吹气压力为3Pa；
将切割好的片材，固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；冲切模具中所使用的冲切刀采用深冷冲切刀，具体为：利用液氮使冲切刀降温至-130℃后再进行非晶合金制件的冲切。
冲切完毕后取出片材。
实施例7
切割步骤如下：
将0.3mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.05mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为400Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的50%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈45度角，吹气压力为2Pa；
将切割好的片材，固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；
冲切完毕后取出片材。
实施例8
切割步骤如下：
将0.3mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.05mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为400Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的50%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈45度角，吹气压力为2Pa；
将激光切割后的片材置于深冷箱中1min，深冷箱温度为-120℃；
将深冷处理后的片材固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；
冲切完毕后取出片材。
实施例9
切割步骤如下：
将0.3mm的非晶合金片材放置于精密激光切割机的切割平台的夹具上，使片材平整的面朝上，并确保片材表面平整；
调节精密激光切割机的切割头，激光最小光斑圆点直径为0.05mm，使激光焦点聚焦到片材表面，且切割吹气口到产品平面高度不大于0.20mm；
建立CCD识别图像，并确定切割路径；
激光采用脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度为1微秒、峰值功率为4千瓦、频率为400Hz，激光的切割速度为4mm/秒。调节激光的切割速度、能量、出光频率，使激光切割的深度达到产片材厚度的50%，且片材切割槽的背面能够看到明显的切印印痕，确保激光切割的热影响产品切缝的全部厚度；
开启激光切割，同时吹氩气保护，吹气方向与激光发射方向呈45度角，吹气压力为2Pa；
将切割好的片材，固定到装在油压机上的精密冲切模具上，保证冲切模具的冲切位置与激光切割位置偏差小于0.2mm，确保冲切时沿激光切口冲断；冲切模具中所使用的冲切刀采用深冷冲切刀，具体为：利用液氮使冲切刀降温至-140℃后再进行非晶合金制件的冲切。
冲切完毕后取出片材。
对比例
利用精密激光切割机对0.6mm非晶合金片材直接进行切割。
将上述实施例与对比例中的片材制成如金相样品，镶嵌后进行切割缝的观察。附图1所示为对比例中非晶合金片材切割面，附图2所示为实施例4中的非晶合金片材切割面，肉眼可见，对比例中的切缝不平整，切缝两侧熔渣明显。实施例4中切缝平滑无熔渣。
由上述实施例可以看出，本发明中提供的非晶合金材料的精密切割工艺尤其适用于尺寸轻薄的非晶合金制件，对非晶合金制件，尤其是薄型制件的尺寸没有影响，切割后无熔渣残留。激光切割工艺保证了切割尺寸精度，解决了非晶制品冲压崩裂问题，由于没有切穿、采用惰性气体保护切割，同时辅以深冷处理，消除了激光切割背面熔渣氧化难以清除的问题，降低了生产成本，提高了生产效率。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种非晶合金精密切割工艺，其特征在于，包括如下工艺步骤：
S01，利用激光在非晶合金制件待切割位置切割出切割槽，所述切割槽的深度为不切透所述待切割位置且所述切割槽背面切割印痕清晰可见；
S02，制备与待切割非晶合金制件相适配的冲切模具，利用所述冲切模具将S01中所述切割槽冲断。
2.如权利要求1所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：S01中，所述切割槽的深度为：当待切割非晶合金制件厚度小于等于0.6mm时，所述切割槽深度为制件厚度的50-80%；当待切割非晶合金制件厚度大于0.6mm时，所述切割槽深度为制件厚度的60-95%。
3.如权利要求1所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：S01中，激光切割过程中，激光最小光斑圆点直径不大于0.3mm，且切割过程中同轴吹气、激光切割设备还具有CCD精密定位功能。
4.如权利要求3所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：所述同轴吹气过程中所使用的气体为惰性气体，且吹气方向与激光发射方向呈45-65度角，吹气压力为2-3Pa。
5.如权利要求4所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：所述激光为脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲宽度为0.5-1.2微秒、峰值功率为2-4千瓦、频率为350-400Hz，所述激光的切割速度为3.5-5mm/秒。
6.如权利要求1所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：S02中，所述冲切模具的冲切位置与S01中激光切割位置偏差小于0.2mm。
7.如权利要求1所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：S01步骤完成后，将激光切割后的非晶合金制件置于深冷箱中1-3min，所述深冷箱温度为-120~-140℃；完成上述步骤后再进行冲切工艺。
8.如权利要求1所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：S02中，所述冲切模具中所使用的冲切刀采用深冷冲切刀，具体为：利用液氮使冲切刀降温至-120~-140℃后再进行非晶合金制件的冲切。
9.如权利要求1-8任一所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：所述非晶合金精密切割工艺适用于锆基非晶合金、镁基非晶合金、铁基非晶合金、钛基非晶合金、钴基非晶合金、铝基非晶合金、稀土基非晶合金、镍基非晶合金中的一种或者多种制备而成的非晶合金制件的水口去除。
10.如权利要求9所述非晶合金精密切割工艺，其特征在于：所述非晶合金的组成为ZraTibCucNidBeeMfNg，其中M、N分别为Al、Mg、Zn、Sb、In、Mo、Mn、Au、Si、稀土元素中的一种；a、b、c、d、e、f、g、x为原子百分比，其中55≤a≤73，10≤b≤15，8≤c≤15，5≤d≤8，2≤e≤4，0.5≤f≤2，0.5≤g≤2。
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2019
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