CN111571027A - 楔形劈刀激光快速加工方法及其专用工装夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种楔形劈刀激光快速加工方法及其专用工装夹具，其包括以下步骤：1)预备专用工装夹具；2)装夹；3)一次调整；4)槽形加工；5)二次调整；6)斜孔加工。本发明方法采用超快激光加工方法对楔形劈刀进行加工，加工时热效应小，加工精度高，有效保证微结构的尺寸要求和表面质量要求，节省去传统EDM方法需后续抛光工序，加工效率高，而且加工为非接触式加工，无电极丝等加工辅材损耗，有效降低加工成本，另外可以适用于碳化钨、钛合金、陶瓷等硬脆材料的加工，适用范围广，利于广泛推广应用。本发明提供的专用工装夹具结构简单，操作简易，能方便将楔形劈刀装夹，并快速定位到所需加工角度，简化加工工序，提升加工效率。

Description

楔形劈刀激光快速加工方法及其专用工装夹具
技术领域
本发明涉及楔形劈刀加工技术领域，特别涉及一种楔形劈刀激光快速加工方法及其专用工装夹具。
背景技术
在IC封装中，芯片和引线框架(基板)的连接为电源和信号的分配提供了电路连接，目前90％以上的连接方式仍是引线键合。“引线键合”类似于高科技缝纫机，能够利用极细的线将一块芯片缝到另一芯片或衬底上。而劈刀正是负责将金属材料排出并“拉丝”的器件。
通常楔形劈刀材料选择硬质合金等硬脆材料，如碳化钨、钛合金、陶瓷。由于劈刀材料为硬脆材料，且微结构尺寸小，精度要求高，加工质量要求高，因此劈刀加工难度极大。
现阶段，劈刀焊接端处结构的加工通常采用EDM方法加工。公开号“CN110640413A”，名称为“一种用于焊接金带的深腔焊劈刀及其生产工艺”，其公开了一种用于焊接金带的深腔焊劈刀的生产工艺，采用高精度电火花加工出金带固定孔。其虽然能实现加工的目的，但是采用EDM方法加工存在以下缺点：1、EDM方法加工完成后，需要后续抛光工序。2、EDM方法只能加工导电材料，如果要加工陶瓷劈刀，还需要加入导电粉末，操作麻烦。3、EDM方法需要设计加工专用电极丝，电极丝易损耗，维护成本高。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种适用范围广，无需抛光处理，且加工效率高的楔形劈刀激光快速加工方法。
本发明的目的还提供一种专用于楔形劈刀激光快速加工方法中的专用工装夹具。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种楔形劈刀的激光快速加工方法，其包括以下步骤：
(1)预备专用工装夹具：所述专用工装夹具包括工装底座、工装夹头、限位块和转轴，所述工装底座上水平设有与所述转轴相适配的轴孔，所述转轴活动设置在该轴孔上，且该转轴的一端伸出所述轴孔且设有所述工装夹头，所述限位块设置在所述转轴的另一端，所述工装底座上设有与该限位块相适配，且能限定转轴在一定角度内旋转的限位结构；
(2)装夹：将需加工的楔形劈刀装夹在所述专用工装夹具的工装夹头上；
(3)一次调整：转动转轴使限位块与限位结构的第一限位面相贴合，使得工装夹头上的楔形劈刀的轴线和第一激光加工工位的振镜扫描光束方向平行，且该楔形劈刀的待开槽位置和第一激光加工工位的振镜扫描光束焦点高度差值在500μm范围内；
(4)槽形加工：第一激光加工工位的振镜扫描光束作用于所述楔形劈刀的待加工位置，并按照所需加工的槽形加工轨迹移动，使楔形劈刀的待开槽位置上呈现出所需的槽位；
