专利名称：硬脆性材料的脉冲激光铣削方法
技术领域：
本发明涉及一种加工方法，更具体地说是对各种硬脆性材料进行铣削加工的方法。
背景技术：
硬质合金、高合金钢、淬火钢、半导体硅片、工程陶瓷和金刚石等硬脆性材料，在机械、精密光学器件、电子和电器等领域有着广泛应用，通常需要对其进行盲孔、槽和异形槽加工，但这些材料难以利用常规的机械方法加工成型，对导电材料加工可以利用电火花，但电火花加工需要制做电极，而且存在效率低和电极损耗等问题，非导电材料盲孔、槽和异形槽可以利用超声波等现代方法加工，但也存在效率低等问题。
随着激光器技术的发展，较大功率固体脉冲激光器已经在工业上获得广泛应用，脉冲激光的功率密度比较高，其功率密度一般可达106-8W/cm2以上。但是，迄今为止，采用固体脉冲激光对于高熔点硬脆性材料进行宏观尺寸的铣削加工的技术未有相关报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种快速、经济的硬脆性材料的激光铣削方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是本发明方法的特点是对于硬脆性材料，采用固体脉冲激光进行铣削加工。
本发明方法的特点也在于以计算机控制载有硬脆性材料的工作台运动，使高功率密度脉冲激光束与硬脆性材料作用，具体按如下步骤操作a、利用计算机绘制需要铣削形状的剖面线图形，所述剖面线为一组水平线或一组铅垂线，剖面线间距为0.15～0.25mm；b、把被加工硬脆性材料固定在工作台上，控制工作台移动速度为2～3mm/s；c、首先对硬脆性材料进行激光粗铣削，用于粗铣削的激光脉宽为0.5ms，重复频率为50～60Hz，激光输出能量为3～5焦耳；再对硬脆性材料进行激光精铣削，精铣削选择的激光脉宽为02～0.5ms，重复频率为60～80Hz，激光输出能量小于1焦耳。
激光铣削是利用脉冲的聚焦高能激光束直接作用于被加工的硬脆性材料表面，当聚焦的高能激光束作用于物体微小区域，瞬间可使材料熔化或者蒸发，因此可以实现烧蚀成型，达到加工物体的目的。
本发明方法是利用激光光斑部分重叠的单脉冲形成的密集孔群，一层一层地对材料的被加工区域进行剥离，进而达到成形的目的，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明方法与硬脆性材料常用的电火花加工和超声波等方法相比，不需要制作电极和加工模具，方法简单易行，特别适合单件和小批量加工；2、本发明采用固体脉冲激光，激光器具结构简单、工作可靠，易于在工业中推广，同时其功率密度较高，可以铣削加工熔点较高的各种硬脆性材料，包括硬质合金、高合金钢、淬火钢、半导体硅片、工程陶瓷和金刚石等。
3、连续激光用于铣削加工，对工件表面的热影响较大，被加工材料的铣削表面存在大量的熔渣堆积，因此铣削面平整度低。本发明方法采用固体脉冲激光，输出能量的不连续性，使得与被加工材料之间的作用呈现出间歇性，显著降低了由于连续激光能量的作用而对工件表面的热影响，大大有利于工件表面质量的提高。
4、本发明方法可以铣削任何固体材料至所要求的尺寸。
图1为本发明方法脉冲激光铣削原理示意2为以本发明方法铣削的硬质合金模具。
图3为以本发明方法铣削的氧化铝陶瓷工件。
图中标号1激光光斑、2硬质合金、3铣削轮廓图形、4工程陶瓷件。
具体实施例方式图1所示，利用激光光斑1部分重叠的单脉冲形成的密集孔群，一层一层地对材料的被加工区域进行剥离，进而达到成形的目的。
实施例1利用固体脉冲激光加工硬质合金模具。
硬质合金在工业上作为工模具材料应用极广，它是以粒径为0.8～3μm的硬质相WC和粒径为0.7～1.1μm的Co为粘结相高温烧结而成，硬质合金硬度极高，常温硬度达HRA89～93，难以利用常规机械加工方法来加工。
本实施例中，首先在计算机上画出图2所示的铣削轮廓图形3，然后画出剖面线，注意剖面线间距设置为0.2mm，剖面线为一组水平线，将硬质合金2固定在工作台上，选定工作台移动速度为2mm/s，激光粗铣的参数设置为重复频率50Hz，激光脉宽0.5ms，考虑到硬质合金熔点和导热性都比较高，激光能量选择为4J，以氧气为辅助气体，吹气压力为0.5MP，喷嘴直径1.5mm。在不改变其它参数的条件下，把激光能量降低到1J进行精铣，铣削加工结果如图2。
实施例2参见图3，以对应用广泛的Al2O3工程陶瓷件4的加工为例，陶瓷是由共价键、离子键或两者混合的化学键结合的物质，在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度高。由于陶瓷晶体离子间是由化学键结合而成，使陶瓷显示很大脆性。正是由于陶瓷具有的这些特性，对常规加工方法来说，陶瓷是典型的难加工材料。特别是加工高精度、形状复杂的构件非常困难。导致精加工的费用增加严重阻碍了精密陶瓷的推广应用，因此精细陶瓷的后续加工往往成为其工程应用的关键。
本实施例中，对于Al2O3工程陶瓷4的铣削加工也是首先在计算机上画出铣削轮廓图形3，然后画出剖面线，剖面线间距设置为0.2mm，剖面线为一组水平线，把Al2O3工程陶瓷件4固定在工作台上，选定工作台移动速度为2mm/s，激光粗铣的参数为重复频率为50Hz，脉宽为0.5ms，考虑到Al2O3工程陶瓷和硬质合金相比，致密度要低，导热性要差，激光能量选择为3J，以氧气为辅助气体，吹气压力为0.5MP，喷嘴直径1.5mm。在不改变其它参数的条件下，把激光能量降低到1J进行精铣，铣削加工结果的结果如图3。
权利要求
1.硬脆性材料的激光铣削方法，其特征是对于硬脆性材料，采用固体脉冲激光进行铣削加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是以计算机控制载有硬脆性材料的工作台运动，使高功率密度脉冲激光束与硬脆性材料作用，具体按如下步骤操作a、利用计算机绘制需要铣削形状的剖面线图形，所述剖面线为一组水平线或一组铅垂线，剖面线间距为0.15～025mm；b、将被加工硬脆性材料固定在工作台上，控制工作台移动速度为2～3mm/s；c、首先对硬脆性材料进行激光粗铣削，用于粗铣削的激光脉宽为0.5ms，重复频率为50～60Hz，激光输出能量为3～5焦耳；再对硬脆性材料进行激光精铣削，精铣削选择的激光脉宽为02～0.5ms，重复频率为60～80Hz，激光输出能量小于1焦耳。
全文摘要
硬脆性材料的激光铣削方法，其特征是对于硬脆性材料，采用固体脉冲激光进行铣削加工。本发明方法与硬脆性材料常用的电火花加工和超声波等方法相比，不需要制作电极和加工模具，方法简单易行，特别适合单件和小批量加工；采用固体脉冲激光，激光器具结构简单、工作可靠，易于在工业中推广，其较高的功率密度，可以铣削加工熔点较高的各种硬脆性材料，包括硬质合金、高合金钢、淬火钢、半导体硅片、工程陶瓷和金刚石等。
文档编号B23K26/40GK1730227SQ20051004148
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月10日 优先权日2005年8月10日
发明者袁根福, 梁华琪 申请人:安徽建筑工业学院