CN207788233U - 激光水射流加工装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种激光水射流加工装置，包括激光发射装置及与其连接的激光头，所述的激光头包括依次同轴连接的喷头、转动盘、分离基座及连接座，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连通制有激光通孔，该激光通孔与连接座的激光透过孔连通，在喷头内制有第一水流道，在第一水流道上安装水喷头，在转动盘内制有第二水流道，转动盘与分离基座之间的间隙形成第三水流道，在分离基座内制有第四水流道，在分离基座的外壁制有进水口，在连接座内制有多个辅助气体进孔。本实用新型能够实现更高效的切割，水射流可以在切割过程使材料快速冷却，而且水射流不需要高精度装置，大大减少装置的成本，有利于实现产业化。
Description
技术领域
本实用新型属于硬脆材料加工领域，涉及PCBN的激光加工，尤其是一种PCBN的激光水射流加工装置。
背景技术
聚晶立方氮化硼(PCBN)是许多细小立方氮化硼(CBN)单晶在高温高压下通过粘结剂复合而成的一种新型材料，是继人造金刚石之后的又一种新型超硬合成材料。具有较高的硬度和耐磨性、热稳定性和化学惰性及较低的摩擦系数和较好的导热性等优良特点。因此在刀具行业中得到广泛应用，它的出现为黑色金属及硬、韧难加工材料的切削加工开拓了广阔的前景。尽管金刚石是最硬的材料，但是金刚石刀具也有局限性，因为它的化学性质不够稳定，容易与亚铁反应生成碳化铁，由于金刚石热不稳定性，在高温下硬度会起不到应有的作用。PCBN的切割方法一般有金刚石砂轮切除式切断、电火花线切割、高压水射流切割、超声波加工和激光切割等。
采用金刚石砂轮切割方法简单，但加工质量差，产品合格率低。采用电火花线切割由于CBN颗粒的导电性差，造成电火花线切割加工较难，极易断丝，使得电火花切割PCBN很难高效率实现。然后一些科学家通过在PCBN烧结过程中加入导电性好添加剂和增大压力的方法，提高了PCBN电火花线切割的可加工性，但其仅能实现小批量制作和生产，制约了该技术的广泛应用。水切割使用成本高，需要大量水沙；喷砂磨料中含有致病的游离硅，对生产环境污染大，维护成本高；切割碳钢板容易生锈，影响产品美观。超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工，需要与其他多种加工方法结合应用。激光切割利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝，完成对材料的切割。优点有①材料利用率高:切缝宽度最小可至0.1mm,一般在0.1～0.3mm范围内；②热影响区小:一般在0.1～0.15mm范围内,工件变形小；③切割断面质量好；④切割速度快、效率高；⑤无刀具磨损和补偿问题，但是激光切割PCBN还有一些缺陷，比如形成重铸层，切口需要进行二次衍磨，而且材料的去除率较低，融化的材料不能及时冷却而再次粘附PCBN材料上，加工时间长、能量消耗大、效率低下等问题。
当前激光切割比较普遍的方法是脉冲激光切割，但是容易形成重铸层，切口需要进行二次衍磨，陶瓷的硬度和脆性导致材料去除率低且速度慢，能量消耗大，融化的材料不能及时冷却而再次粘附到PCBN材料上。由于脉冲激光的这些缺点，所以本专利对其进行了一些改善，改变激光切割的结构和机理，使其能够实现更好的切割PCBN。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种快速、廉价和低能耗切割PCBN的装置。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：
