CN114131208A - 激光诱导等离子体进行仿形加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光诱导等离子体进行仿形加工装置及方法，加工装置包括激光器、透镜组件、透明工件、工作台、可升降夹具和异形靶材；该透明工件安装在可升降夹具且通过可升降夹具带动透明工件上下平移，该异形靶材固装在工作台且异形靶材具有基面和凸设于基面的模型，该透明工件和异形靶材基面上下平隔布置，该激光器发出的激光束经透镜组件、透明工件辐射聚焦在异形靶材并与异形靶材发生相互作用产生等离子体，等离子体向透明工件下表面转移且透明工件上下平移以在透明工件下表面刻蚀仿形。它具有如下优点：实现工业上的高精密加工质量需求，工序简单、使用灵活、容易实现、可靠。

Description

激光诱导等离子体进行仿形加工装置及方法

技术领域

本发明涉及精密加工方法技术领域，尤其涉及一种激光诱导等离子体进行仿形加工装置及方法。

背景技术

由于工业领域对一些高精密零部件的特殊需求，一些零部件往往具有不规则的形状与各种各样的尺寸，用传统的刀具切削方法需要多道工序，加工工步过多导致加工效率低下，多次装夹还易导致材料变形，而且还无法达到尺寸与形状精度需求。因此。加工这些不规则的外形结构成为了一个加工难题。

透明硬脆材料往往具有高硬度、脆性大、低断裂韧性等特性，材料的弹性极限和强度非常接近，属于难加工材料，其加工表面易产生微裂纹、亚表面损伤层等缺陷，而且透明硬脆材料导热性差，热影响区的温度梯度高，在加工过程中容易产生热裂纹。采用传统的透明硬脆材料加工方法，如切割、研磨和抛光都会在工件表面产生裂纹和凹坑，而且加工精度和效率较低，远不能满足材料高精密加工的需求。

随着激光器的不断发展，超短脉冲激光的生成技术愈发成熟，其可实现超细微加工(亚微米至纳米量级)，可实现透明材料内部精密的三维加工，且热影响小，加工材料范围广。通过超短脉冲激光加工的微结构加工质量同长脉冲激光对比有很大程度的提升，但是其加工成本昂贵。

聚焦离子束加工技术曾因为其高分辨率加工特点，被看成最有潜力微纳加工手段。但是其单点加工方式低下的加工效率严重阻碍了发展，而且加工过程中需要真空环境，成本较高，加工表面质量有限，工艺昂贵，耗时多，所以其在现阶段都没有作为微纳加工手段而得到工业上的广泛运用。

CN201110120841.2的一种激光诱导等离子体注入基材的方法及装置，它公开了一种通过分离高能脉冲激光诱导的等离子体中的金属离子注入基材表层的方法和装置，可以有效的实现金属离子注入，但是加工过程中需要真空环境以及复杂的工件系统，加工成本较高，且不易实现材料去除加工。

CN201710850262.0的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置和方法，它公开了一种透明非金属材料的加工方法，可以有效的获得相对高的非金属材料加工表面质量，但是提出的该方法只能用于微槽以及微通道加工，不能实现对特殊零件的仿形加工。

发明内容

本发明提供了激光诱导等离子体进行仿形加工装置及方法，其克服了背景技术中所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：激光诱导等离子体进行仿形加工装置，包括激光器(2)、透镜组件、透明工件(6)、工作台(9)、可升降夹具(10)和异形靶材(8)；该透明工件(6)安装在可升降夹具(10)且通过可升降夹具(10)带动透明工件(6)上下平移，该异形靶材(8)固装在工作台(9)且异形靶材(8)具有基面和凸设于基面的模型，该透明工件(6)和异形靶材(8)基面上下平隔布置，该激光器(2)发出的激光束(3)经透镜组件、透明工件(6)辐射聚焦在异形靶材(8)并与异形靶材(8)发生相互作用产生等离子体，等离子体向透明工件(6)下表面转移且透明工件(6)上下平移以在透明工件(6)下表面刻蚀仿形。

