CN116727899B - 一种用于激光深小孔加工的装置及激光旋切加工排尘方法 - Google Patents

Abstract

一种用于激光深小孔加工的装置及激光旋切钻孔加工排尘方法，激光头包括可旋转的激光射出头、具有叶片的风轮，且利用激光射出头的过渡通道与激光头上的吸气通道配合吸气，以使得风轮位置处的吸风口产生负压，并且会在此处聚集气流而作用于风轮的叶片上，促使外界气流作用于叶片上而驱动激光射出头旋转，以在叶片下方形成吸气高速涡流，进而利用涡流破坏激光束进行加工所生成的激光等离子屏障，激光束从激光射出头的出射通孔射出，并可沿螺旋向下轨迹运动而持续作用于工件上，以能够在工件上形成零锥度的深微孔或正负锥度的异形微孔或槽。以使得激光加工微较为容易快捷，加工效率提升了30‑50%，从而超快完成微孔和槽加工。

Description

一种用于激光深小孔加工的装置及激光旋切加工排尘方法

技术领域

本发明涉及一种激光微孔和微槽、及深小孔和深微槽加工的技术领域，尤其是一种用于激光深小孔加工的装置及激光旋切加工排尘方法。

背景技术

人们对生活品质要求的不断提高，微孔和微槽技术在半导体材料、金属材料、硬脆材料以及生物材料等领域得到广泛应用。半导体领域，微孔和微槽加工应用于制造微型电路板及光电子器件等；金属领域，微孔和微槽加工应用于制造精密仪器、微型部件；硬脆材料，在金刚石和陶瓷材料上钻孔和切割；生物领域，微孔和微槽加工应用于牙齿、人工骨头和假肢等。传统工艺中，一般采用钻头铣刀钻孔和铣削方式加工孔或槽，用电火花方式在金属上加工成型微孔或异型孔，但是该类方式所加工成型的效率低，对于锥形孔或异形孔的加工其精度、质量形状很难达到需要的要求，后续处理工艺复杂，而且在加工小于50微米的微孔时，其微孔形状和尺寸很难满足人们对孔的精度及复杂异型孔要求，因此人们研发了激光钻孔和切割，激光钻孔和铣槽，尤其在加工高质量微孔和微槽时加工效率低、质量低，其中阻碍效率和质量提升主要因素是由于脉冲激光作用于材料上随着微孔和微槽深度增加，在狭小空间内形成等离子屏障，以及粉尘聚集在孔或槽内得不到及时扩散，致使脉冲激光对微孔加工无法高效加工，从而增加了微孔或槽加工的难度，导致所成型孔或槽无法达到需要的技术精度要求，而且还需后续多道工序处理，使得微孔加工效率低下，精度得不到保障。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种用于激光深小孔加工的装置及激光旋切钻孔排尘方法。

本发明所设计的一种用于激光深小孔加工的装置，包括外壳，外壳内形成激光通道，激光通道包括激光射出通道，激光射出通道内设置有用于激光出射的聚焦透镜，激光射出通道内旋转式安装有激光射出头；激光射出头包括驱动部、出射通孔、以及套体和形成于套体内且呈螺旋式均匀分布的多个叶片，出射通孔形成于驱动部的中心位置处，套体和多个叶片形成于驱动部底面并围绕出射通孔设置，聚焦透镜安装于出射通孔处；驱动部外壁与激光射出通道的内壁之间形成风道，激光射出头的驱动部内形成有多个呈环形阵列分布的过渡通道、以及分别位于各叶片之间的多个吸风口，过渡通道分别与多个吸风口连通设置，激光射出通道上与驱动部位置对应的侧壁部形成有吸气通道，各过渡通道分别通过风道与吸气通道连通；当深小孔加工时，激光束经聚焦透镜射出，且吸气通道吸气而使外界气流经吸风口吸入，以使得外界气流作用于叶片上而驱动激光射出头旋转，以在叶片下方形成吸气高速涡流，进而利用涡流破坏激光束进行加工所生成的激光等离子屏障。

根据以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，激光射出通道下端向下延伸形成有环体，环体环绕于套体的外围，环体的下端面向内凹设形成有与外界连通的环形通道、以及与环形通道连通的进风口，环形通道呈锥形设置，且上端直径大于下端直径，当进风口进入惰性气体后通过锥形设置的环形通道而在外壳的下端下方形成风幕，以对激光高温材料去除后的孔内壁表面形成风防护层。

根据以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，各吸风口均朝激光射出通道内部方向延伸而形成与过渡通道连通的吸风通道，以使各吸风口分别通过吸风通道与过渡通道连通。