一种激光水射流加工装置，包括激光发射装置及与其连接的激光头，所述的激光头包括依次同轴连接的喷头、转动盘、分离基座及连接座，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连通制有激光通孔，该激光通孔与连接座的激光透过孔连通，在喷头内制有第一水流道，在第一水流道上安装水喷头，在转动盘内制有与第一水流道连通的第二水流道，转动盘与分离基座之间的间隙形成第三水流道，在第三水流道的两侧安装有两道O形水密封圈，转动盘通过轴承与分离基座连接，在分离基座内制有第四水流道，第四水流道与第三水流道连通，在分离基座的外壁制有与第四水流道连通的进水口，在连接座内制有多个辅助气体进孔，该辅助气体进孔与连接座中心的激光透过孔连通，在喷头的端面制有激光及辅助气体出口和水出口。
而且，在激光头外连接水进口的水管上安装水压计。
而且，在激光头外连接辅助气体进口的气管上安装辅助气体压力计。
而且，所述的激光发射装置为二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器。
本专利是通过激光水射流切割PCBN,其切割原理是先激光加热和随后的水射流淬火协同作业来切割PCBN，激光束照射到样品表面，使PCBN的键合从sp2到sp3转化，材料的原子结构从立方(cBN)转化为六方(hBN)，从而导致应力场和周围的材料变化。
本实用新型的优点和积极效果是：
激光水射流切割PCBN的机理是温度梯度和相变引起的残余应力，使材料沿着切口方向传播裂纹，从而切口的深度加深，能够实现更高效的切割，从而提供一种快速、廉价和低能耗切割PCBN的方法。水射流可以在切割过程使材料快速冷却(淬火)，而且水射流不需要高精度装置，大大减少装置的成本，有利于实现产业化。
附图说明
图1为本实用新型激光头的结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为工件的变形区和切割路径图；
图4为工件转换区的深度和宽度图；
图5为切口侧视图；
图6为切口俯视图；
图7为以5.9kJ/m的线能量切割样本俯视图的扫描电镜图像；
图8为以23.6J/mm的线能量切割样品的截面图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。
一种激光水射流加工装置，包括激光发射装置及与其连接的激光头，所述的激光头包括依次同轴连接的喷头1、转动盘2、分离基座8及连接座9，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连通制有激光通孔7，该激光通孔与连接座的激光透过孔10连通，在喷头内制有第一水流道15，在第一水流道上安装水喷头14，在转动盘内制有与第一水流道连通的第二水流道13，转动盘与分离基座之间的间隙形成第三水流道12，在第三水流道的两侧安装有两道O形水密封圈3。转动盘通过轴承4与分离基座连接，在分离基座内制有第四水流道5，第四水流道与第三水流道连通，在分离基座的外壁制有与第四水流道连通的进水口6。在连接座内制有多个辅助气体进孔11，该辅助气体进孔与连接座中心的激光透过孔连通。
在喷头的端面制有激光及辅助气体出口16及水出口17。
所述的激光发射装置为二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器。
水从进水口进入依次经过第四水流道、第三水流道、第二水流道、第一水流道及水喷头后从水出口喷出。
辅助气体由连接座上的辅助气体进孔进入与二氧化碳工作气体混合后经过激光通孔从激光及辅助气体出口射出。
在激光头外连接水进口的水管上安装水压计，在连接辅助气体进口的气管上安装辅助气体压力计。
本专利用激光水射流切割厚度不同的PCBN进行两组不同的实验来进行对比，两组实验均使用激光连续波的波长为10.6μm，两组实验水射流激光头的额定功率均是1.5kW，水射流辅助激光对PCBN进行切割。首先用水射流激光头的激光束对材料进行局部加热，然后用水射流快速淬火，使PCBN快速冷却，以实现对PCBN的切割。
