CN105904105B - 一种改善孔锥度的激光打孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种改善孔锥度的激光打孔装置，包括激光发生器；还包括反射装置和反射调节机构，所述激光发生器相对固定地设置在工件的一侧，所述反射装置和反射调节机构设置在所述工件的另一侧；所述激光发生器在所述工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过所述通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁；所述反射调节机构带着所述反射装置运动，使得被反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除。仅仅采用同一激光发生器对目标工件进行加工和改善维度，避免引入磁场、流场等其他能场导致装置复杂、成本过高、控制困难的缺点，简化安装和使用。

Description

一种改善孔锥度的激光打孔装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种改善孔锥度的激光打孔装置及方法。

背景技术

激光打孔技术是一种以激光束为热源，采用热去除方法对材料进行分离的技术。在激光打孔的过程中，高功率的脉冲激光聚焦在工件表面，材料被迅速加热到熔化及汽化的温度，随后在材料气体急聚膨胀的反冲压力和高压辅助气体压力的共同作用下，工件上熔融状态的液体被挤出孔外，并在后续脉冲激光作用下持续上述过程，材料不断去除，直至形成通孔。

激光打孔技术与其他打孔技术相比，具有诸多优势，例如，激光打孔技术是无接触加工技术，加工工具与被加工工件之间不发生摩擦，避免因摩擦带来加工工具的损耗，也不会因为加工材料较硬导致钻头折断。其次，与其他无接触的打孔技术（如电子束打孔技术、电火花腐蚀打孔技术、超声波打孔技术等）相比，激光打孔技术可以加工出孔径更小的孔（孔的直径能达到10~250μm），且加工效率高。因此，激光打孔技术广泛应用于加工金属材料、陶瓷材料以及高分子材料等领域，很好地满足了汽车工业、半导体工业、制表业以及医疗装置制造业等行业对某些关键零部件精密加工的要求。

在使用激光打孔技术加工上述关键零部件的通孔时，锥度是衡量孔的重要质量指标，锥度越大说明所加工的孔的质量越差。但是，利用现有的脉冲激光打孔技术加工得到的通孔往往存在较大的锥度，而这较大锥度产生的原因主要有以下三种：

1、加工开始时，激光束的焦点在工件表面上，随着加工平面由工件表面向下延伸，加工表面产生的热量逐渐降低，并且由于高压辅助气体在深孔中压力损耗过大，导致孔底的熔融材料无法排出，使得底部孔径逐渐变小，最终形成锥孔；

2、激光脉冲的光强在空间上位高斯分布，激光束中间能量高而四周能量低，导致通孔轴心线上的材料容易去除而四周的材料较难去除，形成锥孔；

3、被加工的材料在激光的辐照下气化，生成蒸汽，高温蒸汽中的热电子致使其他中性粒子电离，形成光致等离子体，对激光有吸收作用。随着激光打孔过程的持续进行，等离子体不断增加，对激光功率的削减作用越来越大，使得孔底材料获得的能量减小，所形成的孔径随着孔深度的增加而变小，最终形成锥孔。由以上分析可知，采用传统的激光加工方法所加工的孔不可避免地存在较大的难度。

针对上述情况，中国发明专利CN201310172352提出了一种在打孔的激光束中加入纳米级粒子流的方法，通过纳米粒子流对所加工的微孔进行抛光，以改善所成孔的锥度。但是，精确的控制纳米级粒子流进入到微孔中在实际操作时存在较大的难度，尤其是当孔径仅为微米级时，由于表面张力太大，流体甚至很难进入到微孔之中。另一中国发明专利CN201410050557提出一种利用电磁场提高激光束性能的方法来改善激光打孔锥度的方法，但存在装置复杂，且需要高能量的磁场才足以消除锥度的缺点。再一中国专利CN201310476632提出一种通过在工件的上侧和下侧分别施加高能脉冲激光进行打孔的方法。在打孔过程中，必须通过两个高精度运动平台使得两个激光头和所需打孔位置三者精确地保持在同一直线上，对上下两个激光器的同轴度、运动平台的精度等存在极高的要求。

