一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置的制造方法
【专利说明】一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置
[0001]本申请是申请日为2014年04月02日，申请号为201410142394.4，名称为“一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法及装置”的分案申请。
技术领域
[0002]本发明属于激光加工领域，具体涉及一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置。
【背景技术】
[0003]激光刻蚀加工在激光加工中属于激光去除类，也可以称之为蒸发加工，是基于激光与被加工材料相互作用引起物态变化形成的热物理效应，实现刻槽或打孔的加工效果。影响加工质量的主要因素取决于激光的波长、激光功率密度、光束质量、聚焦状态和被加工材料本身的物理特性等参数。
[0004]激光刻槽或打孔原理是利用脉冲激光16?10 9W/cm2的高功率密度及优良的空间相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸发，并辅助以高速气流进行各种材料的去除来实现深槽或深孔的加工。加工过程的热物理-化学机理已有著作和文献阐述，可以简要描述如下:激光束初始经过聚焦透镜后照射在处于焦平面的工件上，使被加工材料表面的温度迅速上升。当温度上升到接近于材料的蒸发温度时，激光对材料的去除加工开始进行。此时固态金属发生强烈的相变，最先金属开始熔化。随着温度不断上升，一部分熔融金属及固态金属开始产生蒸发效应，气化后的金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来，从而将底部新的表面暴露在激光束照射之下，从而持续产生熔化、蒸发与喷溅。在激光加工头辅助吹气气流作用下，随着温度不断上升，金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来并被气流带走，露出新的底部表面以接受激光照射。通过这种不断的照射、熔化-蒸发、喷溅、照射，直至达到要求的激光刻蚀深度或穿透整个工件材料。与此同时，激光束按照设定的速度和路径移动，以获得要求的激光刻蚀加工沟槽。
[0005]显然，在激光刻槽或打孔过程中，随着激光照射、熔化-蒸发、喷溅的不断进行，新生成的被照射表面越来越矮，亦即距离激光束的初始焦平面越来越远，从而产生越来越大的离焦量，这种离焦量的产生会导致激光光斑变大、能量分散，进一步使得加工的沟槽变宽、加工效率降低。
[0006]激光精密打孔技术一般都要求孔径小、入口和出口的孔径偏差小、孔圆度好，但是采用传统的激光打孔技术很难达到，由于激光焦距固定，激光束的发射特性使得加工深孔的出入孔径偏差很大、孔圆度不好，一旦孔深度大大超出激光束的聚焦焦深，会由于激光能量密度不够而无法加工，深孔的深径比难以提高。
[0007]并且，由上述激光刻槽或打孔的热物理-化学机理可知，激光加工过程中同时发生熔化和蒸发两种效应，激光作用区域温度较低时主要是熔化，温度足够高时才发生蒸发，温度越高，蒸发越剧烈。在激光加工过程中，材料受到熔化或蒸发的质量比例是由温度决定，亦即由所照射的激光功率密度决定。对于加工质量而言，随着刻槽深度或孔深度的提高，亦即激光束离焦量的增大，光斑尺寸同步增大，使得加工区域受到的激光功率密度下降，上述激光加工过程中的蒸发效应下降，熔化比例增加，喷溅力度不够，从而会导致在深槽或深孔的边缘或出口处会存在更多粘附熔渣，亦即所谓“毛刺”现象，无法消除。
【发明内容】
[0008]本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法，该变焦距激光精密加工深槽深孔的方法在加工时焦距动态调整，能量更集中、材料蒸发更充分、从而使得刻槽更精细、效率更高、深孔圆度和深径比提高、大大减少了毛刺现象，并且加工装置光路结构简单，易拆装，惯性小、运动精度高，散热效果好，较传统方法更加适合长时间、高效率、高精度的深槽或深孔激光精密加工应用需求。本发明还同时提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔的装置。
[0009]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0010]一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置，包括工作台、激光器和聚焦光路系统，所述聚焦光路系统包括3字形支撑架、导光机构、多片聚焦透镜、聚焦透镜座、聚焦透镜座旋转机构、旋转筒和固定套筒；
