CN114654081B - 一种弱自由度深腔内表面图形的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种弱自由度深腔内表面图形的激光加工方法，包括建立待加工深腔以及深腔内表面表层材料的三维模型，设计目标图形，根据深腔待加工面的尺寸设计目标图形的排布，导出三维点坐标，生成加工轨迹，对待加工深腔进行定位后，对表层材料进行光斑实验，找到最佳刻蚀参数，再进行目标图形试加工，修正目标图形尺寸，最后控制X、Y方向的自由度沿每个目标的轨迹进行内表面表层材料加工，同时Z方向自由度根据加工轨迹坐标高度的变化自动变焦，完成对深腔内表面表层材料的整体加工，得到带有目标图形的深腔内表面。本发明不仅适用于深腔内表面，在激光束发射路线不被干涉的情况下，可以适用于任何形状的工件。

Description

一种弱自由度深腔内表面图形的激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，属于微细加工、激光加工技术领域。
背景技术
近年来，随着制造业以及机械、材料、物理等学科的交融发展，常常需要在复杂的曲面以及深腔等零部件的表面进行二次精密加工，这些零件的表面通常是一层薄膜或者特定的功能材料。例如，在大型不可展曲面零件的外表面或深腔零部件的内表面加工三维微结构图案，以实现电磁特性、防滑耐磨以及抗干扰等特殊的表面性能，来满足特性的功能。
目前，激光刻蚀已经广泛应用于平板以及大型不可展曲面零件的表层材料图形的加工制作，激光因其高亮度、高方向以及高相干性等优点，可通过高密度的激光束对零件三维表层材料进行刻蚀，得到需要的目标图形，目标图形可以一个或者多个按一定排列要求阵列的三维微结构图形。激光刻蚀技术是通过高能量的激光束对零部件的金属层表面进行刻蚀，使其熔融气化，根据设置的激光加工路径进行扫描完成幅面的目标图形加工。对于大型不可展曲面等工件的三维微结构加工通常会采取复杂的五轴加工系统或者多轴机械手等多自由度的设备控制激光对工件的表面进行加工。虽然目前的金属已很大程度的应用于不可展曲面等各种零件的加工上，但设备复杂昂贵，加工方法落后，效率很低，且现有技术仍没有能够进行深腔内表面目标图形的激光加工方法，深腔是指薄壁、径向尺寸大且口径较小的中空腔体，其深度和口径最长边之比大于3，且内表面为倾斜0-70°的平面或曲面，随着不断的发展，深腔内表面的微细结构图形加工逐渐成为趋势，但目前多自由度设备激光加工的方法难以伸入深腔内加工三维微结构，在深腔内表面加工目标图形成为当前亟待解决的难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和需求，本发明提供了一种弱自由度深腔内表面图形的激光加工方法，仅需三自由度的三轴导轨配合激光器即可完成在深腔内表面的复杂表面图形的加工，且具有精度高、效率高、成本低的优点。根据深腔定位情况，通过X、Y方向两个自由度的移动，再配合Z方向的自由度自动调整焦距，即可完成深腔内表面图案的加工。
本发明的技术方案：
一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，步骤如下：
S01通过建模软件建立待加工深腔以及深腔内表面表层材料的三维模型。
S02设计目标图形的形状及特征尺寸，根据深腔待加工面的尺寸设计目标图形的排布，导出目标图形三维点坐标，生成加工轨迹。
S03将待加工深腔样件进行定位，保证待加工面与水平面夹角最小，激光器移至待加工面的正上方。
S04对深腔内表面表层材料进行光斑实验，一个直径为d的圆形光斑在倾斜角为α的内表面上变成短轴为d、长轴为d/cosα的椭圆形光斑，通过调整激光的功率、频率、扫描速度以及加工次数等参数将光斑在深腔内表面表层材料的畸变修复，使光斑长轴尺寸近似等于d，将深腔内表面上光斑畸变的影响降到最低，此时的激光参数为最佳刻蚀参数，将最佳刻蚀参数储存至参数库。
S05进行单个目标图形试加工，对加工出来的目标图形的特征尺寸进行测量并记录，分析在深腔内表面上光斑对目标图形特征尺寸的影响程度。
S06判断步骤S05加工出来的目标图形的特征尺寸是否有畸变，若有，对所设计目标图形有畸变的特征尺寸进行相应的增大或减小以抵消畸变，再进行试加工，直至加工出的目标图形无畸变；若无，则进行步骤S07。
S07根据加工轨迹生成整个深腔内表面的加工程序，控制X、Y方向的自由度沿每个目标图形的轨迹移动进行内表面表层材料的加工，同时Z方向自由度根据加工轨迹坐标高度的变化自动变焦，完成对深腔内表面表层材料的整体加工，得到带有目标图形的深腔内表面。