综上所述，现有的激光加工方法所加工出的孔不可避免地存在锥度，而现有的方法在一定程度上可以改进孔的锥度，但是仍存在装置复杂、操作困难等缺点，亟需发明新的改善激光加工中孔锥度的方法。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种改善孔锥度的激光打孔装置及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种改善孔锥度的激光打孔装置，包括激光发生器；还包括反射装置和反射调节机构，所述激光发生器相对固定地设置在工件的一侧，所述反射装置和反射调节机构设置在所述工件的另一侧；

所述激光发生器在所述工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过所述通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁；所述反射调节机构带着所述反射装置运动，使得被反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除。

优选的，所述反射装置为平面镜和球面镜中的任一种反射镜。

优选的，所述平面镜或球面镜的反射平面上设有若干可增加激光散射的微结构。

优选的，所述微结构为均匀布满在所述反射平面上的凸起，所述凸起为半球或半椭球状沿横纵方向均匀间距排列。

优选的，所述反射调节机构包括驱动所述反射装置环绕所述通孔运动的动力源和调节所述反射装置与所述通孔的横截面之间夹角大小的动力源。

优选的，所述反射平面的面积为所述通孔的最小截面直径的10~15倍。

优选的，所述工件通过夹具固定在所述激光发生器的一侧。

优选的，还包括载镜台，所述反射装置通过所述反射调节机构设置在所述载镜台。

一种改善孔锥度的激光打孔方法；其包括以下步骤：

1）将工件装夹到夹具上，并调整夹具将工件上待加工通孔的目标位置调节到激光发生器的正下方；

2）开启激光发生器，使其发出的高能脉冲激光束聚焦到通孔的目标位置上，开始在工件上打孔；经过数个或几十个脉冲后，打出带锥度的通孔；

3）激光发生器继续维持开启的状态，其穿过通孔的入射激光束打到反射装置的反射平面上，并经反射平面将入射激光束反射，使得反射激光束落到通孔的孔周和内壁，将孔周和内壁上多余的材料通过熔化消除或升华消除；

4）通过反射调节机构调节反射平面与通孔的横截面之间的角度，使得反射激光束落在通孔的孔周和内壁的不同位置，所述反射调节机构驱动所述反射装置环绕所述通孔运动，使得反射激光束对通孔的孔周和内壁进行旋切，最终将所有多余的材料切除，消除锥度，得到内径一致的通孔。

优选的，完成加工一个通孔的加工后，夹具带动工件移动到下一个通孔的目标位置，重复所述步骤1~4，直至完成该工件所需数量的通孔的加工。

本发明的有益效果：通过反射装置的反射平面将激光束反射回所加工通孔的孔周和内壁，并对孔壁进行旋切，以改善所加工的通孔的锥度。在一次加工中完成通孔和改善锥度两个过程，克服了现有技术中采用上下两个激光发生器对准加工时需要极高运动精度要求的问题，显著地降低了成本。仅仅采用同一激光发生器对目标工件进行加工和改善维度，避免引入磁场、流场等其他能场导致装置复杂、成本过高、控制困难的缺点，简化安装和使用。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2（a)~(d）是激光束作用到不同位置的反射装置后的反射路径图；

图3（a）是本发明中带有锥度的通孔的结构示意图；

图3（b）是本发明中加工完成后的通孔的结构示意图；

图4是本发明中微结构的一个实施例的俯视图；

图5是图4中微结构在竖直平面上的剖视图。

其中：激光发生器1，入射激光束11，反射激光束12；反射装置2，反射平面20，微结构21；反射调节机构3，工件4，通孔5，夹具6，载镜台7。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种改善孔锥度的激光打孔装置，包括激光发生器1，其特征在于：还包括反射装置2和反射调节机构3，所述激光发生器1相对固定地设置在工件4的一侧，所述反射装置2和反射调节机构3设置在所述工件4的另一侧；

所述激光发生器1在所述工件4上加工出带有锥度的通孔5后，其激光束穿过所述通孔5后落到所述反射装置2的反射平面20上，经所述反射平面20反射后落到所述通孔5的孔周和内壁；所述反射调节机构3带着所述反射装置2运动，使得被反射的激光束落到所述通孔5的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔5内的锥度逐步消除。