用不同尺寸的试件进行两组实验进行对比，材料均采用含82％CBN和18％ALN等(平均粒径15μm)的样品。两组实验的水射流压强均是4.5-6MP，粗糙度(μm)抛光面0.3、侧面3，速度(mm/s)分别为21.2、42.4、63.5。实验1的试件尺寸(mm)正三角形材料边长为7mm、厚度为1.6mm,激光水射流的激光功率是400-500W，对应线能量(J/mm)分别为23.6、11.8、5.9。实验2的试件尺寸(mm)圆柱型材料直径50、厚度4.8，激光水射流的激光功率是700-900W，对应线能量(J/mm)为5.9-37.8。
表1
实验中激光束通过127mm焦距镜头聚焦在样品表面上，聚焦光斑为0.2mm。实验过程中保持围绕在激光束周围的压缩空气，压强为69kPa，以保护聚焦镜头免受切割过程中产生的飞溅对镜头造成损坏。由于水能很高的吸收激光能量，所以切割过程中水射流以大约2mm的间隔落后于激光切割，通过直接接触水来吸收激光功率。
图3给出了工件的变形区和切割路径，变形区的尺寸在XZ平面是小于沿激光路径的长度。图4为材料应变状态的模型，给出了转换深度和转换宽度标注，以获得XZ的应力场平面。
图5表示出了切割材料平面应变断裂的截面图，裂纹扩展方向向下，也是力的传播方向。图6是切割材料的俯视图，表示出了激光切割的通道裂纹方向和深度。
对于实验1切割PCBN样品，通过观察得到PCBN的断裂特征总结在表2中。在高线能量(23.6J/mm)下，PCBN样品完全切割分离，表明能量输入高于阈值可以完全切割开。在中线能量(11.8J/mm)下，PCBN沿着切割路线有一条明显的凹槽，通过用手压切割样品可以使材料完全分开，从而得到干净的断面和直观的裂纹界面，表明这个级别的能源和切割厚度的阈值相当。只有在最低线能量(5.9J/mm)下，样品表面只能观察到一道较浅的凹槽，切割完成后用手对开槽施加压力，样品也不能分开，表明这个级别的能源低于切割厚度的阈值。
用5.9J/mm的切割线能量来切割样品，得到样品俯视图的扫描电镜图像如图7所示。由于水的快速散热，产生了相对较窄的切口，且观测发现切口深度比较浅，并未完全切开全部材料，只能观察到一道较浅的凹槽，切割过程中没有产生可见的横向裂纹。用23.6J/mm的切割线能量来切割样品得到的样品截面图如图8所示，激光束只能切割到图中的变形区，下面的断裂区是通过变形区应力的传导作用于断裂区，从而完成对材料的激光水射流切割。
实验二切割实验PCBN的表面变形，通过对三个切割参数切割结果的观察，样品表面均是一道凹槽。同时发现PCBN表面轮廓相对于切口几乎是对称分布的，也观察到三条划凹槽的切口宽度大致等于激光束直径0.2mm。在切口表面附近的变形最高，并随着凹槽距离单调递减，所以表面变形的大小取决于线能量，并且随着线能量的增加而增加。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种激光水射流加工装置，包括激光发射装置及与其连接的激光头，其特征在于：所述的激光头包括依次同轴连接的喷头、转动盘、分离基座及连接座，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连通制有激光通孔，该激光通孔与连接座的激光透过孔连通，在喷头内制有第一水流道，在第一水流道上安装水喷头，在转动盘内制有与第一水流道连通的第二水流道，转动盘与分离基座之间的间隙形成第三水流道，在第三水流道的两侧安装有两道O形水密封圈，转动盘通过轴承与分离基座连接，在分离基座内制有第四水流道，第四水流道与第三水流道连通，在分离基座的外壁制有与第四水流道连通的进水口，在连接座内制有多个辅助气体进孔，该辅助气体进孔与连接座中心的激光透过孔连通，在喷头的端面制有激光及辅助气体出口和水出口。
2.根据权利要求1所述的激光水射流加工装置，其特征在于：在激光头外连接水进口的水管上安装水压计。
3.根据权利要求1所述的激光水射流加工装置，其特征在于：在激光头外连接辅助气体进口的气管上安装辅助气体压力计。
4.根据权利要求1所述的激光水射流加工装置，其特征在于：所述的激光发射装置为二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器。
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