CN109848566B - 一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法及装置，所述方法包括：首先，使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数作粗打磨；然后，采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光的工艺。本发明的优点是：实现简单，加工过程中不会影响零件主体温度,避免对零件精确度造成影响。更可处理传统方法无法处理的一些复杂的几何面。

Description

一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法及装置。

背景技术

产品的表面光洁度会影响到产品的力学性能、光学性能、耐腐蚀性及用家对产品的视觉效果。表面打磨抛光是一种劳动密集且耗时的工作。用传统方法打磨抛光一些形状复杂的零件, 约占零件生产总周期的30%-50%。此外很多现有工业领域都偏向产品微型化发展, 比如消费电子产品及医疗设备, 这些领域对微型零件的需求有显著增加。而高精度的微型零件加工对成本和技术要求很高, 因为微型零件在表面光洁度加工前已接近零件尺寸的公差。目前要打磨抛光一些复杂的零件, 需要熟练的技术人员, 使用的方法以传统接触式技术为主, 因此较难控制打磨抛光的产品质量。

模具制造行业对打磨抛光技工的技术要求更为严格, 因为在过程中稍有不慎就会损坏价格昂贵的模具。熟练的打磨抛光技工需要经长年累月的学徒生涯才能培养。熟练的技工是一种珍贵资源, 由于人手打磨抛光是一种要求严格且单调的工作, 并且打磨抛光过程中所产生的悬浮颗粒会伤害到技工的呼吸系统。因此很多企业很难招聘到熟练的打磨抛光技工。现时在模具及五金行业, 非常缺乏年轻人加入从事这类工作, 引致青黄不接的问题。

为提升生产力、工件打磨的品质可控性, 及减少对技工的依赖和人手带来的生产不稳定性, 有需要把打磨抛光工艺自动化, 来降低成本和缩短生产周期。市面上曾有研究尝试将打磨抛光机器与机械手或数控加工中心整合为自动化系统, 可是此种方法与传统接触式打磨抛光有同样的局限, 即不能打磨抛光有精细纹理或深槽特征的工件。而且传统的打磨抛光工艺是消减材料的技术, 导致最终产品的尺寸出现偏差。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法及装置，系统使用方便，避免对零件精确度造成影响。

为达到上述目的，本发明的技术方案的实现方式为：一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法，包括：首先，使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数进行粗打磨；然后，采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光过程。

本发明的另一目的还在于提供一种混合激光打磨抛光零部件和模具的装置，包括：激光发射装置和激光引导装置, 所述激光发射装置连接激光引导装置，用于：首先，使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数做粗打磨；然后，采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光的过程。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

实现简单，包括：激光发射装置和激光引导装置, 所述激光发射装置连接激光引导装置，首先使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数作粗打磨；然后, 采用脉冲型激光, 或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光的工艺。其采用固定能量密度和波长的激光束照射工件表面。激光照射零件表面时，会在极短的时间内融化表层的材料。由于融化材料的表面张力引致材料流动,从而形成光滑表面, 达到抛光目的。由于这技术能控制激光束的轨迹、扫描速度，以及因应激光扫描路径的激光入射角而动态控制激光能量水平以维持恒定的激光能量密度(动态激光能量补偿)，提供均匀、稳定的加热从而做到高精度的加工。连续型激光或脉冲型激光均可使用在激光抛光技术上。前者可对粗糙表面（Ra = 0.4 - 10 µm）进行粗加工, 而后者可处理经打磨或精加工的表面（Ra = 0.2 - 0.8 µm）。工艺上可先用连续型激光照射工件表面, 再使用脉冲型激光提升光洁度。激光加工使材料表面有急速升温以及冷却的特性。且加工过程中不会影响零件主体温度, 避免对零件精确度造成影响。更可处理传统方法无法处理的一些复杂的几何面。

附图说明

图1为本发明的混合激光打磨抛光零部件和模具的方法流程图；

图2为本发明的连续型激光照射工件表面进行粗打磨的示意图；

图3为本发明的脉冲型激光照射工件表面进行精细打磨的示意图；

图4为本发明的激光扫描路径的实施例示意图；

图5为本发明的激光扫描器在不同打磨模式下的结构变化示意图；

图6为本发明的混合激光打磨装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参照图1，本发明提供一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法，其特征在于，包括：步骤S101，使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数做粗打磨；步骤S102，采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光的过程。

在一个实施例中，所述使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数做粗打磨包括：对工件的粗糙表面进行粗加工，所述粗糙表面的粗糙度Ra =0.4 - 10 µm。

