CN111515544A - 一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法 - Google Patents

一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，涉及激光微加工技术领域，步骤如下：获取待加工的槽孔，分别测量所述槽孔的深度以及宽度，得到槽孔深T和槽孔宽W；获取激光器，让激光器的激光发射中心与所述槽孔的位置相对应；接通激光器的电源，让激光器发出的激光束依次经过扩束镜、光束匀化部件、光束传输偏转系统以及聚焦镜，最终在所述槽孔内壁表面形成焦平面；控制激光束与工件水平方向的夹角
Figure DDA0002468019550000012
以及激光束的孔径角θ，采用偏转角度的激光束进行槽孔内壁表面的加工，能够对大深径比的槽孔进行加工；通过控制扩束后的光斑直径D、光束偏转角
Figure DDA0002468019550000011
以及聚焦镜的焦距f，可以满足不同深径比的加工需求。

Description

一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法
技术领域
本发明涉及激光微加工技术领域，具体为一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法。
背景技术
随着航空航天、电子和医疗器械等工业设备向着小型化、精细化、集成化发展，许多关键部件都需要设计大量的精微槽孔，且需要对槽孔内壁表面进行材料去除加工，以完成特定功能，从而提高产品性能。这些精微孔大都属于孔径小，孔深大的大深径比槽孔，对其内壁表面的精细加工，若采用传统的机械、电火花等方式，效率低，精度差，接触式加工易磨损刀具；
若采用一般的激光加工方式，激光束垂直于工件，随着加工位置和加工深度的改变，激光束自上而下加工时，垂直的光束会将边缘不需要加工的区域烧蚀，且不能在大深径比的槽孔内壁表面任意位置进行精细加工；
综上所述，本领域的技术人员提出了一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，解决了采用传统的机械、电火花等方式，效率低，精度差，接触式加工易磨损刀具以及采用一般的激光加工方式，激光束垂直于工件，随着加工位置和加工深度的改变，激光束自上而下加工时，垂直的光束会将边缘不需要加工的区域烧蚀，且不能在大深径比的槽孔内壁表面任意位置进行精细加工的的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，包括如下步骤：
S1、获取待加工的槽孔，分别测量所述槽孔的深度以及宽度，得到槽孔深T和槽孔宽W；
S2、获取激光器，让激光器的激光发射中心与所述槽孔的位置相对应；
S3、接通激光器的电源，让激光器发出的激光束依次经过扩束镜、光束匀化部件、光束传输偏转系统以及聚焦镜，最终在所述槽孔内壁表面形成焦平面；
S4、控制激光束与工件水平方向的夹角
Figure BDA0002468019530000021
以及激光束的孔径角θ；
S5、根据相似三角形的性质，所述槽孔深T、槽孔宽W两者的比值与聚焦镜焦距f、准直光斑直径D两者的比值相等；
S6、调整激光束在经过所述扩束镜之后的光斑直径D以及所述聚焦镜的焦距f，即可完成对槽孔内壁表面材料的去除。
优选的，步骤S4中，激光束与工件水平方向的夹角
Figure BDA0002468019530000022
需满足以下关系式：
Figure BDA0002468019530000023
优选的，步骤S4中，激光束的孔径角θ需满足以下关系式：
Figure BDA0002468019530000024
优选的，结合公式1和公式2，可得槽孔深T、槽孔宽W、聚焦镜焦距f以及准直光斑直径D，四者之间需满足以下关系式：
Figure BDA0002468019530000025
有益效果
本发明提供了一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
1、该槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，采用偏转角度的激光束进行槽孔内壁表面的加工，能够对大深径比的槽孔进行加工。
2、该槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，通过控制扩束后的光斑直径D、光束偏转角
Figure BDA0002468019530000031
以及聚焦镜的焦距f，可以满足不同深径比的加工需求。
3、该槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，对激光束的能量分布进行整形，使聚焦在待加工元件的光斑能量均匀分布，有利于待加工边界区域的物质对激光能量吸收的稳定性，提高加工精度。
附图说明