一实施例之中：该透镜组件包括扫描振镜(4)和聚焦透镜(5)，该激光器(2)发出激光束(3)经扫描振镜(4)和聚焦透镜(5)再至透明工件(6)。

一实施例之中：该工作台(9)为可升降工作台，该可升降夹具(10)设直线电机且通过直线电机控制升降。

一实施例之中：还包括电脑控制系统(1)和相机(7)，该电脑控制系统(1)连接激光器(2)、相机(7)、工作台(9)和可升降夹具(10)，依据相机(7)拍摄的异形靶材(8)和透明工件(6)之间隙分布变化情况调整工作台(9)和可升降夹具(10)中至少之一位置，保证异形靶材(8)和透明工件(6)之间隙为定值。

一实施例之中：该异形靶材(8)材质由高原子序数的元素组成。

一实施例之中：该透明工件(6)和异形靶材(8)上下间隔的间距为0.05-0.5mm。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：激光诱导等离子体进行仿形加工方法，包括：

将透明工件(6)安装在可升降夹具(10)，将异形靶材(8)安装在工作台(9)；

激光器(2)发出的激光束(3)经透镜组件、透明工件(6)辐射聚焦在异形靶材(8)并与异形靶材(8)发生相互作用产生等离子体，等离子体向透明工件(6)下表面转移以刻蚀加工；

透明工件(6)上下平移且保证异形靶材(8)和透明工件(6)之间隙为定值以在透明工件(6)下表面仿形。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

激光诱导等离子体仿形加工，能实现高几何精度、快加工速度、高光洁度、好表面完整性、小暗损伤、低表面粗糙度、小热影响区的透明硬脆材料的低损伤微纳米高精密加工的需求，能改善刻蚀表面质量，在微纳制造领域应用前景巨大，可用来对这些异性零部件进行仿形加工。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为激光诱导等离子体进行仿形加工装置的结构示意图。

图2为激光诱导等离子体进行仿形加工装置应用实例1的原理图。

图3为激光诱导等离子体进行仿形加工装置应用实例2的原理图。

图4为激光诱导等离子体进行仿形加工装置应用实例3的原理图。

图5为激光诱导等离子体进行仿形加工装置应用实例3的微槽实际加工效果图。

具体实施方式

请查阅图1，激光诱导等离子体进行仿形加工装置，包括电脑控制系统1、激光器2、透镜组件、透明工件6、相机7、工作台9、可升降夹具10和异形靶材8，该透镜组件包括扫描振镜4和聚焦透镜5，该工作台9为可升降工作台；该透明工件6安装在可升降夹具10且通过可升降夹具10带动透明工件6上下平移，该异形靶材8固装在工作台9且异形靶材8具有基面和凸设于基面的模型，通过工作台9能带动异形靶材8上下平移，该透明工件6和异形靶材8基面上下平隔布置，该透明工件6和异形靶材8之模型上下间隔的间距为定值且如为0.05-0.5mm；该激光器2发出的激光束3经扫描振镜4、聚焦透镜5、透明工件6辐射聚焦在异形靶材8并与异形靶材8发生相互作用产生等离子体，等离子体向透明工件6下表面转移以在透明工件6下表面刻蚀加工，且透明工件6上下平移以在透明工件6下表面刻蚀仿形，仿出模型的形状。该电脑控制系统1连接激光器2、CDD的相机7、工作台9和可升降夹具10，依据相机7拍摄的异形靶材8和透明工件6之间隙分布变化情况调整工作台9和可升降夹具10中至少之一位置，保证异形靶材8的模型最高点和透明工件6下表面之间隙为上述的定值。通过扫描振镜4使激光束3转向90度再至聚焦透镜5进行聚焦，采用上述布局合理，结构紧凑。

该透明工件6如具有较好的全波段激光透过性或者在某一特定波段有较好的激光透过性，如金刚石、蓝宝石、玻璃等。如果被加工的透明材料在某一特定波段有较好的激光透过性，则选择所述特定波段范围激光之激光器，使激光能量可以近无损失达到靶材，从而高效产生等离子体；同时激光光斑大小与被加工零件特征几何尺寸相匹配，优选的，被加工零件特征几何尺寸在100微米时，激光光斑大小控制在10微米以下。