在一个实施例中，所述采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式包括：对经激光粗打磨或精加工的工件表面进行打磨，所述经激光粗打磨或精加工的工件表面的粗糙度Ra = 0.2 - 0.8 µm。

在一个实施例中，请参照图4，所述特定工艺参数包括：激光的轨迹8、能量密度、动态激光能量补偿、激光束照射直径10、脉冲频率、扫描速度及方向11以及扫描路径偏移量9。

在一个实施例中，所述采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式包括：控制工件表面物料的快速熔化，通过材料流动特性进行打磨。

在一个实施例中，所述快速熔化流动的特性包括熔池大小、重熔深度、热影响区大小。

在一个实施例中，所述使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数做粗打磨包括：将工件固定在数控机床中的加工室, 之后在加工空间填充惰性保护气体的步骤。

在一个实施例中，所述惰性保护气体为氮气或氩气。

请参照图2至图3，在一个实施例中，本发明的一种利用混合激光打磨抛光零部件和模具的方法具体为使用连续型激光6照射工件表面, 以特定工艺配合工件的材料特性做粗打磨, 直至工件表面光洁度符合下一步精细加工的要求, 然后再采用脉冲型激光7做精细打磨抛光方式完成自动化非接触式打磨抛光的工艺。该方法可控制受照射工件表面的金属局部熔化, 利用液态金属3的表面张力引致材料流动形成光滑表面。透过调整激光照射的工艺参数，可控制材料熔化的深度4(影响工艺可处理的最大初始粗糙度)、及减低过程中引致的热影响区5的大小, 保持物料原有物理性质。本发明的非接触式、非减材式打磨方法，比起传统减材打磨方法的工件尺寸精准度更高, 可以打磨复杂形状工件及表面式样，例如皮纹图案, 亦消除了打磨碎屑及化学物质对工件的污染, 且其速度相对于传统方法高约21倍。

作为具体的实施例，本发明的混合激光打磨抛光零部件和模具的方法具体包括以下三个步骤：

步骤一：填充惰性保护气体的过程：

所述模具一般选择为纯金属材料或合金材料。请参照图6，所述模具26首先被固定在加工室17内的打磨工位固定装置25, 关闭加工室门17及安全门18。在控制面板输入经处理的工件打磨路径档案及工艺编程后, 控制器根据加工室氧气水平传感器23的信号来控制保护气体的填充, 在本实例中填充氩气到加工室, 保持氧气水平为1000 ppm或以下。加工室需要保证有良好气体密封性, 以确保有效充气、防止激光加热时引起氧化。

步骤二：粗打磨过程：

请参照图5至图6，控制器传递信号至固定着模具的数控转台24、连续型激光发射器13、激光扫描器1、双激光源光学镜组14、焦点直径控制及扫描振镜镜组15及控制扫描器移动的数控机床的三轴部分24,以容许脉冲激光通过扫描器，按信号调整激光焦点大小及扫描路径，再将模具的动态配合和激光扫描作打磨。该信号包括数控机床和转台各轴的位移及速度, 激光能量、焦距、焦点直径、扫描速度、路径、路径偏移量及重复次数。在本实例中模具材料为模具钢H11, 模具经过铣削加工, 表面粗糙度约为Ra = 1.6 µm。模具表面分成三部分, 以展示三种不同打磨模式。部分一只进行粗打磨, 部分二在粗打磨后进行精细打磨, 部分三先用一般激光雕刻机形成皮纹式样再选择性粗打磨及精细打磨。在本实例中,激光扫描器扫描路径及数控机床的动态由以下方法生成: CAM软件配合为激光打磨而开发的插件根据工件3D模型档案而生成工具路径，之后用独立后处理器将激打光磨参数混合上一步所得的工具路径而分别输出对数控机床以及激光源和激光扫描器的指令档案。本实例根据工件形状,以工件相对于扫描器1的方位来控制激光照射工件表面的入射角, 限制小于60度,最佳为0度(垂直于表面)。根据工件表面的初始粗糙度(1.6 µm), 本实例使用之粗打磨工艺参数如下, 激光能量为70W至120W, 扫描速度为100 mm/s, 扫描路径偏移量为30µm, 激光焦点直径为150 - 250µm, 动态激光能量补偿为100%-150%。本实例使用之激光能量水平是对应焦点的大小而定，焦点愈大，激光能量应增加以维持最合适工件材料的最佳能量密度。而工件表面的粗糙度和加工纹理的状况，例如铣削刀痕之间的距离、粗糙表面的波峰距离等，会决定最佳的激光焦点大小。为了有效地消除这些宏观粗糙度，激光焦点必须大于上述的距离，令金属熔池可以覆盖及填补这些坑纹。而动态激光能量补偿水平的曲线则根据工件表面在不同激光入射角所需的激光能量水平，以维持相若的打磨效果而定。本实例的补偿水平曲线以入射角0°- 60° ，能量修正项为100%-150%的测试所得。如图1所示, 工件表面接受连续型激光照射, 形成较大和深的熔池3及连续重熔区4, 在合适打磨工艺下, 重熔深度及热影响区5为10-100µm, 有效消除铣削刀痕。经打磨的部分粗糙度约为 Ra = 0.12 µm, 符合后续精细加工的要求。