(5)二次调整：转动转轴使限位块与限位结构的第二限位面相贴合，使楔形劈刀的轴线和第二激光加工工位的旋切扫描光束方向呈一定夹角，该夹角与所需加工的斜孔倾斜角度相一致，且该楔形劈刀的待开孔位置和第二激光加工工位的旋切扫描光束焦点高度差值在400μm范围内；
(6)斜孔加工：第二激光加工工位的旋切扫描光束作用于所述楔形劈刀的待开孔位置，并按照所需加工的孔形加工轨迹移动，使楔形劈刀的待开孔位置上呈现出所需的斜孔，完成对楔形劈刀的激光快速加工。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(4)中的加工工艺参数设定如下：光频率设定为266-1100nm，激光功率设定为0.2-4W，激光脉冲宽度设定为180-1000fs，激光重复频率设定为25-700kHz，聚焦光斑直径设定为10-40μm，旋切光束扫描速度设定为1800-5000mm/s，加工时间设定为0.5-4s，保护气体气压设定为0.4-0.8MPa。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(6)中的加工工艺参数设定如下：激光频率设定为266-1100nm，激光功率设定为0.2-4W，激光脉冲宽度设定为180-1000fs，激光重复频率设定为25-600kHz，聚焦光斑直径设定为10-40μm，加工光束扫描速度设定为1800-5000mm/s，加工时间设定为0.5-4s，保护气体气压设定为0.5-0.8MPa。
一种专用工装夹具，应用于上述楔形劈刀的激光快速加工方法中，该专用工装夹具包括工装底座、工装夹头、限位块和转轴，所述工装底座上水平设有与所述转轴相适配的轴孔，所述转轴活动设置在该轴孔上，且该转轴的一端伸出所述轴孔且设有所述工装夹头，所述限位块设置在所述转轴的另一端，且在所述工装底座上设有与该限位块相适配以限定转轴在一定角度内旋转的限位结构。
作为本发明的一种优选方案，所述工装夹头包括夹座、压紧块、固定板、调节螺丝和固定螺丝，所述夹座的侧壁上设有安装开槽，所述压紧块位于安装开槽中，所述固定板盖合在安装开槽的侧开口上，并通过固定螺丝固定，该固定板上设有与所述调节螺丝相适配的螺孔，所述调节螺丝拧入螺孔并伸入安装开槽顶压在所述压紧块上。
作为本发明的一种优选方案，所述压紧块朝向所述安装开槽的内棱角位置设有能将楔形劈刀压紧定位的倾斜面。
作为本发明的一种优选方案，所述夹座与转轴为一体连接结构。
作为本发明的一种优选方案，所述转轴的另一端设有横截面呈扇形的缺口，所述限位块的下部固定在该缺口中，该限位块的上部沿所述转轴的径向方向伸出所述缺口形成摆动部。
作为本发明的一种优选方案，所述限位结构的第一限位面和第二限位面上均设有限位孔，并在所述摆动部上设有与该限位孔相适配的锁定孔，锁定螺丝穿过锁定孔拧入限位孔。
本发明的有益效果为：本发明方法采用超快激光加工方法对楔形劈刀进行加工，加工时热效应小，加工精度高，有效保证微结构的尺寸要求和表面质量要求，节省去传统EDM方法需后续抛光工序，加工效率高，而且加工为非接触式加工，无电极丝等加工辅材损耗，有效降低加工成本，另外可以适用于碳化钨、钛合金、陶瓷等硬脆材料的加工，适用范围广，利于广泛推广应用。本发明提供的专用工装夹具结构简单，操作简易，能方便将楔形劈刀装夹，并快速定位到所需加工角度，简化加工工序，提升加工效率。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明中专用工装夹具的立体结构示意图1。
图3为本发明中专用工装夹具的立体结构示意图2。
图4为本发明中工装夹头和转轴的结构示意图。