透过透明工件6打到靶材8上的激光可以有多种形式，优选的，包括点激光、线激光和面激光，其中点激光可以达到较高的加工精度，而线激光和面激光可以达到较高的加工效率。

该可升降夹具10设直线电机且通过直线电机控制升降(异形靶材8法向)，直线电机配有高精度光栅尺以保证法向运动的精度，优选的，法线方向运动的定位精度优于0.1微米，重复定位精度优于1微米。

该异形靶材8材质是惰性或活性，惰性则其不与被加工材料发生化学反应，产生的等离子体依靠冲击、热烧蚀等物理过程实现被加工材料去除，活性则其与被加工材料发生化学反应，产生的等离子体在冲击、热烧蚀去除的同时加入了化学去除，进一步提升了去除效率。优选的，异形靶材材质由高原子序数的元素组成，这样形成的等离子体有更大的动能，可以更好的通过冲击实现材料去除。该异形靶材8如选用超精密加工技术进行靶材的制备，优选的，用单点金刚石超精密切削进行有色异形靶材的加工；用单点超精密磨削进行黑色异形靶材的加工，优先的，选用可加工性好的材料作为靶材。异形靶材8形状为自由曲面，但是其表面法线方向指向靶材外部，以保证较好的等离子体发射能力。

该电脑控制系统1依据相机7拍摄的异形靶材8和透明工件6之间隙分布变化情况调整工作台9和可升降夹具10中至少之一位置，具体如电脑控制系统1通过在线高分辨率CCD相机和图像处理技术，保证靶材和被加工表面间隙分布变化情况，基于间隙变化情况控制上述直线电机运动，使靶材和透明工件6下表面的间隙基本为一定值，利用激光能量分布调整间隙，获得较好的几何形状精度，优选的，靶材和被加工表面之间的间隙为0.05-0.5mm。

激光诱导等离子体进行仿形加工方法，包括：

将透明工件6安装在可升降夹具10，将异形靶材8安装在工作台9；

激光器2发出的激光束3经透镜组件、透明工件6辐射聚焦在异形靶材8并与异形靶材8发生相互作用产生等离子体，等离子体向透明工件6背面转移以刻蚀加工；上述的相互作用具体为：激光束3辐射聚焦在异形靶材8上表面，异形靶材8吸收大量激光能量，使异形靶材8上表面一层很薄的区域面产生升温汽化，汽化后的粒子继续吸收激光能量，当激光能量大于异形靶材8材料击穿阈值，则异形靶材8被击穿而产生“雪崩式”电离从而形成高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量从而发生局部爆炸并在透明工件6下表面进行刻蚀或者沉积，等离子体由未电离的中性粒子、电子以及离子构成。

透明工件6上下平移且保证异形靶材8和透明工件6之间隙为定值以在透明工件6下表面仿形，透明工件6运动到指定位置时，加工结束，仿形完成。该指定位置与透明工件6几何形状相关，优选，与透明工件6深度相关。

本具体实施方式，激光诱导等离子体仿形加工技术作为一种低损伤的微纳加工技术，具有更高精度、更快加工速度、更好表面完整性、更小暗损伤、更低表面粗糙度、更小热影响区的优点，在微纳制造领域应用前景巨大，被证明是一种新型可靠的透明硬脆材料加工工艺，可用来对这些异性零部件进行仿形加工，实现工业上的高精密加工质量需求，解决透明硬脆材料异形工件的加工难题，而且工序简单、使用灵活、容易实现、可靠。

本具体实施方式的应用实例1：利用激光诱导等离子体仿形加工技术加工蓝宝石微透镜6A，异形靶材8A采用纯铜惰性异形靶材，激光器采用1064nm红外激光器。激光器产生激光束3聚焦在纯铜靶材上，产生铜等离子体反向轰击蓝宝石背面，从而产生烧蚀和汽化效果，实现对蓝宝石材料的去除。通过不断调整可升降夹具的Z向位置，使蓝宝石下降，使纯铜靶材和蓝宝石被加工表面的间隙基本为一定值(此处选用间距为0.18mm)，获得较好的几何形状精度。所述激光脉冲功率为12W，激光扫描速度为0.1mm/s，激光脉冲频率为1000KHz，激光脉宽为1nm。仿形加工过程原理图如图2所示。

