CN118046109A - 运用激光实施深孔加工的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种运用激光实施深孔加工的方法，包括采用衍射分束镜对入射的激光进行分束，分束为以入射激光的光轴为中心轴，而成围绕该中心轴排布的分束光阵列，分束光阵列随后入射聚焦机构，而被聚焦成聚焦光斑，将获得的聚焦光斑对位于焦平面上物料进行烧蚀，并同时沿入射激光的光轴方向的进给，如此实现深孔加工。与现有技术相比，本发明的方法不仅能实现相同的深孔加工效果，还降低了现有技术采用旋转方式运用激光烧蚀制孔的设备构造。

Description

运用激光实施深孔加工的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种在物料上制孔的方法，尤其涉及一种以激光为手段对物料实施深孔加工的方法，以及实施该方法的装置。

背景技术

孔加工、铣加工和铰削加工等均是工业上较为常见的物料加工手段，以将物料加工成所需特征的产品，比如：具有孔特征的板材和具有弧面的腔体等。完成这些加工的最常见的手段为刀具，比如：钻头、铣刀和铰刀等。以激光(场)为手段达到去除物料的目的也已经被广泛应用。

比如：以激光为手段实施物料的加工在金属加工领域已属常见，诸如：激光切割、激光焊接、激光淬火、激光除锈等激光技术已广泛应用于工业生产，其利用聚焦的高能激光束照射物料，在光束能量密度高于材料损伤阈值的空间范围内通过光热电效应(如：气化蒸发、电子雪崩等)对物料实施烧蚀去除。随后通过光束相对材料的移动，完成特定形状、形体及规格的物料的烧蚀(通常也称为“切割”)，达到制作所需产品的目的。

激光器为实施工业加工的激光的光源。无论采用何种激光器，根据加工时光束相对物料是否多次往复运动区分，激光切割主要有单次烧蚀和多次烧蚀两种工艺。基于激光原理分析，如图1所示，单次烧蚀工艺的关键参数为聚焦激光光束10的有效焦深11和聚焦光斑12直径，在聚焦激光光束中两者所确定的空间即为理论上的激光有效烧蚀区域。

激光制孔的过程同样是激光和物质相互作用的热物理过程，由激光光束特性(包括激光的波长、脉冲宽度、光束发散角和聚焦状态等)和物质的诸多热物理特性决定，具有效率高、无耗材、一致性好等传统机加工所不具备地优势。当所制孔的孔径1mm(即微孔)以下时，由于聚焦激光束呈锥形，再加之激光束在孔内受到蒸发物气团折射和反射，以及等离子体效应等多种因素叠加的影响，其往往无法达到预设的最大加工深度，且随着孔直径减小，孔的最大可加工深度亦随之下降。

另一方面，如图2所示，激光制孔通常为锥形孔，即在激光通过孔的路径上，激光入射处的孔口大，激光从孔中出射处的开口小。随着孔深增加，聚焦激光光束的圆柱度难以保持。部分种类的激光比如：二氧化碳激光和高功率连续激光等还往往致使孔口形成一定程度的熔融和物料损伤，影响产品的加工质量和精度。

针对以上技术问题点，已经出现很多商业化的技术手段，如：采用超短脉冲激光器替代连续激光器而在很大程度上避免了孔口处的熔融，或采用振镜扫描方式逐层烧蚀物料或以螺旋式扫描下切物料以减轻孔壁锥度等，其中最成功的是采用水导激光束装置将聚焦激光光束引导为一束基本无锥度的高能液柱，由水流提供工件降温、带走烧蚀废渣并避免锥度影响的水导激光切割技术和采用多光楔或道威棱镜驱动光束旋转方式烧蚀制孔技术。这两种激光技术都可以加工出大孔径比的微孔。有资料显示水导激光可以实现孔径比50以上的超深微孔加工，旋转方式烧蚀制孔也可以实现10～20倍径的深微孔加工。水导激光技术除了需要专用的水光耦合头，还需要配备全套的水循环过滤装置，设备复杂昂贵，运作成本偏高，且属于湿式加工，对被加工材料具有限制。另一种旋转方式烧蚀制孔技术则主要通过精密调整的多件光学器件使进入聚焦镜的光束进行适当的平移和倾斜，依靠高速电机带动前述镜片组的高速旋转使光束绕光轴旋转，其装置构造复杂，对光学元件的加工准确度和装配准确度要求很高，容易发生孔径、锥度、孔形态和规格方面的瑕疵。

