CN111055011A - 一种高同轴度、大深径比微孔加工方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种高同轴度、大深径比微孔加工方法及系统，克服现有微孔深径比加工有限、同轴度较差且加工成本高等问题。利用空间光调制器，在线通过切换不同贝塞尔光束全息图，从而实现沉孔与通孔所需的贝塞尔光束参数的切换，最终在线实现同轴的通孔与沉孔加工；由于此种方法并不需要对工件进行多次装夹或者更换加工头，因此工件与加工头的位置始终保持不变，属于一次性加工完成，不仅保证了通孔与沉孔的同轴度同时有利于大深径比的微小孔的制造。

Description

一种高同轴度、大深径比微孔加工方法及系统
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种高同轴度、大深径比微孔加工方法及系统。
背景技术
高品质的微孔结构加工在航空制造、传感器制造、微流体器件制造、生物装置、以及新能源领域等有着极其重要的作用，广泛应用于精密过滤设备、化纤喷丝板、喷气发动机喷嘴、汽车发动机喷油嘴、航空陀螺仪表元件、飞机透平叶片等零件的加工中。
在精密制造中，微孔加工主要通过机械钻孔、电火花打孔、电化学打孔、电子束加工、聚焦离子束加工、激光束加工等方法实现，其中机械钻孔是最常见的钻孔方式，但由于机械钻孔存在应力且受制于钻头的极限尺寸、深度(尺寸＞30微米、深宽比＜5)及刚度。电火花打孔通过放电方式加工，一般加工尺寸大于80微米以上直径的浅孔结构；电化学打孔其主要机理是通过电极辅助在液体电解质中产生化学变化从而进行微孔加工，加工精度更高。但这两种方式均存在材料限制，电极造成损耗、深径比受限等问题。此外，利用电子束、离子束方式能够加工亚微米结构微孔，但也存在深径比受限(深径比＜10)、使用条件苛刻、效率低、设备昂贵、效率低等问题。
激光束加工由于其材料适用性广、非接触加工、效率高、设备简单、成本低等独特的优势，自1960年第一台红宝石激光器问世以来，一直备受关注。
但随着对产品的性能、加工形貌、加工精度和质量等要求越来越高，传统的微孔加工方法已不能满足加工需求。例如，由于较高的质量(重铸层小、无裂纹、无热影响区)和深径比(深径比＞20：1)需求，以及材料特殊多样(聚合物、玻璃等)、台阶孔内通孔与沉孔的同轴度要求极高条件限制，微电火花/电化学/刻蚀辅助等方法均不适用，电子束加工可满足加工精度却又无法获得足够的深径比；传统激光束加工同轴的通孔与沉孔时，因通孔与沉孔的孔径等参数不一样所以需要二次定位，这就会存在两个问题：
1、两个孔的同轴度要求很高，又存在二次定位，那么需要依赖精度要求非常高的运动平台，这样的话对打孔的装置的要求会很高，而且成本也会很高；
2、传统的激光加工中，同一种激光加工部件是不能实现两种不同孔参数的加工的(直径、深径比等参数)，因此针对同轴的通孔与沉孔加工时，就需要两种激光加工部件，加工步骤、两个激光加工部件的切换调教等就非常繁琐，同时提高加工成本。
发明内容
针对现有微孔深径比加工有限、同轴度较差且加工成本高等问题，本发明公开了一种高同轴度、大深径比微孔加工方法，具体针对大深径比的(通孔深径比≥20：1)，同轴度精度要求极高(通孔与沉孔同轴度≤2μm)、尺寸微小(通孔直径<10μm；沉孔＜80μm)的微孔加工。
本发明的技术解决方案是提供一种高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一、根据所需加工的通孔口径D0，深度I0，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ0，焦深h0；
步骤二、根据所需加工的沉孔口径D1，深度I1，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ1，焦深h1；其中沉孔与通孔同轴且相通；其中D1﹥D0；Φ1﹥Φ0；I0﹥I1；
步骤三、将待加工工件固定在聚焦单元的后工作距离处，也就是焦面处，激光入射至空间整形器件SLM，在空间整形器件SLM上加载全息图实现贝塞尔光束，调整激光光斑尺寸为Φ0，焦深为h0；
步骤四、光斑尺寸为Φ0，焦深为h0的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现通孔的加工；
步骤五、更换空间整形器件SLM上的全息图，将激光光斑尺寸调节为Φ1，焦深为h1；
步骤六、光斑尺寸为Φ1，焦深为h1的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现沉孔的加工。
进一步地，上述激光为飞秒激光。飞秒激光以其超快、超强的独特性质，使得其具有材料适应性广、极小化热影响区、几乎无重铸等加工优势。
进一步地，上述通孔的深径比≥20：1，通孔的直径<10μm；沉孔的直径＜80μm；上述通孔与沉孔的同轴度≤2μm。