图5为本发明中工装底座的结构示意图。
图6为本发明中楔形劈刀的局部结构放大示意图。
图7为本发明工作时的结构示意图。
具体实施方式
实施例：本实施例以对楔形劈刀加工方槽和斜孔为例进行说明，并不表示仅限于对方槽进行加工，本领域技术人员可以类推适用于其它形状的槽进行加工，如V形通槽等。
参见图1-图7，本实施例提供的一种楔形劈刀的激光快速加工方法，其包括以下步骤：
(1)预备专用工装夹具：所述专用工装夹具包括工装底座1、工装夹头2、限位块3和转轴4，所述工装底座1上水平设有与所述转轴4相适配的轴孔11，所述转轴4活动设置在该轴孔11上，且该转轴4的一端伸出所述轴孔11且设有所述工装夹头2，所述限位块3设置在所述转轴4的另一端，所述工装底座1上设有与该限位块3相适配，且能限定转轴4在一定角度内旋转的限位结构，本实施例中，限定在120度内；具体的，所述转轴4的另一端设有横截面呈扇形的缺口41，所述限位块3的下部固定在该缺口41中，该限位块3的上部沿所述转轴4的径向方向伸出所述缺口41形成摆动部。所述工装夹头2包括夹座21、压紧块22、固定板23、调节螺丝24和固定螺丝25，所述夹座21优选与转轴4为一体连接结构，连接牢固，稳定性好。所述夹座21的侧壁上设有安装开槽211，所述压紧块22位于安装开槽211中，所述压紧块22朝向所述安装开槽211的内棱角位置设有能将楔形劈刀5压紧定位的倾斜面。所述固定板23盖合在安装开槽211的侧开口上，并通过固定螺丝25固定，该固定板23上设有与所述调节螺丝24相适配的螺孔，所述调节螺丝24拧入螺孔并伸入安装开槽211顶压在所述压紧块22上。较佳的，还在压紧块22的背面设有与调节螺丝24相对应的凹位。本实施例中，所述限位结构呈扇形开口结构，具有第一限位面12和第二限位面13，第一限位面12和第二限位面13上均设有限位孔，并在所述摆动部上设有与该限位孔相适配的锁定孔，锁定螺丝穿过锁定孔拧入限位孔，实现锁定的目的，夹持稳定性好，提升加工精度。其它实施例中，该限位结构也可以为第一限位板和第二限位板，然后按照转轴4所需定位的旋转角度固定在所述工装底座1上。
(2)装夹：将需加工的楔形劈刀5装夹在所述专用工装夹具的工装夹头2上；具体的，将需加工的楔形劈刀5的刀柄部分插入安装开槽211，然后拧紧调节螺丝24迫使压紧块22前移，使该压紧块22的倾斜面顶压在该楔形劈刀5上，实现定位装夹的目的。
(3)一次调整：转动转轴4使限位块3与限位结构的第一限位面12相贴合，参见图1和图7，使得工装夹头2上的楔形劈刀5的轴线和第一激光加工工位6的振镜扫描光束方向平行，且该楔形劈刀5的待开槽位置和第一激光加工工位6的振镜扫描光束焦点高度差值在500μm范围内,优选在300μm。将锁定螺丝穿过锁定孔拧入第一限位面12的限位孔，并锁紧。
(4)槽形加工：第一激光加工工位6的振镜扫描光束作用于所述楔形劈刀5的待加工位置，并按照所需加工的槽形加工轨迹移动，使楔形劈刀5的待开槽位置上呈现出所需的槽位51；加工时，超快激光加工装置的第一激光加工工位6的加工工艺参数设定如下：光频率设定为266-1100nm，优选为1030nm，激光功率设定为0.2-4W，优选为0.6W，激光脉冲宽度设定为180-1000fs，优选为200fs，激光重复频率设定为25-700kHz，优选为600kHz，聚焦光斑直径设定为10-40μm，优选为30μm，旋切光束扫描速度设定为1800-5000mm/s，优选为2000mm/s，加工时间设定为0.5-4s，优选为3s，保护气体气压设定为0.4-0.8MPa，优选为0.5MPa。
