一種變焦距激光精密加工深槽深孔裝置的制造方法
【專利說明】一種變焦距激光精密加工深槽深孔裝置
[0001]本申請是申請日為2014年04月02日，申請?zhí)枮?01410142394.4，名稱為“一種變焦距激光精密加工深槽深孔的方法及裝置”的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種變焦距激光精密加工深槽深孔裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]激光刻蝕加工在激光加工中屬于激光去除類，也可以稱之為蒸發(fā)加工，是基于激光與被加工材料相互作用引起物態(tài)變化形成的熱物理效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)刻槽或打孔的加工效果。影響加工質(zhì)量的主要因素取決于激光的波長、激光功率密度、光束質(zhì)量、聚焦?fàn)顟B(tài)和被加工材料本身的物理特性等參數(shù)。
[0004]激光刻槽或打孔原理是利用脈沖激光16?10 9W/cm2的高功率密度及優(yōu)良的空間相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸發(fā)，并輔助以高速氣流進(jìn)行各種材料的去除來實(shí)現(xiàn)深槽或深孔的加工。加工過程的熱物理-化學(xué)機(jī)理已有著作和文獻(xiàn)闡述，可以簡要描述如下:激光束初始經(jīng)過聚焦透鏡后照射在處于焦平面的工件上，使被加工材料表面的溫度迅速上升。當(dāng)溫度上升到接近于材料的蒸發(fā)溫度時(shí)，激光對材料的去除加工開始進(jìn)行。此時(shí)固態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)烈的相變，最先金屬開始熔化。隨著溫度不斷上升，一部分熔融金屬及固態(tài)金屬開始產(chǎn)生蒸發(fā)效應(yīng)，氣化后的金屬蒸汽攜帶著液相物質(zhì)以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來，從而將底部新的表面暴露在激光束照射之下，從而持續(xù)產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)與噴濺。在激光加工頭輔助吹氣氣流作用下，隨著溫度不斷上升，金屬蒸汽攜帶著液相物質(zhì)以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來并被氣流帶走，露出新的底部表面以接受激光照射。通過這種不斷的照射、熔化-蒸發(fā)、噴濺、照射，直至達(dá)到要求的激光刻蝕深度或穿透整個工件材料。與此同時(shí)，激光束按照設(shè)定的速度和路徑移動，以獲得要求的激光刻蝕加工溝槽。
[0005]顯然，在激光刻槽或打孔過程中，隨著激光照射、熔化-蒸發(fā)、噴濺的不斷進(jìn)行，新生成的被照射表面越來越矮，亦即距離激光束的初始焦平面越來越遠(yuǎn)，從而產(chǎn)生越來越大的離焦量，這種離焦量的產(chǎn)生會導(dǎo)致激光光斑變大、能量分散，進(jìn)一步使得加工的溝槽變寬、加工效率降低。
[0006]激光精密打孔技術(shù)一般都要求孔徑小、入口和出口的孔徑偏差小、孔圓度好，但是采用傳統(tǒng)的激光打孔技術(shù)很難達(dá)到，由于激光焦距固定，激光束的發(fā)射特性使得加工深孔的出入孔徑偏差很大、孔圓度不好，一旦孔深度大大超出激光束的聚焦焦深，會由于激光能量密度不夠而無法加工，深孔的深徑比難以提高。