进一步的，所述的深腔内表面表层材料为金属材质涂层，厚度小于50um。
进一步的，所述的激光器焦距大于深腔的高度，由三轴导轨控制移动，激光器安装在三轴导轨的Z轴上，能够实现X、Y、Z坐标的空间移动定位。
进一步的，所述的激光加工参数选取功率25W～35W，频率40KHz～50KHz，扫描速度50～150mm/s，加工次数1-3次。
本发明的有益效果为，
(1)通过激光进行加工，没有接触力，不会对工件造成损伤，定位方便，仅需X、Y两方向自由度即可完成激光扫描范围内深腔内表面的图形加工，配合Z方向自由度自动变焦即可完成整个深腔内表面的图形加工。
(2)根据表层材料实验找出最佳激光加工参数，形成参数库，下次加工可直接使用该参数。
(3)加工效率高，设计加工轨迹、图案排布，可直接一次性加工完成。
(4)可根据需求对目标图形在内表面的排布进行调整，形成的目标图形精度高，图形畸变小。
(5)不仅适用于深腔内表面，在激光束发射路线不被干涉的情况下，可以适用于任何形状的工件。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的工艺流程图。
图2为根据本发明的一个实施例深腔及其内表面表层材料的示意图。
图3为根据本发明的一个实施例所设计的目标图形。
图4为根据本发明的一个实施例的光斑分析示意图。
图5为根据本发明的一个实施例的加工原理图。
图6为根据本发明的一个实施例的矩形面图形排布示意图。
图7为根据本发明的一个实施例的三角形图形排布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明具体实施方式的步骤为，
S01通过建模软件建立待加工深腔以及深腔内表面表层材料的三维模型。
如图2所示，对深腔以及内表面表层材料的尺寸进行测量分析，使用三维建模软件建立待加工深腔的三维模型。
S02设计目标图形的形状及特征尺寸，根据深腔待加工面的尺寸设计目标图形的排布，导出目标图形三维点坐标，生成加工轨迹。
如图3所示，根据工件所要达成的功能设计目标图形，本实施例选用十字单元作为目标图形，即加工时将十字单元外形尺寸以内的材料通过激光刻蚀掉，其特征尺寸为Dx、Dy，根据S01已经测得的待加工深腔内表面表层对十字单元的进行单元排布，包括十字单元之间的间隔、个数以及位置分布，将排布好的图形三维坐标导出，生成加工轨迹。
S03将待加工深腔样件进行定位，保证待加工面与水平面夹角最小，激光器移至待加工面的正上方。
对深腔样件进行定位时，保证待加工面与激光束的夹角最大，且与S02建立的模型坐标轴方向保持一致，减小光斑在深腔内表面上的畸变对目标图形加工效果的影响，在准备加工时，激光头移动至待加工区域的正上方，调整好焦距。
S04对深腔内表面表层材料进行光斑实验，找到该材料的最佳刻蚀参数，将深腔内表面上光斑畸变的影响降到最低，将最佳刻蚀参数储存至参数库。
如图4所示，一个直径为d的圆形光斑在投影到深腔内表面上时，内表面倾斜角度为α，则圆形光斑会变成一个椭圆形光斑，其短轴长度为d，长轴长度l＝d/cosα，因此在加工目标图形时，密集变形的光斑会使得长轴方向上的目标图形尺寸变大，激光器的焦距是固定的，越靠近下方的部分激光的离焦量越大，激光能量会变弱，长轴方向上的尺寸的变化会根据深腔内表面表层材料的对激光吸收率的不同而不同，所以长轴方向上的尺寸并不是l，因此通过调整激光的功率、频率、扫描速度以及加工次数将光斑在深腔内表面表层材料的畸变修复，找到最佳参数，使光斑长轴尺寸近似等于d，将该参数存入针对该表层材料的参数库。
S05进行单个目标图形试加工，对加工出来的目标图形的特征尺寸进行测量并记录，分析在深腔内表面上光斑对目标图形尺寸的影响程度。
如图5，激光束竖直向下发出，首先试加工一个十字单元，调整加工初始位置以及激光焦距，控制X、Y方向的自由度按照十字单元相对于激光器所在平面的正投影坐标移动，同时Z方向的自由度根据十字单元Z方向坐标轨迹的高度变化实时移动调整焦距，加工完成后对十字单元的特征尺寸Dx和Dy进行测量并记录。
S06判断第S05加工出来的目标图形的特征尺寸是否有畸变，若有，对所设计目标图形有畸变的特征尺寸进行相应的增大或减小以抵消畸变，再进行试加工，直至加工出的目标图形无畸变。若无，则进行步骤S07。