本发明还提供另一种高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一、根据所需加工的通孔口径D0，深度I0，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ0，焦深h0；
步骤二、根据所需加工的沉孔口径D1，深度I1，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ1，焦深h1；其中所述沉孔与所述通孔同轴且相通；其中D1﹥D0；Φ1﹥Φ0；I0﹥I1；
步骤三、将待加工工件固定在聚焦单元的后工作距离处，激光入射至空间整形器件SLM；在空间整形器件SLM上加载全息图，调整激光光斑尺寸为Φ1，焦深为h1；
步骤四、光斑尺寸为Φ1，焦深为h1的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现沉孔的加工；
步骤五、更换空间整形器件SLM上的全息图，将激光光斑尺寸调节为Φ0，焦深为h0；
步骤六、光斑尺寸为Φ0，焦深为h0的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现通孔的加工。
进一步地，上述激光为飞秒激光。
进一步地，所述通孔的深径比≥20：1，通孔的直径<10μm；沉孔的直径＜80μm；所述通孔与沉孔的同轴度≤2μm。
本发明还提供一种高同轴度、大深径比微孔加工系统，包括激光器，其特殊之处在于：还包括沿光路依次设置的光路传输系统、空间整形器件SLM及聚焦单元；
上述激光器用于出射激光；
上述光路传输系统用于将激光传输至空间整形器件SLM；
上述空间整形器件SLM用于调整激光的光斑与焦深；
上述聚焦单元用于将调整光斑与焦深后的激光聚焦至待加工表面。
进一步地，上述激光器为飞秒激光器。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用空间光调制器，在线通过切换不同贝塞尔光束全息图，从而实现沉孔与通孔所需的贝塞尔光束参数的切换(贝塞尔光束的参数即为不同的光斑尺寸、以及焦深)，最终在线实现同轴的通孔与沉孔加工；由于此种方法并不需要对工件进行多次装夹或者更换加工头，因此工件与加工头的位置始终保持不变，属于一次性加工完成，从而保证了通孔与沉孔的同轴度；
2、本发明利用空间光调制器对激光进行空间整形，将高斯光斑(焦深比较短，一般在几个微米)整形成为贝塞尔光束(有长焦深，一般为数百微米到1-2个毫米)，使得本方法有利于大深径比的微小孔的制造。
附图说明
图1为本发明加工进程示意图；
图2为本发明加工方法流程图；
图3为本发明加工系统示意图；
图中附图标记为：1-光路传输系统，2-空间整形器件SLM，3-聚焦单元，4-待加工表面；
11-通孔，12-沉孔，13-微孔。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1所示，本实施例待加工的微孔的形状为台阶孔，首先进行通孔的加工，之后再在通孔的端面同轴加工沉孔，最终形成图1所示的台阶状微孔。同理，也可以先加工沉孔后加工通孔。从图1中可以看出，D1﹥D0；Φ1﹥Φ0；I0﹥I1；其中D1为沉孔口径(直径)，D0为通孔口径(直径)，Φ1为加工沉孔时的激光光斑尺寸(直径)，Φ0为加工通孔时的激光光斑尺寸(直径)，I1为沉孔深度，I0为通孔深度。
本实施例需加工的微孔参数如下：
通孔口径D0＝2um，深度I0＝250um的深度通孔，沉孔口径为D1＝80um，深度I1＝80um，材料为聚合物。
以先加工通孔后加工沉孔为例，进行说明，具体加工方法如图2所示，包括以下步骤：
步骤一、根据所需加工的通孔口径D0，深度I0，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ0＝2um，焦深h0＝600um。
理论来说，激光光斑与加工出来的孔的直径应该相等，激光的焦深与实际加工出来孔深应该相等；但是由于激光与物质相互作用时，存在激光烧蚀阈值，即激光达到一定的程度才能实现物质的加工，那么对于同一种材料，其理论值与实际加工值也就存在了一些差别，而对于不同材料，需要实现同一种加工参数即同一种通孔口径以及深度其激光光斑以及焦深也有不同。因此本发明通过工艺试验，利用实际加工中的数值来反推理论值，以及确定不同的材料，需要实现同一种加工参数即同一种通孔口径以及深度的激光光斑以及焦深。
步骤二、根据所需加工的沉孔口径D1，深度I1，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ1＝50um，焦深h1＝135um；
步骤三、将待加工工件固定在聚焦单元的后工作距离处，也就是焦面处，激光器出射的激光入射至空间整形器件SLM，在空间整形器件SLM上加载全息图实现贝塞尔光束，将激光光斑尺寸调整为2um，焦深调整为600um；
步骤四、光斑尺寸为2um，焦深为600um的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现通孔的加工；
