CN112589259A - 一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削的加工方法 - Google Patents

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张洪龙
张梅菊
王文豪
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Abstract

一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削的加工方法，属于激光加工技术领域。所述陶瓷线圈骨架的激光高精切削的加工方法，包括以下步骤：将待加工的工件置于定位‑夹具上；采用平行线扫描方式；扫描方向垂直于工件旋转方向；所述对待加工工件进行扫描加工具体包括以下步骤：将激光束在所述工件的待加工位置形成聚焦点；控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，使所述聚焦点沿预设扫描轨迹在所述工件上进行往复进给扫描。此方法突破传统接触式加工精度低的局限性，实现了对材料进行高精度的直接切削加工。本发明操作简单，使用可靠。

Description

一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削的加工方法
技术领域
本发明涉及一种激光切削加工陶瓷方法，属于材料加工领域，尤其涉及激光加工技术领域。
技术背景
工程陶瓷具有高刚度重量比、高硬度、高耐磨性、耐高温和低热膨胀系数等优良特征，被日益广泛地应用于现代工业、国防航空航天、电子信息等领域，随着这些行业的快速发展以及对尖端装备的性能需求不断提升，工程陶瓷材料精密零部件的加工精度要求也逐步增高。
目前，陶瓷精密切削常用的方法有超声振动磨削，水射流加工，电化学加工，电火花加工等，多为接触式加工，易对陶瓷表面产生机械损伤，次表面裂纹等缺陷，同时机械加工受限于其加工原理难以实现高精度复杂三维立体件的精细切削。
中国发明专利申请号201710475490.4公布了一种透波性陶瓷天线窗的切削加工方法，该方法中刀具切削刃与工件表面存在接触，同一平面的不同区域采用不同的刀具加工路径。武美萍等人(武美萍等.基于磨料水射流的陶瓷材料车削加工[J].机械设计与研究，2015，31(6):87-89,93.)采用磨料水射流的加工工艺对半径为10mm的Al2O3陶瓷材料进行切削加工，磨料选择80#天然金刚砂，并建立了切削加工的模型，发现随着喷射压力增大和磨料流量增加，切削深度成比例增加但是工件材料表面会产生径向裂纹，从而降低工件的强度。Dahotre等(Samant A N,Dahotre N B.physica status solidi(RRL)–RapidResearch Letters.2007,1(1):R4-R6&Samant A N,Dahotre N B.Journal of theEuropean Ceramic Society.2009,29(6):969-993.)采用重复频率20Hz、脉宽0.5ms的1064nm激光对氧化铝、碳化硅等陶瓷材料进行切削加工。通过多次实验发现，加工尺寸约为毫米量级，尚未突破百微米级，加工精度较低，切削面附近出现较多的熔渣，边缘质量较差。
为了克服上述问题，本发明提出一种激光切削加工陶瓷的方法，以激光线扫描陶瓷，实现了陶瓷材料的激光切削加工，具有加工过程可控，提高加工精度和效率的特点。
发明内容
本发明提供一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削方法，包括以下步骤：
所述加工使用的束传输质量优化后，光斑尺寸不大于50μm、光斑能量均匀分布激光定位精度达10-6m量级，经光或呈高斯分布；
所述的加工方法至少包含以下步骤：
将待加工的工件置于定位-夹具上；
采用了合适的激光参数进行平行线扫描；
扫描方向垂直于工件旋转方向；
将激光束在所述工件的待加工位置形成聚焦点；
控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，使所述聚焦点沿预设扫描轨迹在所述工件上进行往复进给扫描。
本发明有效的提高激光加工过程中的加工精度。此方法突破传统接触式加工精度低的局限性，实现了对材料进行高精度的直接切削加工。
本发明提供一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削的加工方法，包括如下步骤：
将待加工的工件置于定位-夹具上，该定位-夹具由轴承、支撑架与顶针构成，采用双轴承的方式进行夹装，基于螺旋传动构件的加工需求，使用计算机辅助设计软件，此工装主动旋转轴可编程控制，夹装工件时可进行校准调整。
采用平行线扫描方法对工件的底部进行扫描加工，平行线扫描编程区域小于工件的沟槽宽度，将其精准定位到待加工位置，定位精度可达微米量级。改变激光的扫描速度，能量密度等参数。
扫描方向垂直于工件旋转方向，自上而下，定位-夹具转速可调；所述对待加工工件进行扫描加工具体包括以下步骤：
将激光束在所述工件的待加工位置形成聚焦点，以满足加工所需的激光能量和激光功率密度；
控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，使所述聚焦点沿预设平行扫描轨迹在所述工件上进行往复进给扫描，将离焦量设置为某一参数值，工件在定位-夹具上可进行顺、逆时针方向的自由旋转，可根据需求设置特定的转速以配合相对运动。