(5)二次调整：将锁定螺丝先第一限位面12的限位孔中拧出，转动转轴4使限位块3与限位结构的第二限位面13相贴合，参见图2和图7，使楔形劈刀5的轴线和第二激光加工工位7的旋切扫描光束方向呈一定夹角，该夹角与所需加工的斜孔倾斜角度相一致，本实施例中，所需加工的斜孔倾斜角度为120度。该楔形劈刀5的待开孔位置和第二激光加工工位7的旋切扫描光束焦点高度差值在400μm范围内，优选在0-10μm。将锁定螺丝穿过锁定孔拧入第二限位面12的限位孔，并锁紧。
(6)斜孔加工：加工时，超快激光加工装置的第二激光加工工位7的加工工艺参数设定如下：激光频率设定为266-1100nm，优选为1030nm，激光功率设定为0.2-4W，优选为0.6W，激光脉冲宽度设定为180-1000fs，优选为200fs，激光重复频率设定为25-600kHz，优选为100kHz，聚焦光斑直径设定为10-40μm，优选为30μm，加工光束扫描速度设定为1800-5000mm/s，优选为2000mm/s，加工时间设定为0.5-4s，优选为3s，保护气体气压设定为0.5-0.8MPa，优选为0.5MPa。第二激光加工工位7的旋切扫描光束作用于所述楔形劈刀5的待开孔位置，并按照所需加工的孔形加工轨迹移动，使楔形劈刀5的待开孔位置上呈现出所需的斜孔52，完成对楔形劈刀5的激光快速加工。
本发明方法采用超快激光加工方法对楔形劈刀5进行加工，而且加工为非接触式加工，无电极丝等加工辅材损耗，有效降低加工成本，并且节省去传统EDM方法需后续抛光工序，加工效率高，另外可以适用于碳化钨、钛合金、陶瓷等硬脆材料的加工，适用于楔形劈刀5的小批量定制化试制和大批量生产，有效降低加工成本，提高同等投入下的加工产量。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它方法，均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种楔形劈刀的激光快速加工方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)预备专用工装夹具：所述专用工装夹具包括工装底座、工装夹头、限位块和转轴，所述工装底座上水平设有与所述转轴相适配的轴孔，所述转轴活动设置在该轴孔上，且该转轴的一端伸出所述轴孔且设有所述工装夹头，所述限位块设置在所述转轴的另一端，所述工装底座上设有与该限位块相适配，且能限定转轴在一定角度内旋转的限位结构；
(2)装夹：将需加工的楔形劈刀装夹在所述专用工装夹具的工装夹头上；
(3)一次调整：转动转轴使限位块与限位结构的第一限位面相贴合，使得工装夹头上的楔形劈刀的轴线和第一激光加工工位的振镜扫描光束方向平行，且该楔形劈刀的待开槽位置和第一激光加工工位的振镜扫描光束焦点高度差值在500μm范围内；
(4)槽形加工：第一激光加工工位的振镜扫描光束作用于所述楔形劈刀的待加工位置，并按照所需加工的槽形加工轨迹移动，使楔形劈刀的待开槽位置上呈现出所需的槽位；
(5)二次调整：转动转轴使限位块与限位结构的第二限位面相贴合，使楔形劈刀的轴线和第二激光加工工位的旋切扫描光束方向呈一定夹角，该夹角与所需加工的斜孔倾斜角度相一致，且该楔形劈刀的待开孔位置和第二激光加工工位的旋切扫描光束焦点高度差值在400μm范围内；
(6)斜孔加工：第二激光加工工位的旋切扫描光束作用于所述楔形劈刀的待开孔位置，并按照所需加工的孔形加工轨迹移动，使楔形劈刀的待开孔位置上呈现出所需的斜孔，完成对楔形劈刀的激光快速加工。