如图1所示，通过反射装置2的反射平面将激光束反射回所加工通孔5的孔周和内壁，并对孔壁进行旋切，以改善所加工的通孔5的锥度。在一次加工中完成通孔和改善锥度两个过程，克服了现有技术中采用上下两个激光发生器对准加工时需要极高运动精度要求的问题，显著地降低了成本。仅仅采用同一激光发生器1对目标工件进行加工和改善维度，避免引入磁场、流场等其他能场导致装置复杂、成本过高、控制困难的缺点，简化安装和使用。

所述反射装置2为平面镜和球面镜中的任一种反射镜；结构简单，更换方便，性价比高。

所述平面镜或球面镜的反射平面20上设有若干可增加激光散射的微结构21。

激光发生器1发出的激光束在反射平面20上进行反射，在反射平面20上增加微结构21，这若干微结构21的外壁向不同方向延伸，从而增加了入射到这些外壁上的激光束的散射，避免激光直接反射回激光发生器1内而导致激光发生器1的损坏。所述的微结构和平面镜或球面镜的类型取决于工件4的材料、目标通孔5的孔径大小和激光发生器1的功率。

所述微结构21为均匀布满在所述反射平面20上的凸起，所述凸起为半球或半椭球状沿横纵方向均匀间距排列。

如图4及图5所示，直接使用凸起作为微结构，结构简单，加工方便；而最优的方案是使用球状或椭球状形状的凸起，是从立体几何的构建原理出发，相同体积的凸起加工成的任何立体形状中，球状是其中表面积最大的，且球状表面有曲率，适合更多的激光束往更多的方向发生散射，以达到保护激光发生器1的作用。

所述反射调节机构3包括驱动所述反射装置2环绕所述通孔5运动的动力源和调节所述反射装置2与所述通孔5的横截面之间夹角大小的动力源。

根据光学反射定理，入射激光束11与反射平面20上微结构21的表面法线的夹角，为反射激光束12与反射平面20上微结构21的表面法线的夹角。反射调节机构3不断调节反射装置2与所述通孔5横截面之间的夹角，使得反射激光束12在通孔5内壁的落点逐渐升高，且在升高的过程中利用自身的热量逐渐对通孔5内的锥度进行消除到与通孔5上部分的孔径一致；反射调节机构3还不断调节反射装置2环绕所述通孔5运动，以实现对通孔5内锥度的旋切，将通孔5内各处的锥度都消除，得到整个孔径上下都一致的通孔，结构简单，操作方便。

所述反射平面20的面积为所述通孔5的最小截面直径的10~15倍。

量化限定反射平面20面积，确保所有的激光束都能发射到通孔5内或者工件4的背面，在激光束的能量较大时，通过这样面积大小的反射平面20实现其的多次反射后能量的分散，防止具有一定能量的激光束对工件4或反射调节机构3造成损坏，延长设备的使用寿命。

所述工件4通过夹具6固定在所述激光发生器1的一侧。

完成加工一个通孔的加工后，夹具6带动工件4移动，使得激光发生器1对准工件4上下一个通孔的目标位置，再继续完成加工，保证工件4稳定性的同时，提高加工效率。

还包括载镜台7，所述反射装置2通过所述反射调节机构3设置在所述载镜台7。

反射装置2和发射调节机构3设置在载镜台7上，两者的位置调整时直接移动在载镜台7即可，在与工件4以及激光发生器1的位置对正时方便高效。

一种改善孔锥度的激光打孔方法；其包括以下步骤：

1）将工件4装夹到夹具6上，并调整夹具6将工件4上待加工通孔的目标位置调节到激光发生器1的正下方,如图2（a）所示；

2）开启激光发生器1，使其发出的高能脉冲激光束聚焦到通孔5的目标位置上，激光发生器1聚焦的焦距取决于激光发生器1到工件4表面的距离，聚焦完成后开始在工件4上打孔；经过数个或几十个脉冲后，打出带锥度的通孔5，如图3（a）所示，所述的脉冲个数取决于工件4的材料、目标通孔的孔径大小和激光发生器1的功率实际决定；