步骤三：精细打磨过程：

请参照图4至图5，本实例中的模具的3个部分经粗打磨后, 其中部分2、3再进行精细打磨抛光。控制器发到激光扫描器1, 脉冲型激光发射器12及双激光源光学镜组14按信号启动, 以容许脉冲激光通过扫描器。焦点直径控制及扫描振镜镜组15则按信号调整激光焦点大小及扫描路径。激光扫描路径8及入射角与粗打磨过程相同。根据工件表面的初始粗糙度, 本实例使用之精细打磨工艺参数如下, 激光能量为20W至35W, 扫描速度11为1000mm/s, 扫描路径偏移量9为10µm, 激光焦点10直径为100 µm,动态激光能量补偿为100%-150%, 激光频率为55千赫。因应材料的成份、化学和物理性质如熔点及表面张力，脉冲激光的能量需要控制在合适水平，才可有效消除微观粗糙度而避免能量过高引起的问题，例如表面氧化，以及能量过强使熔池发生不稳定或沸腾状态，继而在激光脉冲完结后熔池快速冷却所产生的坑洞及不规则凹凸结构。此外，扫描速度、激光频率及扫描路径偏移量则影响工件表面每单位面积受照射的能量水平及次数，需因应工件表面的粗糙度及其轮廓而定。如图3所示, 工件表面接受脉冲型激光照射, 形成较小和浅的熔池3及非连续重熔区4, 在合适打磨工艺下, 重熔深度及热影响区5为小于5µm, 有效消除微小缺陷及抛光。经打磨抛光的部分粗糙度约为 Ra = 0.09 µm。

本发明的方法当中在惰性气体保护下, 利用固定能量密度和波长的激光束照射工件表面。激光照射零件表面时, 会在极短的时间内融化表层的材料。由于融化材料的表面张力引致材料流动, 从而形成光滑表面, 达到抛光目的。所述多种激光包括连续型激光、脉冲型激光，或连续型激光和脉冲型激光交替打磨的模式, 均可使用在激光抛光技术上。第一种模式可对粗糙表面进行粗加工, 而第二种模式可处理经打磨或精加工的表面，第三种混合模式则可以选择性地打磨微细复杂部件的不同位置、工件表面的式样,从而达到不同的目标粗糙度, 甚至在工件和模具表面形成功能性及外观性特征。

本发明还提供一种利用混合激光打磨抛光零部件和模具的装置，请参照图6，包括激光扫描器1及数控机床设备24、激光发射装置12、13和激光引导装置及光纤28、工件测量系统29, 所述激光发射装置连接激光引导装置及激光扫描器, 所述激光引导装置设置及激光扫描器于所述数控机床设备的上方。还包括气密加工室17、真空密封环系统27、气体填充装置21、气体循环系统22及氧气测量仪23。所述气体填充装置、气体循环系统及氧气测量仪连接气密加工室, 设置于所述激光引导装置及激光扫描器的下方，而气密加工室面向激光引导装置及安全门18的两面则装设了能容许激光进入加工室及防止加工室内部激光散射出加工室外的双面涂层玻璃20，加工室包围着所述固定工件的数控机床24的转台部分。而安全门18则装设了激光过滤窗19，能有效阻挡1000nm – 1100nm波长的激光以保护装置操作员。