综上，现有的激光深孔加工技术可靠性不足，对于批量生产的工程应用仍具有局限性。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种实施深孔加工的方法，利于激光提高深孔加工的孔深。

本发明的另一个目的在于提供一种实施深孔加工的方法，利于降低孔口对激光的干涉作用，而提高孔口边缘的加工精度。

本发明的再一个目的在于提供一种实施深孔加工的方法，提高深孔加工的可靠性，降低对配件装置性能的要求。

本发明的又一个目的在于提供一种实施深孔加工的装置，以实施运用激光实施深孔加工的方法。

通常理解的激光，系原子因受激而辐射的光，原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。激光的形态可分为连续激光和脉冲激光。依据激光的脉冲宽度特性分为热激光和冷激光。

激光发射器如：但不限于纳秒、飞秒或皮秒激光器，产生的激光如：红外、红外、蓝光、绿光、紫光或极紫光。

超快激光是指输出激光的脉冲宽度数十纳秒以下，即皮秒级别或小于皮秒级别的脉冲激光。超快激光器涉及的核心部件包括振荡器、展宽器、放大器和压缩器等。

光轴是指光束(光柱)的中心线，或光学系统的对称轴。光束绕此轴转动，不应有任何光学特性的变化。

在机加工中，所称的物料或工件通常是用于制造零件或部件的材料或半成品，是机械加工过程中的加工对象。即对工件实施机加工后，得到符合加工或设计要求的产品。

精密加工，指加工精度和表面质量达到极高程度的加工技术。比如：刀具加工中，尺寸、直线度、轮廓度、表面粗糙度、刃尖圆弧半径、加工精度均高于达到微米级。

机加工设备(或机加工中心)，系具有多个运动轴的加工设备。即在右手直角坐标系中，沿直线方向移动的X、Y和Z轴，以及分别绕X、Y和Z轴的回转的A轴、B轴和C轴。

机加工设备，如：数控机床，通常加载了各项控制软件，以代码形式接收和发出各项指令对工件实施自动化加工。

一种用于激光制孔的方法，包括：

采用衍射分束镜对入射的激光进行分束，分束为以入射激光的光轴为中心轴，而成围绕该中心轴排布(如：呈圆周排布)的分束光阵列，分束光阵列随后入射聚焦机构，而被聚焦成聚焦光斑，将获得的聚焦光斑对位于焦平面上物料进行烧蚀，并同时沿入射激光的光轴方向的进给，如此实现深孔加工。

激光经分束后聚焦，再作用于物料上，能有效避免锥形光束对孔口的损伤及孔口对光束的干涉作用，从而加大了最大可加工深度。

本发明的用于激光制孔的方法，衍射分束镜受动力机构驱动(如：回转电机)而绕入射激光光轴旋转，实现整体呈圆面的聚焦光斑，以进一步提升加工孔地圆度。衍射分束镜和动力机构可作为一体封装，作为衍射分束装置。

衍射分束镜可根据入射光束的辐照面积将其分束为以入射激光的光轴为中心轴呈圆周排布的直径不同的多层光束阵，再经聚焦后，得到多层构造的分束光斑簇，在同一层的分束光斑的中心与入射激光的光轴距离相同，位于不同层的分束光斑的中心与入射激光的光轴距离不相同。

当入射光束的辐照面积大时，则获得的分束光斑簇的面积也大；当入射光束的辐照面积小时，则获得的分束光斑簇的面积也小，以此适应于不同直径的孔加工需求。

一种衍射分束镜的实施方式，在镜面上形成产生衍射分束的图形，使得入射激光得以分束，所产生的分束激光经聚焦后的分束光斑至入射激光的光轴的距离为0.02mm～0.2mm。

通过增加分束光斑的数量，则当衍射分束镜转动时，更易于获得整体呈圆面的聚焦光斑，以此可使用低速的电机驱动，而降低了对电机性能的要求。

另一种衍射分束镜的实施方式，在镜面上形成产生衍射分束的图形，使得入射激光得以分束，所产生的分束经聚焦机构聚焦而形成分束光斑，各个分束光斑之间的距离为0.02mm～0.2mm。

另一种衍射分束镜的实施方式，在镜面上形成产生衍射分束的图形，使得入射激光得以分束，所产生的分束经聚焦机构聚焦而形成分束光斑，各个分束光斑以入射激光的光轴为中心呈圆周排布，至入射激光的光轴距离相同的分束光斑位于同一圆周上，至入射激光的光轴距离不相同的分束光斑形成多个以入射激光的光轴为中心的圆周。位于同一圆周各个分束光斑之间的距离为0.002mm～0.2mm，位于相邻圆周上的各个分束光斑之间的距离为0.002mm～0.2mm。

