专利名称：微弹簧的激光加工方法
技术领域：
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种利用激光加工微弹簧的方法。
背景技术：
微弹簧是指螺旋外径在1mm以下的小弹簧，以区别于一般宏(Macro)，即传统的、大于1mm尺度的弹簧。随着精密仪器的发展，航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事等领域对尺寸小、重量轻、刚度大的微弹簧的需求量越来越大，对微弹簧的加工工艺也提出了新的挑战。
传统的制造弹簧的技术为卷绕技术，弹簧的卷绕方法又可分为冷卷和热卷，这种方法的缺点是一般只适合做大弹簧(外径在毫米级以上)，并且对于塑性不好的材料难以加工。美国肯尼福集团公司的微弹簧冷挤压机，采取上下两个模具冷滚轧挤压一条极细的金属线而成型的技术，可得到的最小螺旋式弹簧线外径达25微米。较传统技术加工精度虽然有了很大提高，但是这种技术可以加工的材料仍然有限，比如对于非晶合金材料，由于其硬度大，易磨损滚压机器，由于其塑性形变小、脆性大，用滚压的方法加工易断。
微弹簧制作目前的主流技术是MEMS技术-微机械电子系统技术，常用的制作MEMS器件的技术主要有三种。第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件，此方法只适用于硅材料；第二种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X射线或者紫外光刻方法制作模具，然后通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法；第三种是以美国为代表的EFAB加工技术，采用“实时掩模”(Instant Masking)的高速选择性电沉积方法，顺次在镂空的模版上沉积上多层金属薄层，去掉牺牲层金属后，得到金属微结构。前两种技术制作微弹簧的最大缺点是只能制造有一定深度的平面弹簧，而不能制造螺旋式弹簧。第三种技术因为会破坏体材料特性，不适合非晶合金等特殊材料的加工。
目前对于高强度微弹簧的生产有很大的需求，而非晶合金是生产这种高强度微弹簧的重要材料，但是由于目前能够大量生产的非晶合金强度大、塑性极小，很难用以上方法加工成弹簧。本发明主要是针对怎样将非晶合金材料制成弹簧而产生的，激光加工是一种能束加工方法，具有亮度高、方向性好和单色性好的相干光，因此在理论上可聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上。焦点处的功率密度可达107～1011W/cm2，温度可高达万度以上。激光加工就是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化或直接气化，并产牛很强的冲击波，使被熔化火气化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去除。激光加工为非接触式加工，因此速度快、无噪声，可实现各种复杂形状的高精度加工目的，且无通常意义上的“刀具”磨损，无需更换“刀头”。所以激光加工可克服非晶材料硬度大、脆性大带来的加工困难，可用来制作非晶合金螺旋式弹簧，但本方法不限于非晶合金，同样可以用于其它制造弹簧的材料，如金属、金属合金等。
发明内容
本发明的目的是提供一种用激光加工微弹簧的方法，其包括如下步骤1.制作半径在微米至毫米(1μm～1mm)量级的圆柱或圆锥等形状模具，再用成膜方法用微弹簧材料在模具表面制膜(厚度5nm～500μm)；2.控制模具沿轴向的前进运动及绕轴的旋转运动，或者模具只作旋转运动而使激光器聚焦光斑沿模具轴线前进，使激光器发出的激光光斑聚焦在微弹簧材料上，控制激光器的输出功率及聚焦光斑大小，从而在微弹簧材料上刻出具有一定宽度的螺旋状镂空线；3.激光加工完毕后将内部模具去除，即可得到所需微弹簧。
本专利所述方法摆脱了现行公开的微弹簧加工技术所受的对加工材料的限制，可以进行三维螺旋加工，因为激光(只要功率足够大)可以实现对各种材料的切削加工，所以可以加工硬度很大的材料，而且因为不涉及到拉伸、弯曲等操作，对于塑性小的材料也可以加工。此方法的另一优点是能够保持微弹簧体材料特性，使材料不因融化、拉伸等操作而改变体特性。
以上方法中所涉及的模具可以使用的材料要求能够加工成直径为1μm到1mm的柱状材料，并且与表面镀膜材料的性质不同，能够通过一定方法去除模具，而保留表面膜层。根据情况，模具材料可选用高分子聚合物、石英、陶瓷、玻璃或者金属等，但不限于这些材料。表面膜层可选用的材料为制作弹簧所需材料，如金属、合金、非晶合金等。制膜方法对于非晶合金材料可以通过真空热蒸镀方法(参考“非晶硒合金膜的制备方法研究”孔玮曼，电子元件与材料Vol.25，No.7，Jul 2006)，或者电镀方法(参考“Fe-W非晶态合金镀膜技术及其最佳制备条件的研究”，王峰，化工进展，Vol.18 No.6 1999)在磨具外成膜，这两种方法已经比较成熟。成膜方法的关键是将材料制成中空的桶状或锥状，膜厚度根据所需弹簧线径决定，制备样品方法不限于镀膜。也可采用其他方法，只要得到所需形状即可。去除模具可以根据模具材料与成膜材料特性采用化学腐蚀、溶剂溶解、高温融化等方法实现，但不限于这些方法。只要能够在不损伤外部膜层的情况下去除内部模具材料即可。