[0011]所述工作台为一两轴运动平台，可带动工件做X-Y两个方向的平移运动；激光器发射的激光束入射到聚焦光路系统中，通过聚焦透镜座上的某个聚焦透镜中心轴线，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面，其中，XYZ构成直角坐标系；
[0012]所述3字形支撑架包括顶板、底板和连接顶板与底板的竖直支撑板，所述竖直支撑板上开设有激光入射孔和用于将3字形支撑架固定到加工机床上的多个螺钉孔；
[0013]所述聚焦透镜座呈圆盘形，聚焦透镜座的边沿内侧沿圆周方向均匀设置有多个尺寸相同的圆形安装孔，多个圆形安装孔的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔的中心轴线应该与聚焦透镜座的中心轴线平行；
[0014]所述多片聚焦透镜的焦距互不相同；多个聚焦透镜分别固定安装在多个圆形安装孔上，其安装方位使得所述多个聚焦透镜的中心轴线，以及聚焦透镜座的中心轴线均相互平行；
[0015]所述多个聚焦透镜在多个圆形安装孔的安装顺序是:以顺时针方向按照焦距从长到短或从短到长的次序依次安装在多个圆形安装孔上；
[0016]所述固定套筒的上端紧固连接在顶板的内侧，固定套筒的下端通过推力滚子轴承与旋转筒连接；
[0017]所述导光机构包括至少一个45度反射镜，所述45度反射镜安装在固定套筒内，所述固定套筒的侧面上设置有导光孔；
[0018]所述45度反射镜的安装方位应该使得从激光入射孔和导光孔入射的激光束经45度反射镜的反射后，其光路行进方向转折到竖直向下，即与聚焦透镜座的中心轴线平行；
[0019]所述聚焦透镜座旋转机构包括驱动电机、主动轮和从动轮，所述主动轮由驱动电机带动旋转，所述从动轮与主动轮啮合实现运动和动力的传递；所述聚焦透镜座旋转机构用于驱动聚焦透镜座沿其自身中心轴线旋转；
[0020]所述从动轮中心设置有圆孔，其上端面边沿与旋转筒下端的法兰固定连接在一起，圆孔的内壁上设置有有用于安装聚焦透镜座的第一环形台阶；旋转筒为空心环形，环形内腔的底部设置有第二环形台阶，所述聚焦透镜座的直径恰好与第一环形台阶和第二环形台阶匹配，使得聚焦透镜座可以水平搁置在第一环形台阶上，由第二环形台阶压紧，并且使得聚焦透镜座的中心轴线与从动轮的旋转轴线重合；
[0021]所述导光机构与聚焦透镜座的安装方位应使得外部入射的激光束经过45度反射镜的转折之后，垂直入射进入任意一个聚焦透镜，之后聚焦在工件表面。
[0022]优选的，聚焦透镜座的中心位置还设置有一吹气孔，吹气孔的中心轴线与聚焦透镜座的中心轴线平行。
[0023]优选的，所述主动轮和从动轮均为齿轮。
[0024]本发明的有益效果在于:
[0025]1、本发明所述的变焦距激光精密加工深槽深孔方法，通过聚焦透镜座的旋转，使得脉冲激光束依次穿透不同焦距的聚焦镜片，焦距可以实现渐进变化，从而使得激光始终聚焦在激光刻蚀或打孔过程中露出来的新表面，能量更集中，打孔深度更大，效率更高。
[0026]2、众所周知，激光加工头中的光学镜片是易耗品，主要原因是热损伤。本发明中多个聚焦透镜镜片轮流使用，同时镜片的旋转也可以使得镜片附近空气流动加快，聚焦透镜座中心设置的吹气孔也可以有效带走周围安装的聚焦透镜镜片热量，因此比传统没有中心吹气孔、始终使用的单个镜片形式的散热效果更好，激光加工头的光学镜片寿命大大延长，可以有效减轻因透镜受热膨胀产生的热透镜效应，可以防止镜片表面镀膜因温度过高而损坏剥落，对于低功率激光加工场合甚至可以省去传统加工头必不可少的镜头液体冷却组件。
[0027]3、传统激光刻槽或打孔技术，在加工金属材料时，深槽或深孔的边缘和出口处会存在液体熔渣的挂璧粘附，最后凝固而导致熔渣毛刺，事后也很难去除，因此这种毛刺是衡量激光加工深槽或深孔质量的重要指标。本发明利用了多次变焦距加工，加工区域的激光束离焦量较传统定焦距加工方法更小，光斑尺寸更小，功率密度更高，材料蒸发比例更大，从而去除材料中液体熔融物数量更少，加上更强烈蒸发-喷溅效应，使得深槽或深孔的边缘和出口处的液体熔渣挂璧粘附数量显著减少，毛刺现象大大减少，加工质量得到有效提尚O
[0028]4、采用本发明的方法加工出的深孔圆度更好、深径比更大，这是因为发明利用了多次多脉冲的渐进焦距加工，离焦量小，通过可以选择较少的单次加工去除材料数量，类似激光研磨效果，使得加工出的深孔圆度更好、深径比更大，解决了传统激光加工深孔时离焦量过大导致功率密度不够无法提高深径比的不足，改善了传统打孔方法由于离焦量导致的喇叭口现象，孔的入口和出口孔径偏差也更小。
[0029]5、传统激光加工方法和设备，基本都是通过调节聚焦透镜和工件表面