另一种用于激光制孔的方法，以激光入射衍射分束镜后再入射聚焦机构，而被聚焦成由多个分束光斑组合成整体呈圆面的聚焦光斑，将获得的聚焦光斑对位于焦平面上物料进行烧蚀，并同时沿入射激光的光轴方向的进给，如此实现深孔加工。

另一种用于激光制孔的方法，以激光入射衍射分束装置后再入射聚焦机构，而被聚焦成整体呈圆面的聚焦光斑，将获得的聚焦光斑对位于焦平面上物料进行烧蚀，并同时沿入射激光的光轴方向的进给，如此实现深孔加工。

为了实施上述本发明的方法，尤其是自动化高效实施，通常需要配置衍射分束装置和聚焦装置，按激光传播的方向，激光先入射衍射分束装置后，再入射聚焦装置。

将本发明装置安置于一台具有多个运动轴的加工设备(如：三轴机床、四轴机床和五轴机床等)，就能运用激光对工件实现自动化深孔加工。

本发明技术方案实现的有益效果：

与现有技术相比，本发明通过使用衍射分束镜生成绕光轴成圆周分布分束光，再经聚焦装置产生聚焦光斑，以此来替代光学元件的高速旋转形成的绕光轴中心的环形聚焦光斑，不仅能实现相同的深孔加工效果，还降低了现有技术采用旋转方式运用激光烧蚀制孔的设备构造。由于不需要使用高速回转电机来驱动复数镜片组，本发明的方法显著提高了深孔加工可靠性的同时，还降低了相应装置的自身重量。

经分束后再聚焦而形成的若干分束光斑组成的整体呈圆面的聚焦光斑，各个分束光斑的光轴相互间形成发散角，在加工中相当于以锥度(分束激光与加工平面成夹角或倾斜于加工平面)对孔壁进行加工，即能提高加工效率和最大加工深度又能避免孔口的干涉而对孔口造成的损伤。

附图说明

图1为聚焦激光束的示意图；

图2为以聚焦激光光束对物料实施单次烧蚀工艺一实施例的示意图；

图3为本发明用于激光制孔的装置实施深孔加工一实施例的示意图；

图4为采用本发明的方法将得到的由若干分束光斑组成的整体呈圆面的聚焦光斑一实施例的示意图；

图5为旋转衍射分束镜后图4所示光斑形成的完整圆面的示意图；

图6为采用本发明的方法将得到的由若干分束光斑组成的整体呈圆面的聚焦光斑另一实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

通过一台装置以实施本发明的激光深孔加工方法。如图3所示，装置包括衍射分束器200和聚焦器300。按激光传播的方向，激光先入射衍射分束器200后，再入射聚焦器300。衍射分束器200对接收到入射激光100实施分束后，产生分束激光110，再由聚焦器300聚焦后形成聚焦光斑400。将聚焦光斑400对位于焦平面上物料500进行烧蚀。由于激光烧蚀物料是高效的，因此，与烧蚀几乎同步的，沿入射激光100的光轴方向的不断进行进给，如此往复而能在物料500上产生深孔600。激光经分束后聚焦，再作用于物料上，能有效避免锥形光束对孔口的损伤及孔口对光束的干涉作用(参见图3中A处标识)，从而加大了最大可加工深度。

在实施本实施例的激光深孔加工方法时，衍射分束器200包括衍射分束镜210，在其上形成产生衍射分束的图形，使得入射激光100得以分束，分束后的分束激光110围绕入射激光100的光轴呈圆周排布。图4为采用本发明的方法将得到的由若干分束光斑组成的整体呈圆面的聚焦光斑一实施例的示意图。参见图3，如图4所示，分束激光110经聚焦器300聚焦后，形成的聚焦光斑400整体呈圆面，其由若干分束光斑410排布而成的光斑簇。各个分束光斑410至入射激光的光轴的距离为0.02mm～0.2mm。

为了减少衍射分束器的分束数量，在衍射分束器200内还设置动力机构220，如：转速为1Hz～50Hz回转电机，衍射分束镜210受动力机构220驱动而绕入射激光100光轴旋转，实现整体呈圆面的聚焦光斑400。图5为旋转衍射分束镜后图4所示光斑形成的完整圆面的示意图。参考图4，如图5所示，当衍射分束镜210转动后，由若干分束光斑410排布而成的光斑簇形成了完整圆面的聚焦光斑400。