本具体实施方式的应用实例2：利用激光诱导等离子体仿形加工技术加工金刚石微透镜6B，异形靶材8B采用纯铁活性异形靶材，激光器采用1064nm红外激光器。激光器产生激光束3聚焦在纯铁靶材上，产生铁等离子体反向轰击金刚石背面，从而产生烧蚀和汽化效果，同时，铁会与金刚石发生化学反应产生碳化铁，化学反应加上机械热去除，加快对金刚石材料的去除。通过不断调整可升降夹具的Z向位置，使纯铁靶材和金刚石被加工表面的间隙基本为一定值(此处选用间距为0.18mm)，获得较好的几何形状精度；根据需要，可通过光学设置或透镜组件移动以控制激光束3左右平移。所述激光脉冲功率为12W，激光扫描速度为0.1mm/s，激光脉冲频率为1000KHz，激光脉宽为1nm。仿形加工过程原理图如图3所示。

本具体实施方式的应用实例3：利用激光诱导等离子体仿形加工技术加工金刚石微槽6C，异形靶材采用纯铜惰性异形靶材8C，激光器采用1064nm红外激光器。激光器产生激光束聚焦在纯铜靶材上，产生铜等离子体反向轰击金刚石背面，从而产生烧蚀和汽化效果，实现对金刚石材料的去除。通过不断调整可升降夹具的Z向位置，使纯铜靶材和金刚石被加工表面的间隙基本为一定值(此处选用间距为0.18mm)，获得较好的几何形状精度；根据需要，可通过光学设置或透镜组件移动以控制激光束3左右平移。所述激光脉冲功率为12W，激光扫描速度为0.1mm/s，激光脉冲频率为1000KHz，激光脉宽为1nm。仿形加工过程原理图如图4所示，微槽实际加工结果如图5所示。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.激光诱导等离子体进行仿形加工装置，其特征在于：包括激光器(2)、透镜组件、透明工件(6)、工作台(9)、可升降夹具(10)和异形靶材(8)；该透明工件(6)安装在可升降夹具(10)且通过可升降夹具(10)带动透明工件(6)上下平移，该异形靶材(8)固装在工作台(9)且异形靶材(8)具有基面和凸设于基面的模型，该透明工件(6)和异形靶材(8)基面上下平隔布置，该激光器(2)发出的激光束(3)经透镜组件、透明工件(6)辐射聚焦在异形靶材(8)并与异形靶材(8)发生相互作用产生等离子体，等离子体向透明工件(6)下表面转移且透明工件(6)上下平移以在透明工件(6)下表面刻蚀仿形。

2.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体进行仿形加工装置，其特征在于：该透镜组件包括扫描振镜(4)和聚焦透镜(5)，该激光器(2)发出激光束(3)经扫描振镜(4)和聚焦透镜(5)再至透明工件(6)。

3.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体进行仿形加工装置，其特征在于：该工作台(9)为可升降工作台，该可升降夹具(10)设直线电机且通过直线电机控制升降。

4.根据权利要求3所述的激光诱导等离子体进行仿形加工装置，其特征在于：还包括电脑控制系统(1)和相机(7)，该电脑控制系统(1)连接激光器(2)、相机(7)、工作台(9)和可升降夹具(10)，依据相机(7)拍摄的异形靶材(8)和透明工件(6)之间隙分布变化情况调整工作台(9)和可升降夹具(10)中至少之一位置，保证异形靶材(8)和透明工件(6)之间隙为定值。

5.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体进行仿形加工装置，其特征在于：该异形靶材(8)材质由高原子序数的元素组成。

6.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体进行仿形加工装置，其特征在于：该透明工件(6)和异形靶材(8)上下间隔的间距为0.05-0.5mm。

7.激光诱导等离子体进行仿形加工方法，其特征在于：包括：

将透明工件(6)安装在可升降夹具(10)，将异形靶材(8)安装在工作台(9)；

激光器(2)发出的激光束(3)经透镜组件、透明工件(6)辐射聚焦在异形靶材(8)并与异形靶材(8)发生相互作用产生等离子体，等离子体向透明工件(6)下表面转移以刻蚀加工；

透明工件(6)上下平移且保证异形靶材(8)和透明工件(6)之间隙为定值以在透明工件(6)下表面仿形。

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