图1为本发明激光束调整原理结构示意图；
图2为本发明图1中A部分的细节参数图。
图中：1、激光器；2、扩束镜；3、光束匀化部件；4、光束传输偏转系统；5、聚焦镜；6、焦平面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，包括如下步骤：
S1、获取待加工的槽孔，分别测量槽孔的深度以及宽度，得到槽孔深T和槽孔宽W；
S2、获取激光器1，让激光器1的激光发射中心与槽孔的位置相对应；
S3、接通激光器1的电源，让激光器1发出的激光束依次经过扩束镜2、光束匀化部件3、光束传输偏转系统4以及聚焦镜5，最终在槽孔内壁表面形成焦平面6；
S4、控制激光束与工件水平方向的夹角
Figure BDA0002468019530000032
以及激光束的孔径角θ；
S5、根据相似三角形的性质，槽孔深T、槽孔宽W两者的比值与聚焦镜焦距f、准直光斑直径D两者的比值相等；
S6、调整激光束在经过扩束镜2之后的光斑直径D以及聚焦镜5的焦距f，即可完成对槽孔内壁表面材料的去除。
步骤S4中，激光束与工件水平方向的夹角
Figure BDA0002468019530000041
需满足以下关系式：
Figure BDA0002468019530000042
步骤S4中，激光束的孔径角θ需满足以下关系式：
Figure BDA0002468019530000043
结合公式1和公式2，可得槽孔深T、槽孔宽W、聚焦镜焦距f以及准直光斑直径D，四者之间需满足以下关系式：
Figure BDA0002468019530000044
由公式3可以得知，为了满足不同深径比的加工需求，必须控制扩束后的光斑直径D、光束偏向角
Figure BDA0002468019530000045
以及聚焦镜的焦距f。
由图2可以得知，夹角
Figure BDA0002468019530000046
越大，激光束与工件越垂直，投影在槽孔内壁上的光斑分布越分散，光斑能量分布呈高斯分布(中心能量强，边缘能量弱)，边缘区域分散的激光能量分布对材料的吸收有较大的影响，容易造成吸收的不稳定，进而影响加工的线宽尺寸精度，因此增加匀化元件对光斑能量进行整形。
在本实施例中，经过扩束整形匀化之后的激光束经过光束偏转元件使得激光束以一定角度聚焦于微槽孔内壁表面，且通过控制不同的光斑直径D、光束偏转角
Figure BDA0002468019530000047
以及聚焦镜的焦距f，可以实现对不同深径比的槽孔内壁表面任意位置的精细加工。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取待加工的槽孔，分别测量所述槽孔的深度以及宽度，得到槽孔深T和槽孔宽W；
S2、获取激光器，让激光器的激光发射中心与所述槽孔的位置相对应；
S3、接通激光器的电源，让激光器发出的激光束依次经过扩束镜、光束匀化部件、光束传输偏转系统以及聚焦镜，最终在所述槽孔内壁表面形成焦平面；
S4、控制激光束与工件水平方向的夹角
Figure FDA0002468019520000011
以及激光束的孔径角θ；
S5、根据相似三角形的性质，所述槽孔深T、槽孔宽W两者的比值与聚焦镜焦距f、准直光斑直径D两者的比值相等；
S6、调整激光束在经过所述扩束镜之后的光斑直径D以及所述聚焦镜的焦距f，即可完成对槽孔内壁表面材料的去除。
2.根据权利要求1所述的一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，激光束与工件水平方向的夹角
Figure FDA0002468019520000012
需满足以下关系式：
Figure FDA0002468019520000013
3.根据权利要求2所述的一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，激光束的孔径角θ需满足以下关系式：
Figure FDA0002468019520000014
4.根据权利要求3所述的一种槽孔内壁表面材料去除加工的计算方法，其特征在于，结合公式1和公式2，可得槽孔深T、槽孔宽W、聚焦镜焦距f以及准直光斑直径D，四者之间需满足以下关系式：
Figure FDA0002468019520000021
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CN112496530A (zh) * 2020-11-19 2021-03-16 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种v型槽光纤包层激光微纳加工系统及方法
CN112846517A (zh) * 2020-12-31 2021-05-28 武汉华工激光工程有限责任公司 一种滤波器孔状结构内壁镀层的去除装置和方法

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