通过扩束机构800改变入射激光100的光束的直径，以此满足加工不同直径的孔所需激光光束。再将扩束机构和光阑的配合，通过调节扩束倍率和光阑孔径以按需调整入射光束的直径和截止边缘直径。当入射光束100的辐照面积大时，即衍射分束镜210的受光面积增加，则获得的分束光斑簇的面积也相应增加大；当入射光束的辐照面积小时，即衍射分束镜210的受光面积小，则获得的分束光斑簇的面积也小，以此适应于不同直径的孔加工需求。

图6为采用本发明的方法将得到的由若干分束光斑组成的整体呈圆面的聚焦光斑另一实施例的示意图。参见图3，如图6所示，经衍射分束镜210分束后的分束激光110围绕入射激光100的光轴呈圆周排布，经聚焦器300聚焦后，形成的聚焦光斑400整体呈圆面，其由若干分束光斑排布而成的光斑簇。各个分束光斑以入射激光的光轴为中心呈圆周排布，其中，在第一圆周710上排布若干分束光斑411，这些分束光斑411至入射激光100的光轴距离相同，在第二圆周720上排布若干分束光斑412，这些分束光斑412至入射激光100的光轴距离也相同，由此形成多个以入射激光100的光轴为中心的圆周。位于同一圆周各个分束光斑的中心之间的距离为0.002mm～0.2mm，位于相邻圆周上的各个分束光斑中心之间的距离为0.002mm～0.2mm。随着以入射激光100的光轴为中心的圆周的数量增加，分束光斑按排布于各个同心圆上，由此增加了聚焦光斑400的面积，同时也使更利于形成整体圆面的聚焦光斑，提高孔的圆度。

本实施的装置较为适合的是在具有多个运动轴的加工设备，如：三轴机床、四轴机床和五轴机床等实施。此类加工设备能提供驱动物料所需的至少2个方向运动，比如：提供X轴方向的运动和Y轴方向的运动，以及通常还能提供Z轴方向的运动，以适应加工的需要。为了实现三维形态的加工，绕X轴旋转方向上的运动(即A轴方向)，以及绕Y轴旋转方向上的运动(即B轴方向)也能容易地从这些加工设备中获得。

由于已经存在搭载激光光源且具有多个运动轴的加工设备，比如：CN212144994。这些设备中已经配有激光器、聚焦(场)镜和驱动装置，而能将所受到的激光实施聚焦，得到聚焦激光光束。

Claims (10)

1.一种用于激光制孔的方法，其特征在于包括：

采用衍射分束镜对入射的激光进行分束，分束为以入射激光的光轴为中心轴，而成围绕该中心轴排布的分束光阵列，分束光阵列随后入射聚焦机构，而被聚焦成聚焦光斑，将获得的聚焦光斑对位于焦平面上物料进行烧蚀，并同时沿入射激光的光轴方向的进给，如此实现深孔加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的衍射分束镜受动力机构驱动而绕所述的入射激光光轴旋转，实现整体呈圆面的聚焦光斑。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的衍射分束镜使得入射激光得以分束，所产生的分束激光经聚焦后的分束光斑至入射激光的光轴的距离为0.02mm～0.2mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的衍射分束镜使得入射激光得以分束，所产生的分束经聚焦机构聚焦而形成分束光斑，各个分束光斑之间的距离为0.02mm～0.2mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的衍射分束镜使得入射激光得以分束，所产生的分束经聚焦机构聚焦而形成分束光斑，各个分束光斑以入射激光的光轴为中心呈圆周排布，至入射激光的光轴距离相同的分束光斑位于同一圆周上，至入射激光的光轴距离不相同的分束光斑形成多个以入射激光的光轴为中心的圆周。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于位于同一圆周各个分束光斑之间的距离为0.002mm～0.2mm。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于位于相邻圆周上的各个分束光斑之间的距离为0.002mm～0.2mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于以激光入射衍射分束镜后再入射聚焦机构，而被聚焦成由多个分束光斑组合成整体呈圆面的聚焦光斑。

9.一种用于实施权利要求1所述的方法的装置，其特征在于包括衍射分束装置和聚焦装置，按激光传播的方向，激光先入射衍射分束装置后，再入射聚焦装置。

10.根据权利要求9所述的装置用于具有多个运动轴的加工设备。