S07根据加工轨迹生成整个深腔内表面的加工程序，控制X、Y方向的自由度沿每个目标图形的轨迹移动进行内表面表层材料的加工，同时Z方向自由度根据加工轨迹坐标高度的变化自动变焦，完成对深腔内表面表层材料的整体加工，得到带有目标图形的深腔内表面。
本实施例所述的深腔内表面表层材料为金属材质涂层，厚度小于50um，所述的目标图形的特征尺寸为长Dx mm，宽Dy mm的十字单元，所述的激光器焦距大于深腔的高度，由三轴导轨控制移动，激光器安装在三轴导轨的Z轴上，能够实现X、Y、Z坐标的空间移动定位，所述的激光加工参数选取功率25W～35W，频率40KHz～50KHz，扫描速度50～150mm/s，加工次数1-3次。加工原理如图5所示，本实施例深腔分为四个面，包括两个矩形面、两个三角形面，根据深腔待加工面的大小以及设计要求，矩形面和三角形面十字单元的排布如图6和图7所示，单元之间的间隔为m。对于深腔矩形面，建立的模型中十字单元排布在整个待加工面上，首先控制导轨带动激光器在X、Y方向两个自由度的移动，将激光器移动到深腔待加工位置的正上方，调整好焦距，通过设定S04所得出的激光加工参数进行加工，在十字单元跳转到另一个单元时，激光设置开、关光延时时间，避免过多刻蚀，本实施例优选的加工轨迹为一行一行单元进行加工，刻蚀完一整行移动至下一行首个十字单元开始下一行的加工，成“弓”字形路线直至加工完矩形内表面。加工完一个矩形内表面后重新定位，将另一个矩形面进行定位，保证待加工面与激光束的夹角最大，同样重复上述加工步骤进行加工，加工完毕后再对三角形面进行定位加工，直至四个面的加工都完成，就完成了对深腔内表面表层材料的整体加工，得到带有目标图形的深腔内表面。

Claims (5)

1.一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，其特征在于，步骤如下：
S01通过建模软件建立待加工深腔以及深腔内表面表层材料的三维模型；
S02设计目标图形的形状及特征尺寸，根据深腔待加工面的尺寸设计目标图形的排布，导出目标图形三维点坐标，生成加工轨迹；
S03将待加工深腔样件进行定位，保证待加工面与水平面夹角最小，激光器移至待加工面的正上方；
S04对深腔内表面表层材料进行光斑实验，一个直径为d的圆形光斑在倾斜角为α的内表面上变成短轴为d、长轴为d/cosα的椭圆形光斑，通过调整激光加工参数将光斑在深腔内表面表层材料的畸变修复，使光斑长轴尺寸近似等于d，此时的激光参数为最佳刻蚀参数，将最佳刻蚀参数储存至参数库；
S05进行单个目标图形试加工，对加工出来的目标图形的特征尺寸进行测量并记录，分析在深腔内表面上光斑对目标图形特征尺寸的影响程度；
S06判断步骤S05加工出来的目标图形的特征尺寸是否有畸变，若有，对所设计目标图形有畸变的特征尺寸进行相应的增大或减小以抵消畸变，再进行试加工，直至加工出的目标图形无畸变；若无，则进行步骤S07；
S07根据加工轨迹生成整个深腔内表面的加工程序，控制X、Y方向的自由度沿每个目标图形的轨迹移动进行内表面表层材料的加工，同时Z方向自由度根据加工轨迹坐标高度的变化自动变焦，完成对深腔内表面表层材料的整体加工，得到带有目标图形的深腔内表面。
2.根据权利要求1所述的一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，其特征在于，所述的深腔内表面表层材料为金属材质涂层，厚度小于50um。
3.根据权利要求1或2所述的一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，其特征在于，所述的激光器焦距大于深腔的高度，由三轴导轨控制移动，激光器安装在三轴导轨的Z轴上，能够实现X、Y、Z坐标的空间移动定位。
4.根据权利要求1或2所述的一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，其特征在于，所述的激光加工参数选取功率25W～35W，频率40KHz～50KHz，扫描速度50～150mm/s，加工次数1-3次。
5.根据权利要求3所述的一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，其特征在于，所述的激光加工参数选取功率25W～35W，频率40KHz～50KHz，扫描速度50～150mm/s，加工次数1-3次。
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