本發(fā)明涉及激光加工，尤其涉及冷激光精細(xì)加工方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

冷激光，例如超短脈沖激光器處理脆性材料時(shí)不產(chǎn)生沒(méi)有熱效應(yīng)，沒(méi)有熱影響區(qū)(HAZ)，從而加工時(shí)不產(chǎn)生由熱效應(yīng)引起的諸如毛邊及熱應(yīng)力等。超短脈沖激光器包括飛秒激光器和脈沖寬度小于10皮秒的皮秒激光器，也稱(chēng)超快激光。超短脈沖激光器材料加工與處理有兩種方式：材料改性和材料消融(燒蝕)。材料改性是物質(zhì)局部吸收冷激光后折射率發(fā)生變化，利用雙光子聚合和光化學(xué)反應(yīng)等機(jī)理實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工。材料消融(燒蝕)是冷激光燒蝕靶材產(chǎn)生高溫高壓等離子體。等離子體形成的時(shí)間小于將入射脈沖能量傳輸?shù)街苓叢牧系臅r(shí)間，故不會(huì)引起熱擴(kuò)散效應(yīng)。

目前，一般多利用冷激光，尤其是超短脈沖激光，對(duì)材料的消融(燒蝕)效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行激光精細(xì)加工。在材料加工過(guò)程中，超短脈沖與材料的相互作用導(dǎo)致材料的去除從而實(shí)現(xiàn)材料的精細(xì)加工，同時(shí)利用微加工區(qū)域的多光子非線性吸收和電離可對(duì)任何材料實(shí)現(xiàn)無(wú)熱傳遞。

當(dāng)用激光對(duì)材料進(jìn)行加工時(shí)，激光器通常一直處于“開(kāi)”的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)移動(dòng)激光光束和加工件的空間三維相對(duì)位置，從而把加工件加工成希望得到的產(chǎn)品。但是，由于激光光束和加工件的空間位置移動(dòng)通常受到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的限制，包括速度和加速度的限制，比較難實(shí)現(xiàn)高速微觀尺度(例如微米量級(jí)尺寸)的精確控制，很難進(jìn)行精細(xì)加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述問(wèn)題，本發(fā)明一方面提供了一種數(shù)字化消融“減材逆向打印”激光加工的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷激光精細(xì)加工的精確控制。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種冷激光精細(xì)加工的方法， 其包括如下步驟：

(1)根據(jù)要加工的最終產(chǎn)品設(shè)置冷激光加工工藝參數(shù)；

(2)多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)根據(jù)上述工藝參數(shù)控制激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡和加工件的運(yùn)動(dòng)軌跡；和

(3)多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器根據(jù)激光束的空間位置和加工件的空間位置發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)可控制激光器的開(kāi)和關(guān)閉。

本發(fā)明的方法通過(guò)冷激光發(fā)生器的開(kāi)閉，替代了多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的微小移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷激光加工的精確控制。同時(shí)，該方法還可實(shí)現(xiàn)冷激光對(duì)加工件的三維加工，即使多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在上述步驟(3)中，所述激光束的空間位置和加工件的空間位置是預(yù)先存儲(chǔ)或預(yù)設(shè)在多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器中。也就是說(shuō)，在冷激光束在對(duì)加工件進(jìn)行加工過(guò)程中，會(huì)根據(jù)最終加工要求所預(yù)設(shè)的參數(shù)，關(guān)閉或者打開(kāi)冷激光發(fā)生器。在打開(kāi)冷激光發(fā)生器時(shí)，冷激光對(duì)加工件進(jìn)行材料消融(燒蝕)或材料改性，而當(dāng)冷激光器關(guān)閉時(shí)，不會(huì)對(duì)加工件進(jìn)行材料消融(燒蝕)或材料改性。