2.根据权利要求1所述的楔形劈刀激光快速加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中的加工工艺参数设定如下：光频率设定为266-1100nm，激光功率设定为0.2-4W，激光脉冲宽度设定为180-1000fs，激光重复频率设定为25-700kHz，聚焦光斑直径设定为10-40μm，旋切光束扫描速度设定为1800-5000mm/s，加工时间设定为0.5-4s，保护气体气压设定为0.4-0.8MPa。
3.根据权利要求1所述的楔形劈刀激光快速加工方法，其特征在于，所述步骤(6)中的加工工艺参数设定如下：激光频率设定为266-1100nm，激光功率设定为0.2-4W，激光脉冲宽度设定为180-1000fs，激光重复频率设定为25-600kHz，聚焦光斑直径设定为10-40μm，加工光束扫描速度设定为1800-5000mm/s，加工时间设定为0.5-4s，保护气体气压设定为0.5-0.8MPa。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的楔形劈刀激光快速加工方法，其特征在于，所述工装夹头包括夹座、压紧块、固定板、调节螺丝和固定螺丝，所述夹座的侧壁上设有安装开槽，所述压紧块位于安装开槽中，所述固定板盖合在安装开槽的侧开口上，并通过固定螺丝固定，该固定板上设有与所述调节螺丝相适配的螺孔，所述调节螺丝拧入螺孔并伸入安装开槽顶压在所述压紧块上。
5.根据权利要求4所述的楔形劈刀激光快速加工方法，其特征在于，所述压紧块朝向所述安装开槽的内棱角位置设有能将楔形劈刀压紧定位的倾斜面。
6.根据权利要求4所述的楔形劈刀激光快速加工方法，其特征在于，所述夹座与转轴为一体连接结构。
7.根据权利要求4所述的楔形劈刀激光快速加工方法，其特征在于，所述转轴的另一端设有横截面呈扇形的缺口，所述限位块的下部固定在该缺口中，该限位块的上部沿所述转轴的径向方向伸出所述缺口形成摆动部。
8.根据权利要求7所述的楔形劈刀激光快速加工方法，其特征在于，所述限位结构的第一限位面和第二限位面上均设有限位孔，并在所述摆动部上设有与该限位孔相适配的锁定孔，锁定螺丝穿过锁定孔拧入限位孔。
9.一种专用工装夹具，其特征在于，应用于权利要求1-8任意一项所述楔形劈刀的激光快速加工方法中，该专用工装夹具包括工装底座、工装夹头、限位块和转轴，所述工装底座上水平设有与所述转轴相适配的轴孔，所述转轴活动设置在该轴孔上，且该转轴的一端伸出所述轴孔且设有所述工装夹头，所述限位块设置在所述转轴的另一端，且在所述工装底座上设有与该限位块相适配以限定转轴在一定角度内旋转的限位结构。
10.根据权利要求9所述的专用工装夹具，其特征在于：所述工装夹头包括夹座、压紧块、固定板、调节螺丝和固定螺丝，所述夹座的侧壁上设有安装开槽，所述压紧块位于安装开槽中，所述固定板盖合在安装开槽的侧开口上，并通过固定螺丝固定，该固定板上设有与所述调节螺丝相适配的螺孔，所述调节螺丝拧入螺孔并伸入安装开槽顶压在所述压紧块上；所述压紧块朝向所述安装开槽的内棱角位置设有能将楔形劈刀压紧定位的倾斜面；所述夹座与转轴为一体连接结构；所述转轴的另一端设有横截面呈扇形的缺口，所述限位块的下部固定在该缺口中，该限位块的上部沿所述转轴的径向方向伸出所述缺口形成摆动部；所述限位结构的第一限位面和第二限位面上均设有限位孔，并在所述摆动部上设有与该限位孔相适配的锁定孔，锁定螺丝穿过锁定孔拧入限位孔。
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