3）激光发生器1继续维持开启的状态，其穿过通孔5的入射激光束11打到反射装置2的反射平面20上，并经反射平面20将入射激光束11反射，使得反射激光束12落到通孔5的孔周和内壁，将孔周和内壁上多余的材料通过熔化消除或升华消除，如图2（b）和图2（c）所示；

4）通过反射调节机构3调节反射平面20与通孔5的横截面之间的角度，使得反射激光束12落在通孔5的孔周和内壁的不同位置，所述反射调节机构3驱动所述反射装置2环绕所述通孔5运动，使得反射激光束12对通孔5的孔周和内壁进行旋切，最终将所有多余的材料切除，消除锥度，得到内径一致的通孔，如图2（d）所示和图3（b）所示。

完成加工一个通孔的加工后，夹具6带动工件4移动到下一个通孔的目标位置，重复所述步骤1~4，直至完成该工件4所需数量的通孔的加工。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种改善孔锥度的激光打孔装置，包括激光发生器，其特征在于：还包括反射装置和反射调节机构，所述激光发生器固定地设置在工件的一侧，使得其发出的高能脉冲激光束能聚焦到通孔的目标位置上，所述反射装置和反射调节机构设置在所述工件的另一侧；

所述激光发生器在所述工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过所述通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁；所述反射调节机构带着所述反射装置运动，所述反射调节机构包括驱动所述反射装置环绕所述通孔运动的动力源和调节所述反射装置与所述通孔的横截面之间夹角大小的动力源，通过反射调节机构调节反射平面与通孔的横截面之间的角度，使得反射激光束落在通孔的孔周和内壁的不同位置，所述反射调节机构驱动所述反射装置环绕所述通孔运动，使得反射激光束对通孔的孔周和内壁进行旋切，以将所述通孔内的锥度逐步消除；

所述反射平面上设有若干可增加激光束散射的微结构，所述微结构为均匀布满在所述反射平面上的凸起，所述凸起为半球或半椭球状，且其沿横纵方向均匀间距排列。

2.根据权利要求1所述的改善孔锥度的激光打孔装置，其特征在于：所述反射装置为平面镜和球面镜中的任一种反射镜。

3.根据权利要求1所述的改善孔锥度的激光打孔装置，其特征在于：所述反射平面的面积为所述通孔的最小截面直径的10～15倍。

4.根据权利要求1所述的改善孔锥度的激光打孔装置，其特征在于：所述工件通过夹具固定在所述激光发生器的一侧。

5.根据权利要求1所述的改善孔锥度的激光打孔装置，其特征在于：还包括载镜台，所述反射装置通过所述反射调节机构设置在所述载镜台。

6.一种改善孔锥度的激光打孔方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)将工件装夹到夹具上，并调整夹具将工件上待加工通孔的目标位置调节到激光发生器的正下方；

2)开启激光发生器，使其发出的高能脉冲激光束聚焦到通孔的目标位置上，开始在工件上打孔；经过数个或几十个脉冲后，打出带锥度的通孔；

3)激光发生器继续维持开启的状态，其穿过通孔的入射激光束打到反射装置的反射平面上，并经反射平面将入射激光束反射，所述反射平面上设有若干可增加激光束散射的微结构，所述微结构为均匀布满在所述反射平面上的凸起，所述凸起为半球或半椭球状，且其沿横纵方向均匀间距排列，使得反射激光束落到通孔的孔周和内壁，将孔周和内壁上多余的材料通过熔化消除或升华消除；

4)通过反射调节机构调节反射平面与通孔的横截面之间的角度，使得反射激光束落在通孔的孔周和内壁的不同位置，所述反射调节机构驱动所述反射装置环绕所述通孔运动，使得反射激光束对通孔的孔周和内壁进行旋切，最终将所有多余的材料切除，消除锥度，得到内径一致的通孔。

7.根据权利要求6所述的改善孔锥度的激光打孔方法，其特征在于：完成加工一个通孔的加工后，夹具带动工件移动到下一个通孔的目标位置，重复所述步骤1)～4)，直至完成该工件所需数量的通孔的加工。

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