使用时，首先填充惰性保护气体。请参照图6，所述模具一般选择为纯金属材料或合金材料。所述模具26首先被固定在加工室17内的打磨工位固定装置25, 关闭加工室门17及安全门18、开启真空密封环系统27。在控制面板输入经处理的工件打磨路径档案及工艺编程后, 控制器根据加工室氧气水平传感器23的信号来开启连接保护气体源与加工室的阀门及管道21、气体循环系统22，以控制保护气体的填充。而上述的激光扫描器扫描路径及数控机床的动态由以下方法生成: CAM软件配合为激光打磨而开发的插件根据工件3D模型档案而生成工具路径，之后用独立后处理器将激打光磨参数混合上一步所得的工具路径而分别输出对数控机床以及激光源和激光扫描器的指令档案。在本实例中填充氩气到加工室, 保持氧气水平为1000 ppm或以下。加工室需要保证有良好气体密封性, 以确保有效充气、防止激光加热时引起氧化。

然后，粗打磨过程：请参照图5至图6，控制器传递信号至固定着模具的数控转台24、连续型激光发射器13、激光扫描器1、双激光源光学镜组14、焦点直径控制及扫描振镜镜组15及控制扫描器移动的数控机床的三轴部分24, 将模具的动态配合和激光扫描作打磨。该信号包括数控机床和转台各轴的位移及速度, 激光能量、焦距、焦点直径10、扫描速度及方向11、扫描路径8、路径偏移量9及重复次数。

最后，精细打磨过程：控制器发出信号到激光扫描器1, 脉冲型激光发射器12及双激光源光学镜组14按信号启动, 以容许脉冲激光通过扫描器，焦点直径控制及扫描振镜镜组15则按信号调整激光焦点大小及扫描路径。激光扫描路径及入射角与粗打磨过程相同。

本发明的实施例实现了以下有益的技术效果：

实现简单，包括：激光发射装置和激光引导装置, 所述激光发射装置连接激光引导装置，用于：首先，使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数做粗打磨；然后，采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光的工艺。其采用固定能量密度和波长的激光束照射工件表面。激光照射零件表面时, 会在极短的时间内融化表层的材料。由于融化材料的表面张力引致材料流动, 从而形成光滑表面, 达到抛光目的。由于这技术能控制激光束的轨迹、扫描速度,以及因应激光扫描路径照的激光入射角而动态控制激光能量以维持恒定的激光能量密度(动态激光能量补偿), 提供一致、稳定的加热,从而做到高精度的加工。连续型激光或脉冲型激光均可使用在激光抛光技术上。前者可对粗糙表面（Ra = 0.4 - 10 µm）进行粗加工,而后者可处理经打磨或精加工的表面（Ra = 0.2 - 0.8 µm）。工艺上可先用连续型激光照射工件表面, 接着再用脉冲型激光7来提升光洁度。激光加工有急速升温以及冷却的特性。由于加工过程中不会影响零件主体温度, 避免对零件精确度造成影响。更可处理传统方法无法处理的一些复杂的几何面。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法，其特征在于，包括：

首先，使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数作粗打磨，包括：对工件的粗糙表面进行粗加工，所述粗糙表面的粗糙度Ra = 0.4 - 10 µm；

然后，采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光的工艺，包括：对经打磨或精加工的工件表面进行打磨，所述经打磨或精加工的工件表面的粗糙度Ra = 0.2 - 0.8 µm；

所述特定工艺参数包括：激光的轨迹、能量密度、动态激光能量补偿、激光束照射直径、脉冲频率、扫描速度以及扫描路径偏移量。

2.根据权利要求1所述的一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法，其特征在于，所述采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式包括：控制工件表面物料的快速熔化流动的特性进行打磨的步骤。

3.根据权利要求2所述的一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法，其特征在于，所述快速熔化流动的特性包括熔池大小、重熔深度、热影响区大小。

4.根据权利要求1所述的一种混合激光打磨抛光零部件和模具的方法，其特征在于，所述使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数作粗打磨包括：将工件固定在数控机床中的加工室, 之后在加工空间填充惰性保护气体的步骤。

5.根据权利要求4所述的混合激光打磨抛光零部件和模具的方法，其特征在于，所述惰性保护气体为氮气或氩气。

6.一种实施权利要求1-5中任一项所述的混合激光打磨抛光零部件和模具的方法的装置，其特征在于，包括：激光发射装置和激光引导装置, 所述激光发射装置连接激光引导装置，用于：首先，使用连续型激光照射工件表面，配合工件的材料特性以特定工艺参数作粗打磨；然后，采用脉冲型激光，或连续型激光与脉冲型激光的交替打磨方式完成整个自动化非接触式打磨抛光的工艺。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：激光扫描器，数控机床设备、气体填充装置及氧气测量仪，所述激光引导装置设置于所述数控机床设备的上方，所述气体填充装置及氧气测量仪连接加工室, 并设置于所述激光引导装置的下方，包围着固定工件的数控机床的转台部分。

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