本发明所述的陶瓷线圈骨架的激光高精切削方法，所述加工使用的激光定位精度达10-6m量级，经光束传输质量优化后，光斑尺寸不大于50μm、光斑能量均匀分布或呈高斯分布；
控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，扫描方向垂直于工件旋转方向，自上而下；
应用所述激光扫描装置使激光束沿垂直于旋转切面的方向逐层线扫描，扫描路径可调，扫描区域均匀，平整；
控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，使所述聚焦点沿预设平行线扫描轨迹在所述工件上进行往复进给扫描，包括根据所述待加工工件的加工参数，激光切削的脉冲重复频率f为500～10000kHz,激光平均功率P为9～65W,加工速度v为400～1700mm/s。
所述加工方法可实现陶瓷的高精度加工，获得部分区域切削精度可达10-7m，粗糙度最低可达10-7m，去除效率最低可达0.5mm3/min可控。
附图说明
图1为本发明中陶瓷线圈骨架的激光高精切削方法的流程图；
图2是陶瓷线圈骨架的激光高精切削过程构架图；
图3是激光与工件相切示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明提出了一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削的加工方法，参照图示1所示，包括以下步骤：
S1将待加工的工件置于定位-夹具上，使用计算机辅助设计软件，此工装主动旋转轴可编程控制，夹装工件时可进行校准调整；
S2对待加工工件进行扫描加工，平行线扫描编程区域小于工件的沟槽宽度，将其精准定位到待加工位置；
S201将激光束在所述工件的待加工位置形成聚焦点，焦点处激光能量充足；
S202采用平行线扫描方法对工件的底部进行扫描加工，通过横向和纵向规则排列的密集脉冲光斑形成的微坑实现工件材料去除；
S203扫描方向垂直于工件旋转方向，定位-夹具转速可调，工件转速尽可能的降低以减少对扫描件路径的影响；
S204控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，使聚焦点沿预设平行扫描轨迹在所述工件上进行往复进给扫描。
实施例：
本发明所选用切削材料为氧化铝陶瓷，使用的激光器为1064nm波长的激光器，其工件材料的切削过程如下：
(1)选择振镜扫描方式进行加工，加工参数：激光重复频率F＝500kHz、功率P＝65W、激光触发频率f＝400kHz、脉冲数为1.5×109、离焦量为-9mm、扫描速度v＝400mm/s、转速r＝1000rad/min，采用超高倍zoom镜头进行精确加工定位(如图2)，该定位精度可达1μm激光定位，定位将十字中心位置移动到需要加工处理的部位。
(2)实际加工过程中，为了精确控制激光的进给量，激光自上而下垂直于工件旋转方向进行平行线扫描，扫描路径由编程设置，小于工件的待加工区域，保证横向和纵向规则排列的密集脉冲光斑形成的微坑，达到材料去除效果。工件转速可调整，尽可能的降低以减少对扫描路径的影响，采用相切的方式进行加工，沿垂直旋转切面的分层结构扫描轨迹扫描加工，并且控制聚焦点与所述工件产生相对运动，在工件的中轴处和夹具的底座有明显亮斑。激光与工件的中轴侧壁处于“相切”的状态(如图3)，保证激光精确的定位在工件的清根部位。对比加工前后的侧壁，加工前的侧壁有明显挂渣，加工后的侧壁的挂渣全部去除。
(3)采用(1)加工参数，对加工参数的重复性进行验证，同时完成整个工件的加工。对多条槽的加工结果进行多次测量，每条槽进行编号，然后使用共聚焦进行截面测量，每条槽选取三个位置进行记录。其中选取一处进行原始与加工后的截面测试对比。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削方法，其特征在于，所述激光加工定位精度达10- 6m量级，经光束传输质量优化后，光斑尺寸不大于50μm、光斑能量均匀分布或呈高斯分布；
所述的加工方法至少包含以下步骤：
将待加工的工件置于定位-夹具上；
采用平行线扫描方式；
扫描方向垂直于工件旋转方向。
2.根据权利要求1所述的陶瓷构件激光切削加工的方法，其特征在于，所述对待加工工件进行扫描加工至少包括以下要求：
将激光束在所述工件的待加工位置形成聚焦点；
控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，使所述聚焦点沿预设扫描轨迹在所述工件上进行往复进给扫描。
3.根据权利要求1所述的陶瓷构件激光切削加工的方法，其特征在于，所述控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，扫描方向垂直于工件旋转方向。
4.根据权利要求1所述的陶瓷构件激光切削加工的方法，其特征在于，应用所述超快激光扫描装置使激光束沿垂直于旋转切面的方向逐层线扫描，扫描路径可调。
5.根据权利要求1所述的陶瓷构件激光切削加工的方法，其特征在于，所述控制所述聚焦点与所述工件产生相对运动，使所述聚焦点沿预设平行线扫描轨迹在所述工件上进行往复进给扫描，包括根据所述待加工工件的加工参数：激光切削的脉冲重复频率f为500～10000kHz,激光平均功率P为9～65W,加工速度v为400～1700mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削方法，其特征在于，获得部分区域切削精度可达10-7m，粗糙度最低可达10-7m，去除效率最低可达0.5mm3/min可控。
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