[0007]并且，由上述激光刻槽或打孔的熱物理-化學(xué)機(jī)理可知，激光加工過程中同時(shí)發(fā)生熔化和蒸發(fā)兩種效應(yīng)，激光作用區(qū)域溫度較低時(shí)主要是熔化，溫度足夠高時(shí)才發(fā)生蒸發(fā)，溫度越高，蒸發(fā)越劇烈。在激光加工過程中，材料受到熔化或蒸發(fā)的質(zhì)量比例是由溫度決定，亦即由所照射的激光功率密度決定。對于加工質(zhì)量而言，隨著刻槽深度或孔深度的提高，亦即激光束離焦量的增大，光斑尺寸同步增大，使得加工區(qū)域受到的激光功率密度下降，上述激光加工過程中的蒸發(fā)效應(yīng)下降，熔化比例增加，噴濺力度不夠，從而會導(dǎo)致在深槽或深孔的邊緣或出口處會存在更多粘附熔渣，亦即所謂“毛刺”現(xiàn)象，無法消除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種變焦距激光精密加工深槽深孔的方法，該變焦距激光精密加工深槽深孔的方法在加工時(shí)焦距動態(tài)調(diào)整，能量更集中、材料蒸發(fā)更充分、從而使得刻槽更精細(xì)、效率更高、深孔圓度和深徑比提高、大大減少了毛刺現(xiàn)象，并且加工裝置光路結(jié)構(gòu)簡單，易拆裝，慣性小、運(yùn)動精度高，散熱效果好，較傳統(tǒng)方法更加適合長時(shí)間、高效率、高精度的深槽或深孔激光精密加工應(yīng)用需求。本發(fā)明還同時(shí)提供了一種變焦距激光精密加工深槽深孔的裝置。
[0009]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種變焦距激光精密加工深槽深孔裝置，包括工作臺、激光器和聚焦光路系統(tǒng)，所述聚焦光路系統(tǒng)包括3字形支撐架、導(dǎo)光機(jī)構(gòu)、多片聚焦透鏡、聚焦透鏡座、聚焦透鏡座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)筒和固定套筒；
[0011]所述工作臺為一兩軸運(yùn)動平臺，可帶動工件做X-Y兩個方向的平移運(yùn)動；激光器發(fā)射的激光束入射到聚焦光路系統(tǒng)中，通過聚焦透鏡座上的某個聚焦透鏡中心軸線，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面，其中，XYZ構(gòu)成直角坐標(biāo)系；
[0012]所述3字形支撐架包括頂板、底板和連接頂板與底板的豎直支撐板，所述豎直支撐板上開設(shè)有激光入射孔和用于將3字形支撐架固定到加工機(jī)床上的多個螺釘孔；
[0013]所述聚焦透鏡座呈圓盤形，聚焦透鏡座的邊沿內(nèi)側(cè)沿圓周方向均勻設(shè)置有多個尺寸相同的圓形安裝孔，多個圓形安裝孔的圓心位于同一圓周上；多個圓形安裝孔的中心軸線應(yīng)該與聚焦透鏡座的中心軸線平行；
[0014]所述多片聚焦透鏡的焦距互不相同；多個聚焦透鏡分別固定安裝在多個圓形安裝孔上，其安裝方位使得所述多個聚焦透鏡的中心軸線，以及聚焦透鏡座的中心軸線均相互平行；
[0015]所述多個聚焦透鏡在多個圓形安裝孔的安裝順序是:以順時(shí)針方向按照焦距從長到短或從短到長的次序依次安裝在多個圓形安裝孔上；
[0016]所述固定套筒的上端緊固連接在頂板的內(nèi)側(cè)，固定套筒的下端通過推力滾子軸承與旋轉(zhuǎn)筒連接；
[0017]所述導(dǎo)光機(jī)構(gòu)包括至少一個45度反射鏡，所述45度反射鏡安裝在固定套筒內(nèi)，所述固定套筒的側(cè)面上設(shè)置有導(dǎo)光孔；
[0018]所述45度反射鏡的安裝方位應(yīng)該使得從激光入射孔和導(dǎo)光孔入射的激光束經(jīng)45度反射鏡的反射后，其光路行進(jìn)方向轉(zhuǎn)折到豎直向下，即與聚焦透鏡座的中心軸線平行；
[0019]所述聚焦透鏡座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動電機(jī)、主動輪和從動輪，所述主動輪由驅(qū)動電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，所述從動輪與主動輪嚙合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和動力的傳遞；所述聚焦透鏡座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動聚焦透鏡座沿其自身中心軸線旋轉(zhuǎn)；
