CN113305455A - 通孔激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通孔激光加工方法，包括步骤：将工件固定到加工位置；设置激光切割头的加工参数；确定待加工通孔的位置轮廓；选取所述轮廓内的点，控制激光进行脉冲穿孔；控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割。本发明首先对工件进行激光穿孔以便于后续切割排渣，然后再利用激光对待加工通孔的轮廓的轨迹进行切割，有效地提高了针对硬质材料进行通孔加工的切割效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种通孔激光加工方法。
背景技术
熔断器是一种由熔体和支撑或保护熔体的绝缘体组成的装置，其串联在被保护电路中以达到保护电路或设备的目的。熔断器的外壳一般设计为管状结构，并采用陶瓷材质，可以在电弧的高温状态下表现出强的绝缘电阻率，对电弧产生的压力和高温冲击有较好的耐力。
常规管状结构熔断器在罐体内部灌注石英砂作为灭弧材料，而微型熔断器由于管内体积小，只能采用流体灭弧材料。因此需要在微型熔断器陶瓷外壳上加工通孔，一方面用于灌注流体灭弧材料，另一方面通过此通孔的泄压作用降低金属熔体熔断时产生的爆炸压力。传统陶瓷通孔采用数控机床进行加工，由于陶瓷材料硬度较大，且加工孔径较小(孔径≤0.4mm)，数控机床加工存在加工效率比较低的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明提供一种通孔激光加工方法，可以提高针对陶瓷等硬质材料进行激光加工通孔的效率。
本实施例采取了以下技术方案：
一种通孔激光加工方法，包括步骤：
将工件固定到加工位置；
设置激光切割头的加工参数；
确定所述工件上待加工通孔的位置及轮廓；
选取所述轮廓内的某点作为加工点，控制激光对所述加工点进行脉冲穿孔；
控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，所述控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割的步骤包括：
建立引入线，所述引入线为通过所述加工点并与所述轮廓相切的圆弧线；
控制激光沿着所述引入线，从所述加工点移动到所述引入线与所述轮廓的相切点；
控制激光以所述相切点为起点，沿所述轮廓切割一周并返回所述相切点；
建立引出线，所述引出线为通过所述相切点并与所述轮廓内切的圆弧线；
控制激光沿着所述引出线，从所述相切点移动到所述轮廓内某点，完成本次切割。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，所述工件的形状为管状，所述将工件固定到加工位置的步骤包括：
将单个或多个工件依次套设在保护管上；
将保护管及工件固定在加工治具上。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，在所述将工件固定到加工位置的步骤之后，还包括步骤：
通过视觉系统对工件进行拍照定位，获取工件定位信息；
根据工件定位信息，调整激光切割头的位置，使激光切割头对准待加工通孔。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，在所述将工件固定到加工位置的步骤之后，还包括步骤：
启动激光切割头，对激光焦点位置进行测试和调整，确保激光焦点位于工件的加工基准面上。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，所述控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割的步骤中，还包括步骤：
使用与激光切割头同轴的高压气体喷吹待加工通孔。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，所述控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割的步骤中，还包括步骤：
采集实时的编码器反馈进行位置比较，与激光切割头同步输出信号进行相位同步，使激光切割头以恒定的空间间隔发射激光。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，所述激光切割头为单模准连续光纤切割头。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，所述激光切割头的脉冲宽度为0.01ms～50ms。
进一步的，在所述通孔激光加工方法中，所述保护管为蓝宝石管。
相较于现有技术，本发明提供的一种通孔激光加工方法，首先对工件进行激光穿孔以便于后续切割排渣，然后再利用激光对待加工通孔的轮廓的轨迹进行切割，从而有效地提高了针对硬质材料通孔加工的效率。
附图说明
图1为本发明提供的通孔激光加工方法的流程图。
图2为图1所示通孔激光加工方法中步骤S100的流程图。
