一种高精度微型凹槽的加工方法与流程

本发明属于精密与特种加工领域，涉及一种高精度微型凹槽的加工方法，该方法将水下激光和精密铣削相结合。

背景技术：

高精度微型凹槽广泛应用于医用微流控分析芯片，各种传感器、散热器、燃料电池等领域。目前加工高精度微型凹槽所用的加工方法主要有mems加工、机械加工、电火花加工、电解加工和激光加工等。mems技术衍生于微电子技术，需要超净环境，工艺复杂，主要加工对象被限制在硅等材料上，无法加工金属材料；电火花加工中工具电极有损耗；电解加工流道设计复杂(cn201610877053.0)，存在杂散腐蚀难以保证精度，工件易报废。

相比于上述加工的缺点，激光加工由于有能够加工硬质材料，并且不使用铣刀、工具电极等物理工具头，没有工具磨损和相关的机器振动等优点，是当今制造业中广泛采用的一种制造技术。然而，由于激光加工通过熔化来去除材料，这通常会在激光照射区域内产生热影响区，热影响区会从激光照射区域向外扩散，从而产生裂缝和碎裂，氧化以及熔化的喷射物在工件表面上再次附着等缺陷，在空气中进行加工时上述缺陷尤其明显。此外，由于加工区域中存在温度梯度，马兰戈尼效应可能导致熔融材料在从较热中心到较冷边缘的方向上流动。以及当蒸发的材料在喷射冷凝后，产生的反冲压力会将熔融材料从加工区域推向边缘。这两种效应共同导致在激光钻孔或加工凹槽时易产生凸起边缘或毛刺。

水下激光加工技术将待加工材料放入水下，由于水的比热容高于空气，可以迅速降低加工区域的温度，减少热影响区和对已加工区的污染、从而减少凸起边缘、毛刺和重铸等缺陷。水还可以隔绝空气，能够减少加工区的氧化。然而，随着凹槽的深度变深，激光会逐渐失焦，能量不再集中，从而导致加工效率下降。此外，采用高斯光束进行加工，由于激光能量分布不均匀，激光加工后的凹槽截面为一个倒梯形。

精密铣削可以加工截面为矩形的凹槽，而且加工精度很高，但由于精密铣削采用的铣刀直径很细(几十到几百微米)，在加工时易磨损、振动，导致加工成本的提高和加工精度的下降。专利cn102891325b介绍了一种机械加工精密凹槽的方法及其刀具，该方法只能加工成排的精密凹槽，且需要加工专用的刀具，该刀具由并排放置的多个微齿组成，提高了刀具刚度，减少振动，但并不能减少刀具的磨损，此外若只加工一个精密凹槽，单齿刀具势必会因为刚度的降低而产生很大的振动。

技术实现要素：

本发明为了满足加工精密微型凹槽的需求，一种高精度微型凹槽的加工方法，该方法将水下激光和精密铣削相结合。该方法首先利用水下激光加工去除大部分材料，然后再利用跟随在激光发生器后的超精密铣刀对水下激光加工后的凹槽进行精加工，最后得到高精度的微型凹槽。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高精度微型凹槽的加工方法，该方法将水下激光和精密铣削相结合，包括两道工序，两道工序在同一机床上先后完成，具体步骤如下：

首先采用水下激光加工技术在被加工材料上加工出横截面为梯形的凹槽：采用一长方体密闭腔体，上盖内嵌熔融石英玻璃窗体，垂直对侧两面各留有入水及出水口。将待加工材料放入腔体中，腔体中充满水，启动水流，待加工工件表面与水面间隔一定距离。激光透过玻璃窗体和水聚焦于待加工工件的表面，在需要加工凹槽的区域内扫描，加工出横截面为倒梯形的凹槽，，切口宽度和凹槽深度均略小于所需尺寸。

然后采用精密铣削加工，精密铣刀跟随在激光后面并沿水下激光加工出的梯形截面凹槽的走向运动，将凹槽内多余的材料去除，得到高精度的微型凹槽。所述的精密铣刀的直径与所需凹槽的宽度相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)采用水下激光加工，具有凹槽周围无凸起、无毛刺、无重铸、氧化少、去除率高等优点，避免了mems工艺可加工材料单一、机械加工和电火花加工工具头磨损严重、电解加工流道设计复杂等缺点。

(2)由于在铣削前凹槽内的大部分材料已被水下激光加工去除，所以在铣削时的铣刀磨损和振动会大大降低，从而提高凹槽加工精度并降低加工成本。

(3)将水下激光和精密铣削技术在同一机床上有机结合，相比只用铣刀加工高精度凹槽能有效减少刀具磨损，能够避免因多次装夹产生的对刀难的问题。

附图说明

图1为本发明的加工过程图。

图中：1激光；2精密铣刀；3水；4待加工材料；41水下激光加工的梯形截面凹槽；42精密铣刀加工后的矩形截面凹槽。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步说明。

一种高精度微型凹槽的加工方法，首先将待加工材料4放入水槽中，水槽中充满水3，待加工材料4表面与水面间隔一定距离。激光1透过水聚焦于待加工材料4的表面，在需要加工凹槽的区域内扫描，加工出梯形截面凹槽41。然后进行精密铣削加工，超精密铣刀2跟随在激光后面并沿水下激光加工出的梯形截面凹槽的走向运动，将凹槽内多余的材料去除，得到高精度的精密矩形截面凹槽42。所述的超精密铣刀2的直径与所需凹槽的宽度相同。

使用本发明所述方法在铜表面加工精密凹槽的具体步骤如下：

1)将铜片打磨去除氧化层并放在水槽中。

2)水槽入水口接水泵，出水口接水箱，打开水泵使水3充满水槽，流量为20ml/s，铜片加工表面与水面间隔7.2mm。

3)使用multiwavemopa-dy-20纳秒光纤激光器搭配振镜扫描头及100mm焦距远心镜头，将激光1聚焦于铜片加工表面，激光功率为11.8w、激光扫描区域为5mm*165μm、扫描速度960mm/s、在扫描区域内平行扫描500次、激光脉冲频率为200khz、脉冲宽度为10ns，得到梯形截面凹槽41。

4)精密铣刀2跟随在激光1后面，沿梯形截面凹槽41方向进给，将水下激光加工后剩余的材料去除，得到高精度矩形截面凹槽42。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明属于精密与特种加工领域，提供一种高精度微型凹槽的加工方法，该方法将水下激光和精密铣削相结合，包括两道工序，两道工序在同一机床上先后完成：首先利用水下激光加工去除大部分材料，得到倒梯形截面凹槽；然后再利用跟随在激光发生器后面的精密铣刀对水下激光加工后的梯形截面凹槽进行精加工，最后得到高精度的矩形截面凹槽。本发明将水下激光和精密铣削技术在同一机床上有机结合，与只采用铣刀加工高精度凹槽相比，能够有效减少刀具磨损，且能够避免因多次装夹产生的对刀难的问题，提高凹槽加工精度和效率并降低加工成本。

技术研发人员：郭江;康仁科;郭东明
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2018.09.11
技术公布日：2018.11.23