根据以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，各过渡通道均呈倾斜设置，以使多个过渡通道呈螺旋式均匀分布。

根据以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，各吸风通道均呈倾斜设置，以使多个吸风通道呈螺旋式均匀分布。

根据以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，激光射出通道安装有轴承套，激光射出头还包括连接头，出射通孔上端延伸至连接头的顶面，且聚焦透镜安装于出射通孔的上端口处，连接头至少部分安装于轴承套内。

根据以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，激光射出通道安装有衬套，驱动部位于衬套内，驱动部的外壁与衬套的内壁之间形成风道。

根据以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，还包括两根管体，衬套上相对两侧分别形成有通孔一，激光射出通道的侧壁部相对两侧分别形成有通孔二，各通孔一分别与两个通孔二对应设置而形成两处安装通道，各安装两根管体的一端部分别安装于两个安装通道内，两根管体内分别形成吸气通道。

另一方面，一种激光旋切钻孔加工排尘方法方法，包括采用以上所述的一种用于激光深小孔加工的装置，该装置的激光通道内设置有使激光束运动的激光束运动组件，激光束运动组件对应位于该装置的聚焦透镜的上方，激光束运动组件使该装置所射出的激光作螺旋运动、并持续沿加工中心轴线向下位移而作用于工件上，以能够在工件上形成零锥度的深微孔或正负锥度的异形微孔或微槽或深微槽，且所射出的激光束与所形成的孔轴线成之间形成夹角。

本发明所设计的一种用于激光深小孔加工的装置及激光旋切钻孔加工排尘方法，有益效果如下：

1、利用吸气原理使得在通过激光射出头处聚集气流，以作用于叶片上而促使激光射出头旋转，进而在激光射出头下方形成负压，通过负压形成快速运动的涡流气体，以将聚集在孔内的粉尘也带走、并减弱等离子体的影响，让激光顺利到达材料表面而高效去除材料，以使得激光加工微孔较为容易快捷，加工效率提升了30-50%，从而超快完成微孔加工，而且可加工小至10微米的槽或孔，深径比大于10，同时应用于超快脉冲激光加工深小孔和槽时，可实现深小孔和槽的高精度、高质量加工。

2、利用旋切钻孔和切槽，可加工不同锥度的微孔和微槽，如零锥度的深微孔和槽或正负锥度的异形微孔，使得激光头钻微孔和切槽使用范围更广。

3、利用在激光射出头下方形成快速运动涡流气体件粉尘带走后降低热量聚集，而避免产生高热而对材料表面伤害，降低热损伤，提高质量同时提高效率。

3、通过环形通道进行使得装置下方形成风幕，以对激光高温材料去除后的孔内壁表面形成风防护层，防止激光产生的高温进行材料去除的过程中孔内壁表面氧化的情况发生，从而获得表面质量更佳的孔和槽内壁。

附图说明

图1是本实施例装置的整体结构示意图（一）；

图2是本实施例装置的全剖视图；

图3是本实施例装置的底部结构示意图；

图4是本实施例装置的局部剖视图（一）；

图5是本实施例装置的局部剖视图（二）；

图6是本实施例装置的激光射出头结构示意图；

图7是本实施例装置的结构示意图（二）；

图8是本实施例装置形成涡流气体的示意图；

图9是本实施例的激光螺旋运动钻孔的示意图；

图10是本实施例具有激光束运动组件的激光加工装置结构示意图。

图中：外壳1、激光通道11、激光射出通道111、通孔二12、环体13、环形通道131、进风口14、连接管15、轴承套2、激光射出头3、连接头31、驱动部32、过渡通道321、吸风口322、吸风通道323、套体33、叶片34、出射通孔35、衬套4、通孔一41、管体5、吸气通道51、风道6、聚焦透镜7；

激光发生器100、反射镜200、激光束运动组件300、第一楔棱镜301、第二楔棱镜302、激光束400。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-图10所示，本实施例所描述的一种用于激光深小孔加工的装置，其安装于激光设备上，然后激光设备发射激光束经激光头射出，以对金属板材料进行加工，然而用于激光深小孔加工的装置具体结构如下。

用于激光深小孔加工的装置包括外壳1、激光射出头3和用于激光出射的聚焦透镜7，外壳1为金属材质制成，外壳1内形成激光通道11，激光通道11下端为激光射出通道111，在激光射出通道111紧配安装有轴承套2和衬套4，激光射出头3的上端部为连接头31，激光射出头3的中心位置形成有使其上端顶面和下端底面贯通的出射通孔35，聚焦透镜7安装于出射通孔35的上端口处，即聚焦透镜7位于激光射出头3的顶端处，连接头31至少部分安装于轴承套2内，从而实现激光射出头3可发生旋转，然而激光射出头3的驱动部32位于衬套4内，驱动部32的外壁与衬套4的内壁之间形成风道6。

