专利名称：一种硬脆材料高质量微细通孔的加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于硬脆材料微细孔加工领域，具体涉及非常规制造中的激光加工及其它微细通孔加工方法和与细丝机械研磨的复合加工方法与装置。
背景技术：
随着微纳米技术的发展，在显微镜技术、近场光学技术、微纳制造加工技术、射流加工技术和小孔测量等技术领域，玻璃、陶瓷、硅片等硬脆材料越来越多的应用于这些技术领域，但是针对这些硬脆材料微细孔(小于100微米)的加工，还没有得到具体有效的解决方式。硬脆材料微细孔(小于100微米)的加工属于难加工材料的微细加工技术，针对导电材料采用的加工方法一般为电火花加工，孔径边缘质量难以保证，非导电材料一般采用激光加工或常规钻、镗等加工方式，激光加工存在孔径锥度和边缘热影响区和毛刺，目前采用的紫外激光和飞秒激光加工虽然可以得到较小的孔径，但是加工效率极低，而钻、镗等加工方式经常导致刀具损坏以及孔、面存在角度误差，造成工件损坏。本发明聚焦于高质量孔径边缘的小于100微米孔径的硬脆材料微细孔加工，采用一种复合的加工方式，形成具有光滑内壁表面的微小通孔。运用该复合加工一方面可以形成圆孔，同时还可以进行锥孔的加工，同时可以保证内孔壁的表面质量。
发明内容
本发明主要针对高质量的内孔及孔壁表面的微小通孔的加工，高质量微细通孔指孔径范围在φΙΟ-φΙΟΟμπι，孔壁表面粗糙度不大于RaL 6范围内的通孔，利用激光加工的粗糙小孔进行二次研磨加工，可以获得高质量孔边缘和孔壁的微细通孔，一方面可以形成圆形通孔，另一方面还可以形成锥形通孔和异型通孔。本发明采用的整体系统包括激光器、三维移动装夹工作台、前导轮、研磨丝、前丝盘、研磨丝夹紧导丝装置、对准导丝装置支架、后丝盘、后导轮、可移动孔径检测及实时观测显微镜、工控机，研磨丝工作部分移动方向为铅直上下，三维移动装夹工作台水平放置，中间装夹工件部位有通孔保证研磨丝穿过，工件装夹在工作台上方，研磨丝夹紧导丝装置固定在对准导丝装置支架上部，方向沿着研磨丝向上，研磨丝夹紧导丝装置和对准导丝装置支架置于三维移动装夹工作台下方，后导轮固定在对准导丝装置支架下方，后丝盘和前丝盘安放在适当位置，研磨丝缠绕在其上，前导轮固定在工件上方，可移动孔径检测及实时观测显微镜位于三维移动装夹工作台下方倾斜放置，观测范围为工件的微细孔附近，工控机与各个部件相连，以实现整体控制。采用双工位的加工方式，即先利用激光进行微小通孔的加工，再利用细丝研磨装置进行孔壁的研磨加工，获得高质量孔边缘和孔壁的微细通孔。本发明提出的硬脆材料高质量微细通孔的复合加工方法包括以下步骤(1)将工件在激光加工工位装夹，通过激光器加工定位观测光学系统进行定位和检测，利用激光进行微细通孔的初加工；(2)移动工作台到研磨工位，利用可移动孔径检测及实时观测显微镜检测工件小
4孔位置，调整工作台使小孔位于前轮丝的位置。(3)在观测显微镜下通过研磨丝对准导丝装置将研磨丝穿入微小通孔，并将研磨丝导入后导轮并固定在后研磨丝盘上；(4)通过前后导轮上的研磨丝控制器调节控制研磨丝张力，在一定张力下通过工控机控制前后导轮和前后研磨丝盘的转动以及三维移动装夹工作台的移动，开始进行通孔的研磨加工；(5)在加工过程中通过可移动孔径检测及实时观测显微镜进行观测，待达到加工要求后停止加工；(6)清理研磨粉液，释放退出研磨丝，取下工件完成加工。本发明提出的这种硬脆材料高质量微细通孔的复合加工方法具有如下主要特征(1)本发明提出的复合加工方法运用激光和细丝研磨手段实现高质量微细通孔的加工，实现手段及装置简单易行，可以实现微细通孔的高质量表面和高效率的加工，可以保证孔边缘和孔壁质量；(2)本发明利用的研磨丝可以采用常用的研磨丝，在前导轮加装研磨液盒或在工件上滴加研磨液实现湿法研磨；也可以采用电镀研磨粉的研磨丝或在工件上添加研磨粉实现干法研磨，添加或电镀的研磨粉可以采用微纳米量级的金刚石粉，也可以采用其他研磨粉；(3)本发明利用细丝进行研磨，通过研磨丝对准导丝装置进行安装，利用可移动孔径检测及实时观测显微镜进行位置检测及加工状态监测；(4)本发明的装置通过双工位加工，控制可移动孔径检测及实时观测显微镜进行位置定位，通过工控机控制工作台、前后导轮、前后研磨丝盘的运动，实现工作台、前后导轮位置的调整，通过前后导轮张力控制器控制研磨丝的张力形成加工条件。(5)本发明提出的复合加工方法不仅适合于圆形通孔的加工，通过工作台的移动和前后导轮位置的移动还可以实现锥形通孔及异形通孔的加工；(6)本发明提出的复合加工方法不仅可以加工硬脆材料，同时可以加工多种材料的微细通孔；