[0020]所述從動輪中心設(shè)置有圓孔，其上端面邊沿與旋轉(zhuǎn)筒下端的法蘭固定連接在一起，圓孔的內(nèi)壁上設(shè)置有有用于安裝聚焦透鏡座的第一環(huán)形臺階；旋轉(zhuǎn)筒為空心環(huán)形，環(huán)形內(nèi)腔的底部設(shè)置有第二環(huán)形臺階，所述聚焦透鏡座的直徑恰好與第一環(huán)形臺階和第二環(huán)形臺階匹配，使得聚焦透鏡座可以水平擱置在第一環(huán)形臺階上，由第二環(huán)形臺階壓緊，并且使得聚焦透鏡座的中心軸線與從動輪的旋轉(zhuǎn)軸線重合；
[0021]所述導(dǎo)光機(jī)構(gòu)與聚焦透鏡座的安裝方位應(yīng)使得外部入射的激光束經(jīng)過45度反射鏡的轉(zhuǎn)折之后，垂直入射進(jìn)入任意一個聚焦透鏡，之后聚焦在工件表面。
[0022]優(yōu)選的，聚焦透鏡座的中心位置還設(shè)置有一吹氣孔，吹氣孔的中心軸線與聚焦透鏡座的中心軸線平行。
[0023]優(yōu)選的，所述主動輪和從動輪均為齒輪。
[0024]本發(fā)明的有益效果在于:
[0025]1、本發(fā)明所述的變焦距激光精密加工深槽深孔方法，通過聚焦透鏡座的旋轉(zhuǎn)，使得脈沖激光束依次穿透不同焦距的聚焦鏡片，焦距可以實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)變化，從而使得激光始終聚焦在激光刻蝕或打孔過程中露出來的新表面，能量更集中，打孔深度更大，效率更高。
[0026]2、眾所周知，激光加工頭中的光學(xué)鏡片是易耗品，主要原因是熱損傷。本發(fā)明中多個聚焦透鏡鏡片輪流使用，同時(shí)鏡片的旋轉(zhuǎn)也可以使得鏡片附近空氣流動加快，聚焦透鏡座中心設(shè)置的吹氣孔也可以有效帶走周圍安裝的聚焦透鏡鏡片熱量，因此比傳統(tǒng)沒有中心吹氣孔、始終使用的單個鏡片形式的散熱效果更好，激光加工頭的光學(xué)鏡片壽命大大延長，可以有效減輕因透鏡受熱膨脹產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)，可以防止鏡片表面鍍膜因溫度過高而損壞剝落，對于低功率激光加工場合甚至可以省去傳統(tǒng)加工頭必不可少的鏡頭液體冷卻組件。
[0027]3、傳統(tǒng)激光刻槽或打孔技術(shù)，在加工金屬材料時(shí)，深槽或深孔的邊緣和出口處會存在液體熔渣的掛璧粘附，最后凝固而導(dǎo)致熔渣毛刺，事后也很難去除，因此這種毛刺是衡量激光加工深槽或深孔質(zhì)量的重要指標(biāo)。本發(fā)明利用了多次變焦距加工，加工區(qū)域的激光束離焦量較傳統(tǒng)定焦距加工方法更小，光斑尺寸更小，功率密度更高，材料蒸發(fā)比例更大，從而去除材料中液體熔融物數(shù)量更少，加上更強(qiáng)烈蒸發(fā)-噴濺效應(yīng)，使得深槽或深孔的邊緣和出口處的液體熔渣掛璧粘附數(shù)量顯著減少，毛刺現(xiàn)象大大減少，加工質(zhì)量得到有效提尚O
[0028]4、采用本發(fā)明的方法加工出的深孔圓度更好、深徑比更大，這是因?yàn)榘l(fā)明利用了多次多脈沖的漸進(jìn)焦距加工，離焦量小，通過可以選擇較少的單次加工去除材料數(shù)量，類似激光研磨效果，使得加工出的深孔圓度更好、深徑比更大，解決了傳統(tǒng)激光加工深孔時(shí)離焦量過大導(dǎo)致功率密度不夠無法提高深徑比的不足，改善了傳統(tǒng)打孔方法由于離焦量導(dǎo)致的喇叭口現(xiàn)象，孔的入口和出口孔徑偏差也更小。
[0029]5、傳統(tǒng)激光加工方法和設(shè)備，基本都是通過調(diào)節(jié)聚焦透鏡和工件表面