其中，激光射出头3的驱动部32底面形成有套体33和多个叶片34，多个叶片34均位于套体33内，套体33和多个叶片34均形成于驱动部32底面并围绕出射通孔35设置，多个叶片34呈螺旋状均匀分布，以使得激光射出头3高速旋转后更容易形成涡流气体；激光射出头3的驱动部32内形成有多个呈环形阵列分布的过渡通道321、以及分别位于各叶片34之间的多个吸风口322，吸风口322位于驱动部32的底面，各吸风口322均朝激光射出通道111内部方向延伸而形成与过渡通道321连通的吸风通道323，以使各吸风口322分别通过吸风通道323与过渡通道321连通，激光射出通道111上与激光射出头3的驱动部32位置对应的侧壁部形成有吸气通道51，各过渡通道321分别通过风道6与吸气通道51连通，叶片34与套体33和激光射出头3相互结合为一体结构，并且叶片34与套体33结合形成风轮，叶片34呈弧形状。

进一步地，各过渡通道321均呈倾斜设置，以使多个过渡通道321呈螺旋式均匀分布；各吸风通道323均呈倾斜设置，以使多个吸风通道323呈螺旋式均匀分布。上述设置使得吸气通道51进行吸气时，可达到螺旋式吸气，使得激光射出头3下方形成螺旋气流，以形成涡流气体。

激光射出通道111下端向下延伸形成有环体13，环体13环绕于套体33的外围，环体13的下端面向内凹设形成有与外界连通的环形通道131、以及与环形通道连通的进风口14，环形通道131呈锥形设置，且上端直径大于下端直径，当进风口14进入惰性气体后通过锥形设置的环形通道131而在外壳1的下端下方形成风幕，以对激光高温材料去除后的孔内壁表面形成风防护层，以减少在高温的进行材料去除过程中发生孔内壁表面氧化，其中进风口14可以是两个也可以是一个，或者是更多，该方式根据工作环境设置，并且在进风口14上还可安装连接管15，连接管15进行连接惰性气体输入装置。

当深小孔加工时，激光束经聚焦透镜7和出射通孔35后射出外界，且吸气通道51吸气而使外界气流经吸风口322吸入过程中，外界气流可作用于叶片34上而驱动激光射出头3旋转，促使风轮旋转而使得风轮也对其下方气流进行向上吸气、并在风轮下方产生高速涡流气体，即吸气高速涡流，类似于龙卷风形态，进而利用涡流破坏激光束进行加工所生成的激光等离子屏障，同时将已成型的深小孔内粉尘进行带离。

在本实施例中，还包括两根管体5，衬套4上相对两侧分别形成有通孔一41，激光射出通道111的侧壁部相对两侧分别形成有通孔二12，各通孔一41分别与两个通孔二12对应设置而形成两处安装通道，各安装两根管体5的一端部分别安装于两个安装通道内，其结构设置为了便于吸气设备通过管道与管体5进行连接，该管体5以及安装通道数量不仅限于此，其还可根据实际情况设置更多或更少，两根管体5内分别形成吸气通道51，衬套4也为金属材质制成。

实施例二：

本实施例所描述的是一种激光旋切钻孔加工排尘方法，包括采用实施例一所述的一种用于激光深小孔加工的装置，该装置的激光通道内设置有使激光束运动的激光束运动组件300，激光束运动组件300与旋转马达的旋转驱动部相连，激光束运动组件300包括两个呈上下分布的第一楔棱镜301和两个呈上下分布的第二楔棱镜302，两个第一楔棱镜301和两个第二楔棱镜302同轴设置，两个第一楔棱镜301均与直线运动装置相连，直线运动装置一般采用直线电机，两个第二楔棱镜302旋转运动装置，旋转运动装置采用减速电机等装置， 激光束运动组件300对应位于该装置的聚焦透镜的上方，且激光发生器100发出激光束400经反射镜200、激光束运动组件300和聚焦透镜7后射出，两个第一楔棱镜301之间的距离、及两个第二楔棱镜302之间的相对角度可以实时调整，实现两个第一楔棱镜301上下运动以控制所射出的激光束400传播方向，使得孔可形成锥度或零锥度，同时激光束运动组件300整体旋转可使得激光束作螺旋运动，这样即可打出孔径、锥度可变的孔型，从而在孔或槽加工时，激光束运动组件300使该装置所射出的激光作螺旋运动、并持续沿加工中心轴线向下位移而作用于工件上，以能够在工件上形成零锥度的深微孔或正负锥度的异形微孔或微槽或深微槽，且所射出的激光束与所形成的孔轴线成之间形成夹角；其中螺旋轨迹可以是由内向外运动，或者也可以是由外向内运动，随着孔深度增加该装置可受Z轴伺服滑台下移，使得聚焦透镜7始终接近孔附近。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于激光深小孔加工的装置，包括外壳（1），外壳（1）内形成激光通道（11），激光通道（11）包括激光射出通道（111），激光射出通道（111）内设置有用于激光出射的聚焦透镜（7），其特征在于，激光射出通道（111）内旋转式安装有激光射出头（3）；