图1为本发明硬脆材料高质量微小通孔复合加工方法及装置的示意图。1——激光器及其加工定位观测光学系统和数控工作台，2——三维移动装夹工作台，3——工件，4——前导轮，5—研磨丝，6——前丝盘；7—研磨丝夹紧导丝装置，8——对准导丝装置支架，9——后丝盘，10——后导轮，11——可移动孔径检测及实时观测显微镜， 12——工控机双工位的加工方式及装置各自独立，激光器及其加工定位观测光学系统和数控工作台ι为第一工位加工装置；其他组成皆为第二工位加工装置，研磨丝5工作部分移动方向为铅直上下，三维移动装夹工作台2水平放置，中间装夹工件部位有通孔保证研磨丝5穿过，工件3装夹在工作台2上方，研磨丝夹紧导丝装置7固定在对准导丝装置支架8上部，方向沿着研磨丝5向上，7和8整体置于三维移动装夹工作台2下方，在对准导丝装置支架8下方50 200mm处固定后导轮10，后丝盘9可根据实际情况安放，工件3上方50 200mm 处固定前导轮4，同样前丝盘6可根据实际情况安放，可移动孔径检测及实时观测显微镜11 位于三维移动装夹工作台2下方倾斜放置，观测范围为工件3的微细孔附近，由工控机12 实现整体控制。
具体实施例方式首先依据工件3的材料特性和加工工艺选择适合的激光器参数对工件3进行毛坯孔的加工，在工件上形成通孔，孔径略低于目标直径且大于研磨丝5的直径，此后将工件3 安装在三维移动装夹工作台2上，估测毛坯孔的位置使其正对于三维维移动装夹工作台2 下方的研磨丝夹紧导丝装置7。研磨丝5缠绕在后丝盘9上，通过后导轮10将研磨丝5的上端夹入研磨丝夹紧导丝装置7，装夹过程通过研磨丝夹紧导丝装置7的夹紧旋钮实现，夹紧程度需控制在一定限度内应使研磨丝5沿夹紧导丝装置7的夹紧口上下活动可调但又不至于严重摆动。然后操作导丝装置7的研磨丝上下滑动旋钮，使研磨丝5的端部探出夹紧丝装置7夹紧口一定的长度，而后将研磨丝夹紧导丝装置7装入夹紧导丝装置支架8，该架8可进行上下方向调整，借助导丝装置支架8将导丝装置7向上移动到适当的位置。通过实时观测显微镜11观测研磨丝5探出的端部位置和工件3毛坯孔的位置，操作夹紧导丝装置7的研磨丝滑动旋钮使研磨丝5的端部向上从毛坯孔穿出，小心牵引该端部向上绕过前导轮4、引导到前丝盘6并固定，松动夹紧导丝装置7的夹紧旋钮，使其夹紧口完全脱开。再通过可移动孔径检测及实时观测显微镜11和三维移动装夹工作台2调整工件3毛坯孔的位置，使研磨丝5位于工件3上毛坯孔的中心处，穿丝完毕。依据目标孔径对三维移动装夹工作台2选择适合的运动轨迹并在工控机12上编程进行控制。启动时先运行研磨丝5进行上下往复走丝，然后启动三维移动装夹工作台2 使其按预定程序运行。工作期间用可移动孔径检测及实时观测显微镜11观测研磨效果直至高质量微孔研磨完成。毛坯通孔的加工可以采用激光加工，同时还可以采用钻削、铣削、镗削、电火花、离子束、电子束等孔类加工方法形成的微细通孔。研磨丝可以采用普通研磨丝或者特制研磨丝，特制研磨丝指在细丝(金属或非金属)上面电镀或涂镀金刚石粉或者研磨粉后形成专用的研磨丝；细丝研磨加工可以应用湿法研磨，也可以采用干法研磨。湿法研磨可以在前后导轮加入研磨液或者在工件上面滴加研磨液实现，干法研磨可以使用特制研磨丝直接研磨或者在工件上方添加研磨粉使用细丝直接研磨。本发明的加工方法及装置可以与超声加工设备组成微细通孔的激光与超声细丝研磨、激光与超声细丝抛光等复合加工装置。本发明的加工方法及装置不仅应用于硬脆材料，同时还可以用于多种材料，加工尺度也不仅限于微米尺度。本发明的加工方法及装置不仅可以加工圆形通孔，同时还可以进行异形通孔的研磨加工，也可以用于锥度孔和带径向起伏的特殊锥孔的加工，还可用于贯通式的异形微结构研磨加工。
权利要求