微弹簧激光加工成型步骤中，可选用的激光器种类很多，包括连续波(CW)激光和脉冲激光，需要光斑可聚焦到微米甚至纳米量级。，可根据弹簧的微小程度决定所选用的激光器。若所需弹簧线径大于100μm，可使用CO2激光器。UV-YAG激光器，光斑可聚焦到小于10μm，适合于线径为10μm至mm级的加工。另外还可使用准分子激光器和功率很高的光纤激光器，如果加工要求线径小于10μm，甚至到纳米量级，则可选用飞秒激光器。
图1本专利所述的一种微弹簧激光加工装置示意图；其中图(1)为该装置的主视图，图(2)为图(1)A-A的侧切图。
如图所示，各部件名称依次为激光切铣装置(激光光源)1、工控机2、微机电系统3、微夹持装置4、微弹簧材料及模具5、计算机图象识别装置6。
微弹簧激光加工成型装置中激光切铣装置1与工控机2相连，工控机2接微机电系统3，微机电系统3控制微夹持装置4，微夹持装置4夹住微弹簧材料及模具5，计算机图象识别装置6与工控机2相连。
具体实施例方式
实施例1下面以UV-YAG激光器加工非晶As-Se合金螺旋形微弹簧为例对本专利所述方法加以说明。
首先用聚甲基丙烯酸甲酯棒制成圆柱状模具，直径50μm，长2cm。再由真空蒸镀法在模具上镀一层20μm厚的非晶As-Se合金膜。将圆柱状模具固定在微夹持装置上4。
如图1所示，从UV-YAG激光器输出的激光，首先通过一个可变光学衰减片来调节激光功率；再利用一个透镜组将光线聚集到要加工的微弹簧材料表面。待加工模具由微夹持装置4夹住，微夹持装置4由微电机系统控制3，使模具及微弹簧材料沿模具轴线作前进运动并同时作沿轴线的旋转运动，激光所照射到的微弹簧膜材料气化，从而实现微弹簧材料的加工。
此例使用UV-YAG激光器，波长为1.06μm，震荡模式TEM00，聚光透镜焦距25mm，平均输出功率3.5W，脉冲宽度120ns，峰值输出功率29.1KW。光束聚焦直径为20μm。样品前进的速度为0.4mm/s，转动速度为10转/s，这样可以刻出弹簧丝径为20μm螺旋形镂空。加工完毕后，将样品取下，放入氯仿溶剂中，中间的聚甲基丙烯酸甲酯模具即可溶解，剩下一个弹簧丝线径20μm、外径70μm的螺旋形非晶As-Se合金弹簧。
如图1所示，在微弹簧材料及模具5的上端和下端采用两个微夹持装置4，此微夹持装置4需要具有良好的微尺度夹持并保持微弹簧材料及模具5的非变形，通过微机电系统3对微弹簧材料及模具5的几何三维空间运动进行控制，由工控机2对微机电系统3和激光光源1进行自动化控制，从而完成微弹簧材料5的激光切铣，还可以利用计算机图象识别装置6实时跟踪和监控产品的三维空间几何形状和精度。
操作过程是激光切铣装置1开启，由工控机2控制微机电系统3及微夹持装置4，微夹持装置4夹住微弹簧材料和模具5，进行预先设定的三维空间几何运动，这样就实现了对微弹簧材料的激光切铣，由计算机图象识别装置6通过工控机2实时跟踪和监控产品的三维空间几何形状和精度。并且，由于激光切铣装置1和微夹持装置4是分别控制的，所以切铣速度的调控可自由实现。
权利要求
1.一种用激光加工微弹簧的方法，其包括如下步骤1)制作半径在微米至毫米量级的圆柱或圆锥形状模具，再用成膜方法用微弹簧材料在模具表面制膜；2)控制模具沿轴向的前进运动及绕轴的旋转运动，或者模具只作旋转运动而使激光器聚焦光斑沿模具轴线前进，使激光器发出的激光光斑聚焦在微弹簧材料上，控制激光器的输出功率及聚焦光斑大小，从而在微弹簧材料上刻出螺旋状镂空线；3)激光加工完毕后将内部模具去除，即可得到所需微弹簧。
2.如权利要求1所述的一种用激光加工微弹簧的方法，其特征在于模具材料为高分子聚合物、石英、陶瓷、玻璃或者金属。
3.如权利要求1所述的一种用激光加工微弹簧的方法，其特征在于微弹簧材料为金属、合金或非晶合金。
4.如权利要求1所述的一种用激光加工微弹簧的方法，其特征在于内部模具去除采用化学腐蚀、溶剂溶解或高温融化的方法。
5.如权利要求1-4任何一项所述的种用激光加工微弹簧的方法，其特征在于该方法是由激光加工成型装置完成，该装置包括激光切铣装置(1)、工控机(2)、微机电系统(3)、微夹持装置(4)、微弹簧材料及模具(5)、计算机图象识别装置(6)，激光切铣装置(1)与工控机(2)相连，工控机(2)接微机电系统(3)，微机电系统(3)控制微夹持装置(4)，微夹持装置(4)夹住微弹簧材料及模具(5)，计算机图象识别装置(6)与工控机(2)相连。
全文摘要
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种利用激光加工微弹簧的方法。首先制作半径在微米至毫米量级的圆柱或圆锥等形状模具，再用成膜方法用微弹簧材料在模具表面制膜；然后使模具沿轴向的前进及绕轴的旋转运动，使激光器发出的激光光斑聚焦在微弹簧材料上，或模具只作旋转运动而使激光器聚焦光斑沿模具轴线前进，控制激光器的输出功率及聚焦光斑大小，从而在微弹簧材料上刻出具有一定宽度的螺旋状镂空线；最后将内部模具去除，即可得到所需微弹簧。本专利方法摆脱了现行公开的微弹簧加工技术对加工材料的限制，可以进行三维螺旋加工，可以加工硬度很大的材料和塑性小的材料，能够保持微弹簧的体材料特性，使材料不因融化、拉伸等操作而改变体特性。
文档编号F16F1/04GK101025211SQ200710055469
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者孙洪波 申请人:吉林大学