在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在所述步驟(3)中，所述激光束的空間位置和加工件的空間位置是實(shí)時(shí)反饋到多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器。也就是說(shuō)，在冷激光束在對(duì)加工件進(jìn)行加工過(guò)程中，多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器根據(jù)激光束和加工件實(shí)際所處的空間位置，來(lái)發(fā)出開(kāi)或者關(guān)的觸發(fā)信號(hào)。

本發(fā)明的方法可以對(duì)任意形狀的材料進(jìn)行數(shù)字化激光消融鉆孔，包括圓形孔、橢圓形孔、方形孔、垂直孔、正向錐形孔、逆向錐形孔、雙錐形孔、螺旋孔等。加工件材料可以為任意材料，包括金屬、非金屬、陶瓷、半導(dǎo)體材料、脆性材料(例如玻璃和藍(lán)寶石)等。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種數(shù)字化消融“減材逆向打印”激光加工的方法，多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)讀取激光加工工藝參數(shù)并控制激光束的空間位置和加工件的空間位置，激光束的空間位置和加工件的空間位置不斷的反饋給多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器，根據(jù)激光加工工藝參數(shù)的要求，多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)智能化觸發(fā)激光器。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，激光器根據(jù)多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控 制器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)智能化觸發(fā)根據(jù)數(shù)字化激光加工工藝的要求處于“開(kāi)”的狀態(tài)或“關(guān)”的狀態(tài)。激光器的時(shí)域觸發(fā)信號(hào)與多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的空間位置同步來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)三維激光精細(xì)加工中的數(shù)字化消融。激光加工的靈活性大大提高。三維“減材逆向打印”得以實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的方法，通過(guò)控制激光發(fā)生器的開(kāi)和閉實(shí)現(xiàn)任意形狀的激光數(shù)字化消融，即激光數(shù)字化三維“減材逆向打印”，從而達(dá)到任意形狀的消融鉆孔，包括圓形孔、橢圓形孔、方形孔等。還可以加工成任意形狀的孔壁。包括垂直孔、正向錐形孔、逆向錐形孔、雙錐形孔、螺旋孔等。這些孔可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的加工。

本發(fā)明的另一方面，提供一種用于上述方法的系統(tǒng)，其包括，用于產(chǎn)生激光的激光發(fā)射器、用于承載加工件的加工平臺(tái)、用于控制激光束和加工平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、用于控制多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制器、和控制激光發(fā)射器開(kāi)閉的激光觸發(fā)器，其中，所述聯(lián)動(dòng)控制器根據(jù)激光束的空間位置和加工件的空間位置發(fā)出向所述激光觸發(fā)器發(fā)出信號(hào)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該系統(tǒng)還可以包括一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)/激光脈沖同步器，該多軸聯(lián)動(dòng)/激光脈沖同步器可以使加工件和激光脈沖始終是同步的，保證在特定時(shí)域內(nèi)，當(dāng)激光器發(fā)生開(kāi)啟時(shí)，冷激光聚焦于特定的點(diǎn)，冷激光的焦點(diǎn)不會(huì)因?yàn)榧す馐倪\(yùn)動(dòng)或者加工件的運(yùn)動(dòng)而偏離預(yù)設(shè)的作用位點(diǎn)。從而能夠確保冷激光對(duì)加工件的精確加工。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，多軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)是三軸或三軸以上的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，多軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)的至少一個(gè)軸是可以旋轉(zhuǎn)的。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有的激光加工示意圖及框圖。

圖2是本發(fā)明冷激光加工方法的框圖。

圖3是本發(fā)明冷激光加工方法的示意圖。

圖4是本發(fā)明一種冷激光加工方法加工的倒角局部放大圖。

圖5是用本發(fā)明一種冷激光加工方法加工的倒角示意圖。

圖6是本發(fā)明一種冷激光加工方法鉆孔的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明更加清晰易懂，僅通過(guò)舉例的方式，結(jié)合下文附圖，描述本發(fā)明施例：