步骤五、更换空间整形器件SLM上的全息图，将激光光斑尺寸调节为50um，焦深调节为135um；
步骤六、光斑尺寸为50um，焦深为135um的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现沉孔的加工。
通过上述方法可实现通孔深径比≥20，通孔与沉孔同轴度≤2μm，通孔直径<10μm；沉孔＜80μm的微孔加工。
如图3所示，本实施例高同轴度、大深径比微孔加工系统，包括沿光路依次设置的激光器、光路传输系统1、空间整形器件SLM2及聚焦单元3。
因飞秒激光具有超快、超强的独特性质，使得其具有材料适应性广、极小化热影响区、几乎无重铸等加工优势；同时也由于加工中非接触、无需液体/酸碱辅助的特点，所以本发明选用飞秒激光器作为激光源。飞秒激光器出射的飞秒激光经光路传输系统1输至空间整形器件SLM2；利用空间整形器件SLM2调整飞秒激光的光斑及焦深，调整后的光斑及焦深与待加工孔的参数对应；调整后的飞秒激光通过聚焦单元3聚焦至待加工表面，实现待加工孔的加工。

Claims (8)

1.一种高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据所需加工的通孔口径D0，深度I0，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ0，焦深h0；
步骤二、根据所需加工的沉孔口径D1，深度I1，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ1，焦深h1；其中所述沉孔与所述通孔同轴且相通；其中D1﹥D0；Φ1﹥Φ0；I0﹥I1；
步骤三、将待加工工件固定在聚焦单元的后工作距离处，激光入射至空间整形器件SLM；在空间整形器件SLM上加载全息图，调整激光光斑尺寸为Φ0，焦深为h0；
步骤四、光斑尺寸为Φ0，焦深为h0的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现通孔的加工；
步骤五、更换空间整形器件SLM上的全息图，将激光光斑尺寸调节为Φ1，焦深调节为h1；
步骤六、光斑尺寸为Φ1，焦深为h1的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现沉孔的加工。
2.根据权利要求1所述的高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特征在于：所述激光为飞秒激光。
3.根据权利要求1或2所述的高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特征在于：所述通孔的深径比≥20：1，通孔的直径<10μm；沉孔的直径＜80μm；所述通孔与沉孔的同轴度≤2μm。
4.一种高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据所需加工的通孔口径D0，深度I0，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ0，焦深h0；
步骤二、根据所需加工的沉孔口径D1，深度I1，经过工艺试验确定所需的激光光斑Φ1，焦深h1；其中所述沉孔与所述通孔同轴且相通；其中D1﹥D0；Φ1﹥Φ0；I0﹥I1；
步骤三、将待加工工件固定在聚焦单元的后工作距离处，激光入射至空间整形器件SLM；在空间整形器件SLM上加载全息图，调整激光光斑尺寸为Φ1，焦深为h1；
步骤四、光斑尺寸为Φ1，焦深为h1的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现沉孔的加工；
步骤五、更换空间整形器件SLM上的全息图，将激光光斑尺寸调节为Φ0，焦深调节为h0；
步骤六、光斑尺寸为Φ0，焦深为h0的激光经聚焦单元聚焦后入射至待加工表面，实现通孔的加工。
5.根据权利要求4所述的高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特征在于：所述激光为飞秒激光。
6.根据权利要求4或5所述的高同轴度、大深径比微孔加工方法，其特征在于：所述通孔的深径比≥20：1，通孔的直径<10μm；沉孔的直径＜80μm；所述通孔与沉孔的同轴度≤2μm。
7.一种高同轴度、大深径比微孔加工系统，包括激光器，其特征在于：还包括沿光路依次设置的光路传输系统、空间整形器件SLM及聚焦单元；
所述激光器用于出射激光；
所述光路传输系统用于将激光传输至空间整形器件SLM；
所述空间整形器件SLM用于调整激光的光斑与焦深；
所述聚焦单元用于将调整光斑与焦深后的激光聚焦至待加工表面。
8.根据权利要求7所述的高同轴度、大深径比微孔加工系统，其特征在于：所述激光器为飞秒激光器。
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