1.一种硬脆性材料微细通孔加工方法，其特征在于包括以下步骤将工件在激光加工工位装夹，通过可激光器加工定位观测光学系统进行定位和检测， 利用激光进行微细通孔的初加工；移动工作台到研磨工位，利用可移动孔径检测及实时观测显微镜检测工件小孔位置， 调整工作台使小孔位于前轮丝的位置；在观测显微镜下通过研磨丝对准导丝装置将研磨丝穿入微小通孔，并将研磨丝导入后导轮并固定在后研磨丝盘上；通过前后导轮上的研磨丝控制器调节控制研磨丝张力，在一定张力下通过工控机控制前后导轮和前后研磨丝盘的转动以及三维移动装夹工作台的移动，开始进行通孔的研磨加工；在加工过程中通过可移动孔径检测及实时观测显微镜进行观测，待达到加工要求后停止加工；清理研磨粉液，释放退出研磨丝，取下工件完成加工。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬脆性材料的孔径小于100微米且表面粗糙度不大于Ral. 6。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述硬脆性材料微细通孔的加工采用激光加工、钻削、铣削、镗削、电火花加工、离子束加工或电子束加工方法。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述研磨丝采用普通研磨丝或者特制研磨丝，在金属或非金属材料的细丝上电镀或涂镀金刚石粉或者研磨粉后制成特制研磨丝。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述研磨加工可以采用湿法研磨或干法研磨，其中湿法研磨在前后导轮加入研磨液或者在工件上面滴加研磨液，干法研磨使用特制研磨丝直接研磨或者在工件上方添加研磨粉使用细丝直接研磨。
6.如权利要求1-4中的一项所述的方法，其特征在于，所述加工方法还可以用于多种材料，加工尺度也不限于微米尺度。
7.如权利要求1-4中的一项所述的方法，其特征在于，所述加工方法还可以加工圆形通孔、异形通孔、锥度孔、带径向起伏的特殊锥孔或贯通式的异形微结构。
8.一种硬脆性材料微细通孔加工装置，包括激光器(1)、三维移动装夹工作台O)、前导轮(4)、研磨丝( 、前丝盘(6)、研磨丝夹紧导丝装置(7)、对准导丝装置支架(8)、后丝盘 (9)、后导轮(10)、可移动孔径检测及实时观测显微镜(11)、工控机(12)，研磨丝(5)工作部分移动方向为铅直上下，三维移动装夹工作台( 水平放置，中间装夹工件部位有通孔保证研磨丝( 穿过，工件C3)装夹在工作台( 上方，研磨丝夹紧导丝装置(7)固定在对准导丝装置支架(8)上部，方向沿着研磨丝(5)向上，研磨丝夹紧导丝装置(7)和对准导丝装置支架(8)置于三维移动装夹工作台( 下方，后导轮(10)固定在对准导丝装置支架(8) 下方，后丝盘(9)和前丝盘(6)安放在适当位置，研磨丝( 缠绕在其上，前导轮固定在工件C3)上方，可移动孔径检测及实时观测显微镜(11)位于三维移动装夹工作台(2)下方倾斜放置，观测范围为工件C3)的微细孔附近，工控机(1 与各个部件相连，以实现整体控制。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述硬脆性材料的孔径小于100微米且表面粗糙度不大于Ral. 6。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述装置可以与超声加工设备组成微细通孔的激光与超声细丝研磨或激光与超声细丝抛光复合加工装置。
全文摘要
一种针对硬脆性材料微米级(小于100微米)孔径加工并使其具有高质量孔壁及边缘的复合加工方法，先在待加工硬脆材料上指定位置用特定激光束加工出毛坯孔，然后将特种研磨丝穿入待研磨毛坯孔内，用工控机控制研磨丝纵向往复移动和装夹工件的工作台运动来实现加工操作，加工期间使用观测显微镜检测微孔的效果直至达到所需高质量的孔壁及边缘。本发明还提出一种硬脆性材料微细通孔加工装置。
文档编号B24B37/02GK102172883SQ201110065069
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者张宏志, 李春奇, 杨立军, 王扬 申请人:哈尔滨工业大学