圖1-a顯示了現(xiàn)有激光加工技術(shù)的示意圖。其中，1為激光束；2為激光加工路徑；3為加工件；4為激光加工后的加工件。在常規(guī)的多軸聯(lián)動(dòng)三維激光精細(xì)加工中，通過(guò)激光束和加工件的相對(duì)位置的三維調(diào)整，從而形成激光加工路徑2。在整個(gè)加工過(guò)程中，激光束一直處于“開(kāi)”的狀態(tài)。被激光作用的加工件部分會(huì)被“切掉”，形成激光加工后的加工件4。圖1-b顯示了通過(guò)激光對(duì)工件進(jìn)行加工的框圖。加工件承載固定在平臺(tái)上，激光發(fā)射器發(fā)射激光對(duì)加工件進(jìn)行加工，通過(guò)激光束和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工件的不同加工要求。激光束和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器受運(yùn)動(dòng)控制器的控制。

圖2-a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的框圖。多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)讀取激光加工工藝參數(shù)并控制激光束的空間位置和加工件的空間位置。激光束的空間位置和加工件的空間位置不斷的反饋給多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器。根據(jù)激光加工工藝參數(shù)的要求，多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)智能化控制激光器的開(kāi)和關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)任意材料多軸聯(lián)動(dòng)三維激光精細(xì)加工數(shù)字化消融“減材逆向打印”。圖2-b是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的框圖。超快激光發(fā)生與否通過(guò)超快激光脈沖觸發(fā)器觸發(fā)，一旦超快激光發(fā)生后，通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)/激光脈沖同步器，使激光束和加工件的空間位置達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，從而使激光束聚焦在加工件上準(zhǔn)確的位置上。激光束和加工件的運(yùn)動(dòng)通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，多軸聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器受多軸聯(lián)動(dòng)控制器控制。

圖3是激光束1的加工路徑2已經(jīng)預(yù)先設(shè)定，激光器會(huì)根據(jù)多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)智能化控制激光發(fā)生器的“開(kāi)”的狀態(tài)或“關(guān)”的狀態(tài)。圖中加工路徑2實(shí)線部分表示激光發(fā)生器處于開(kāi)啟狀態(tài)，激光處于工作狀態(tài)；加工路徑2虛線部分表示激光發(fā)生器處于關(guān)閉狀態(tài)，激光處于非工作狀態(tài)。激光發(fā)生器的時(shí)域觸發(fā)信號(hào)與多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的空間位置同步實(shí)現(xiàn)了多軸聯(lián)動(dòng)三維激光精細(xì)加工。在激光工作狀態(tài)下，加工件被數(shù) 字化消融，而激光處于關(guān)閉狀態(tài)下，加工件不受影響，從而在加工后的加工件4上形成預(yù)期的加工面5。

圖4所示為任意形狀的激光數(shù)字化消融，即激光數(shù)字化三維“減材逆向打印”。6為加工件經(jīng)激光數(shù)字化消融后形成的加工面。任意形狀的激光數(shù)字化消融，即激光數(shù)字化三維“減材逆向打印”可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的消融倒角，例如脆性材料，例如玻璃和藍(lán)寶石的消融倒角。

圖5-1顯示了單邊任意形狀的數(shù)字化激光消融倒角、圖5-2顯示了雙邊非對(duì)稱(chēng)任意形狀的數(shù)字化激光消融倒角、圖5-3顯示了和雙邊對(duì)稱(chēng)任意形狀的數(shù)字化激光消融倒角。

圖6顯示了使用本發(fā)明激光精細(xì)加工方法進(jìn)行任意形狀的數(shù)字化激光消融鉆孔。加工件3的材料可以為任意材料，包括金屬、非金屬、陶瓷、脆性材料(例如玻璃和藍(lán)寶石)等。1為激光束、2為激光束的加工路徑，箭頭為激光束前進(jìn)方向。

上述實(shí)施例僅僅是通過(guò)舉例的方式描述。在不偏離本發(fā)明所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可有各種變體。