激光射出头（3）包括驱动部（32）、出射通孔（35）、以及套体（33）和形成于套体（33）内且呈螺旋式均匀分布的多个叶片（34），出射通孔（35）形成于驱动部（32）的中心位置处，套体（33）和多个叶片（34）形成于驱动部（32）底面并围绕出射通孔（35）设置，聚焦透镜（7）安装于出射通孔（35）处；

驱动部（32）外壁与激光射出通道（111）的内壁之间形成风道（6），激光射出头（3）的驱动部（32）内形成有多个呈环形阵列分布的过渡通道（321）、以及分别位于各叶片（34）之间的多个吸风口（322），过渡通道（321）分别与多个吸风口（322）连通设置，激光射出通道（111）上与驱动部（32）位置对应的侧壁部形成有吸气通道（51），各过渡通道（321）分别通过风道（6）与吸气通道（51）连通；

各吸风口（322）均朝激光射出通道（111）内部方向延伸而形成与过渡通道（321）连通的吸风通道（323），以使各吸风口（322）分别通过吸风通道（323）与过渡通道（321）连通；

各过渡通道（321）均呈倾斜设置，以使多个过渡通道（321）呈螺旋式均匀分布；各吸风通道（323）均呈倾斜设置，以使多个吸风通道（323）呈螺旋式均匀分布；

当深小孔加工时，激光束经聚焦透镜（7）射出，且吸气通道（51）吸气而使外界气流经吸风口（322）吸入，以使得外界气流作用于叶片（34）上而驱动激光射出头（3）旋转，以在叶片（34）下方形成吸气高速涡流，进而利用涡流破坏激光束进行加工所生成的激光等离子屏障。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光深小孔加工的装置，其特征在于，激光射出通道（111）下端向下延伸形成有环体（13），环体环绕于套体（33）的外围，环体（13）的下端面向内凹设形成有与外界连通的环形通道（131）、以及与环形通道（131）连通的进风口（14），环形通道（131）呈锥形设置，且上端直径大于下端直径，当进风口（14）进入惰性气体后通过锥形设置的环形通道（131）而在外壳（1）的下端下方形成风幕，以对激光高温材料去除后的孔内壁表面形成风防护层。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于激光深小孔加工的装置，其特征在于，激光射出通道（111）安装有轴承套（2），激光射出头（3）还包括连接头（31），出射通孔（35）上端延伸至连接头（31）的顶面，且聚焦透镜（7）安装于出射通孔（35）的上端口处，连接头（31）至少部分安装于轴承套（2）内。

4.根据权利要求3所述的一种用于激光深小孔加工的装置，其特征在于，激光射出通道（111）安装有衬套（4），驱动部（32）位于衬套（4）内，驱动部（32）的外壁与衬套（4）的内壁之间形成风道（6）。

5.根据权利要求4所述的一种用于激光深小孔加工的装置，其特征在于，还包括两根管体（5），衬套（4）上相对两侧分别形成有通孔一（41），激光射出通道（111）的侧壁部相对两侧分别形成有通孔二（12），各通孔一（41）分别与两个通孔二（12）对应设置而形成两处安装通道，各安装两根管体（5）的一端部分别安装于两个安装通道内，两根管体（5）内分别形成吸气通道（51）。

6.一种激光旋切钻孔加工排尘方法，其特征在于，包括采用权利要求1-5任一项所述的一种用于激光深小孔加工的装置，该装置的激光通道（11）内设置有使激光束（400）运动的激光束运动组件（300），激光束运动组件（300）对应位于该装置的聚焦透镜（7）的上方，激光束运动组件（300）使该装置所射出的激光作螺旋运动、并持续沿加工中心轴线向下位移而作用于工件上，以能够在工件上形成零锥度的深微孔或正负锥度的异形微孔或微槽或深微槽，且所射出的激光束（400）与所形成的孔轴线成之间形成夹角。