图3为图1所示通孔激光加工方法中步骤S400的流程图。
图4为图1所示通孔激光加工方法中激光加工轨迹示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，为本发明提供的一种通孔激光加工方法的流程图，所述通孔激光加工方法包括步骤：
S100、将工件固定到加工位置；
S200、设置激光切割头的加工参数；
S300、确定所述工件上待加工通孔的位置及轮廓；
S400、选取所述轮廓内的某点作为加工点，控制激光对所述加工点进行脉冲穿孔；
S500、控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割。
其中，激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨擦产生阻力，所以激光加工的速度极快，加工对象受到热影响的范围较小且不会产生噪音。
本发明中通孔激光加工方法针对的工件为材质为硬质材料，例如陶瓷、玻璃等。通过上述步骤，针对工件先通过激光进行脉冲穿孔，再沿待加工通孔的轮廓进行切割，可以利用激光加工的优势，使通孔快速烧蚀切割成型。相比于机械加工方式，减少了刀具使用，没有刀具磨损，无需频繁更换刀具；且加工效率更快，经济效益更高；同时减少了切削液的使用，对环境更加友好。
进一步的，请参阅图2，当工件的形状为管状时，所述步骤S100包括：
S110、将单个或多个工件依次套设在保护管上；
S120、将保护管及工件固定在加工治具上。
在本实施例中，本发明加工对象为微型熔断器的外壳，其为一种采用陶瓷制成的管状结构，所要加工的通孔为外壳上的防爆孔。加工开始前，先要完成管状微型熔断器陶瓷外壳的装夹。将单个或多个管状熔断器陶瓷外壳依次套设在保护管上并夹持固定，然后将装夹后的管状熔断器陶瓷外壳及保护管放置在切割运动平台的加工治具上，并进行固定。
其中，保护管的作用是在通孔加工过程中，避免激光对通孔相对的工件内壁造成损伤。并且，所述保护管的材质可以选择蓝宝石。一方面蓝宝石材质对激光的吸收和散射可以很好地避免加工过程中激光对小空腔结构对壁的损伤；另一方面，蓝宝石材质的损伤阈值较高，不易断裂，可延长保护管寿命，提高经济效益。
进一步的，在步骤S100之后，还包括步骤：
S130、通过视觉系统对工件进行拍照定位，获取工件定位信息；
S140、根据工件定位信息，调整激光切割头的位置，使激光切割头对准待加工通孔。
产品的加工位置通过视觉系统进行确定。且为了使位置定位精确，视觉系统的定位精度需小于等于10um，可通过采用高像素的CCD相机进行拍照捕捉，并使相机单个像素精度≤5um，保证拍照质量。
并且，在步骤S100之后，还可包括步骤：
S150、启动激光切割头，对激光焦点位置进行测试和调整，确保激光焦点位于工件的加工基准面上。
本实施例中工件的加工基准面即为工件的表面，激光焦点通过调整激光切割头中聚焦镜片位置进行实现。在本实施例中，工件的加工基准面即为工件的表面，激光切割头焦点位置可调节范围选为±5mm。激光切割头中准直模块与聚焦模块的选择对激光切割效果影响较大，优选地选择准直模块的准直镜焦距为100～150mm，聚焦模块的聚焦镜焦距为50～100mm，有利于获得更小的切割缝宽和更低的内壁粗糙度。
在步骤S200中，对激光加工参数及图档进行设置，所述激光加工参数包括切割速度、激光频率、激光脉宽、激光峰值功率和穿孔时间等。
在步骤S300中，可以将相关的加工图纸，如CAD加工图纸导入加工系统中，获取CAD加工图纸上通孔的数量、每个通孔的中心坐标、通孔孔径等参数，从而确定每个待加工通孔的中心位置及位置轮廓。
在激光切割工件之前，首先进行激光穿孔以便于后续切割排渣。在步骤S300中，由于穿孔的质量对切割质量影响较大，穿孔方式优选为激光脉冲穿孔。激光脉冲穿孔是采用高峰值功率低占空比的脉冲激光使材料熔化或汽化，常并使用辅助气体以减少因放热使孔扩展。每个脉冲只会产生微小的飞溅，这样穿孔直径较小，其穿孔质量优于爆破穿孔，适用于精密加工。
进一步的，请参阅图3，所述步骤S400具体包括：
S410、建立引入线，所述引入线为通过所述加工点并与所述轮廓相切的圆弧线；
S420、控制激光沿着所述引入线，从所述加工点移动到所述引入线与所述轮廓的相切点；
S430、控制激光以所述相切点为起点，沿所述轮廓切割一周并返回所述相切点；
S440、建立引出线，所述引出线为通过所述相切点并与所述轮廓内切的圆弧线；
S450、控制激光沿着所述引出线，从所述相切点移动到所述轮廓内某点，完成本次切割。
为了较好地完成步骤S410至步骤S450，本实施例采用高精度运动平台执行加工路径，其具备插补运动功能，能实现弧形运动轨迹的执行，且重复运动精度小于等于±5um。
请结合图4，选取待加工通孔轮廓30内某点A作为加工点进行激光脉冲穿孔后，建立引入线10和引出线20。引入线10和引出线20均为圆弧线，并使引入线10和引出线20均与待加工通孔轮廓30相切，且相切点为同一点。先控制激光以圆弧引入线10作为加工轨迹，从穿孔位置A移动至引入线10与通孔轮廓30的相切点B；然后激光以相切点B为起点，以通孔轮廓30为加工轨迹环切一周回到相切点B；之后激光以圆弧引出线20为加工轨迹移动至通孔轮廓30内，关闭激光完成本次切割。通过设置激光引入线和引出线，通孔轮廓切入处(交点)就不会产生崩边或凸起等缺陷，从而提高通孔加工质量。
同时，本实施例采用的光纤激光器为单模的准连续光纤激光器，其波长为1070nm，峰值功率最大能达到1500W，脉冲宽度选为0.01～50ms。单模准连续光纤激光器具有良好的光斑质量和高峰值功率，可对氧化铝陶瓷等硬质材料进行快速烧蚀切割加工。在本实施例中，单模准连续光纤激光对微型防爆熔断器陶瓷外壳防爆孔烧蚀切割的加工参数如表1所示。
表1、单模准连续光纤激光加工参数
并且，在步骤S400中，还包括步骤：
S440、使用与激光切割头同轴的高压气体喷吹待加工通孔。
切割过程喷吹的气体采用高纯氧气，其气压范围在6～10bar。使用高压氧气辅助可形成保护氛围，防止加工过程中产品与空气中氮气反应生成其它物质而导致切口发黑。切割头采用的喷嘴可选用复合喷嘴，复合喷嘴相对单层喷嘴吹气更加均匀。且喷嘴直径选为小于1.5mm，若喷嘴直径过大，喷吹气体压力减少不利于提升切割效率，且溅渣容易进入喷嘴粘附在保护镜片上导致保护镜片失效。
此外，在步骤S400中，还包括步骤：
S450、采集实时的编码器反馈进行位置比较，与激光切割头同步输出信号进行相位同步，使激光切割头以恒定的空间间隔发射激光。
外轮廓加工采用位置同步输出。通过采集实时的编码器反馈进行位置比较，与激光器同步输出信号进行相位同步，在运动轨迹的所有阶段以恒定的空间(而非时间)间隔触发发射激光，包括加速、减速和匀速段，从而实现脉冲能量均匀地作用在工件上，从而实现通孔轮廓上每个脉冲点间距一致，通孔加工质量更加优异。
值得一提的是，以上激光加工方法的次序仅为了方便表达，在不影响加工效果的情况下，可以对上述步骤的次序进行排列组合。例如，在另一实施例中，可将步骤S100和S200的次序调换，不影响最终达到的通孔加工效果。
因此，在本实施例中，通过高精度直线运动平台执行激光切割头的加工路径，并依次设置激光脉冲穿孔、激光引入线轨迹和引出线轨迹，利用准连续光纤激光器高的峰值功率和高压气体喷吹实现管状熔断器陶瓷外壳烧蚀切割加工防爆孔。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种通孔激光加工方法，其特征在于，包括步骤：
将工件固定到加工位置；
设置激光切割头的加工参数；
确定所述工件上待加工通孔的位置及轮廓；
选取所述轮廓内的某点作为加工点，控制激光对所述加工点进行脉冲穿孔；
控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割。
2.根据权利要求1所述的通孔激光加工方法，其特征在于，所述控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割的步骤包括：
建立引入线，所述引入线为通过所述加工点并与所述轮廓相切的圆弧线；
控制激光沿着所述引入线，从所述加工点移动到所述引入线与所述轮廓的相切点；
控制激光以所述相切点为起点，沿所述轮廓切割一周并返回所述相切点；
建立引出线，所述引出线为通过所述相切点并与所述轮廓内切的圆弧线；
控制激光沿着所述引出线，从所述相切点移动到所述轮廓内某点，完成本次切割。
3.根据权利要求1所述的通孔激光加工方法，其特征在于，所述工件的形状为管状，所述将工件固定到加工位置的步骤包括：
将单个或多个工件依次套设在保护管上；
将保护管及工件固定在加工治具上。
4.根据权利要求1所述的通孔激光加工方法，其特征在于，在所述将工件固定到加工位置的步骤之后，还包括步骤：
通过视觉系统对工件进行拍照定位，获取工件定位信息；
根据工件定位信息，调整激光切割头的位置，使激光切割头对准待加工通孔。
5.根据权利要求1所述的通孔激光加工方法，其特征在于，在所述将工件固定到加工位置的步骤之后，还包括步骤：
启动激光切割头，对激光焦点位置进行测试和调整，确保激光焦点位于工件的加工基准面上。
6.根据权利要求1所述的通孔激光加工方法，其特征在于，所述控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割的步骤中，还包括步骤：
使用与激光切割头同轴的高压气体喷吹待加工通孔。
7.根据权利要求1所述的通孔激光加工方法，其特征在于，所述控制激光从所述加工点移动至所述轮廓上，并沿着所述轮廓进行切割的步骤中，还包括步骤：
采集实时的编码器反馈进行位置比较，与激光切割头同步输出信号进行相位同步，使激光切割头以恒定的空间间隔发射激光。
8.根据权利要求1所述的通孔激光加工方法，其特征在于，所述激光切割头为单模准连续光纤切割头。
9.根据权利要求8所述的通孔激光加工方法，其特征在于，所述激光切割头的脉冲宽度为0.01ms～50ms。
10.根据权利要求3所述的通孔激光加工方法，其特征在于，所述保护管为蓝宝石管。
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