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CN110587155A - 一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置及其使用方法 - Google Patents

一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置及其使用方法 Download PDF

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白娟娟
汪连元
陈抗抗
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Wuhan Anyang Laser Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置及其使用方法，所述用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置包括：激光器、旋转波片、第一等效透镜、二维光束旋光系统、第二透镜、外控电机及软件系统、XYZ电动平移台。所述激光器为飞秒激光器；所述旋转波片为置于转速可控的旋转中空电机的可旋转波片，旋转波片高速运动可将所述激光器发出的线偏振光在空间内变为近圆偏振光；所述第一等效透镜是一种可调的扩束镜结构；所述旋光系统可以调节光束的切割孔径；所述第二透镜用于将光束聚焦；所述XYZ电动平移台用于放置待加工工件以及调整激光高度。本发明的有益效果是：材料适用强、切割精准、噪声小无污染，有很高的工业价值。

Description

一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置及其使用方法。
背景技术
如图1所示，在注塑模具产业中，经常需要加工倒锥度孔或者槽，或者增加一些隐形穿透孔(包覆后不可见，而且不影响骨架强度)来增大注塑材料A与A之间由内部的原子或分子之间的结合力而产生的聚合力；或者是增大注塑材料A与B之间由两种材料之间通过分子相互作用而产生的粘附力，从而提高注塑产品的质量，进而延长其使用寿命。目前已有多种加工倒锥度孔的方法，如冲床、火焰切割、高压水切割、等离子体切割等，不过冲床方法难以加工厚度大、硬度高的材料，而且具有模具损坏率高、模具开发周期长，噪音大、不环保的缺点；火焰切割方法热变形大、切缝宽，仅适用于加工质量要求不高的粗加工；高压水切割方法污染严重，同样不环保。除此之外，以上方法还具有工序繁琐、工艺复杂的缺点。
相比较传统的切割方法，激光加工材料适应性强、柔性化程度高，属于非接触式加工，且具有无刀具磨损、加工噪声低、热变形极弱、切割精度非常高的优点。然而一般的激光器输出为基模，其光束在传输方向的横截面呈现出光强的高斯分布，如图2所示，即表现为中间强、周边逐渐减弱的分布。因此，利用高斯辐照度分布的激光进行孔或者槽加工时，由于中间区域和边缘区域的光强的大小不同，或出现中间区域预先达到合适的能量密度进行物质加工，而边缘区域能量密度不足导致边缘易产生熔融现象以及中间区域去除率大于边缘区域去除率，将产生去除区域呈正锥度等现象，具体表现为上孔径大、下孔径小的特点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于形成倒锥度孔或者倒锥度槽的激光加工装置及其使用方法，解决激光加工倒锥度孔技术复杂和注塑行业中由于基底材料与注塑材料的吸附作用力低导致应用难的问题。
本发明提供的一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，具体包括：激光器、旋转波片、第一等效透镜、二维光束反射机构、旋光系统、第二透镜、XYZ电动平移台，所述激光器用于输出激光，所述旋转波片、第一等效透镜、旋光系统、第二透镜以及XYZ电动平移台依次沿着激光的传输路径放置；所述第一等效透镜为可调的扩束镜结构，所述第一等效透镜将激光光束扩成平行光束；所述二维光束反射机构将平行光束反射进入旋光系统；所述旋光系统包括振镜和相背布置的第一楔棱镜、第二楔棱镜；所述第一楔棱镜和第二楔棱镜与第二透镜的中心轴重合；所述第一楔形棱镜和第二楔棱镜与所述振镜相连，调节第一楔棱镜、第二楔棱镜的相对距离可以控制光线偏离轴线的角度，进而控制倒锥度孔切割锥度；所述旋光系统与第二透镜均固定在XYZ电动平移台的Z轴之上，可随XYZ电动平移台的Z轴上下移动，实现三维空间螺旋式切割。
进一步，所述旋转波片放置在一旋转中空电机的中空部的上方，所述旋转中空电机转动带动旋转波片运动，所述旋转波片运动将所述激光器发出的线偏振光在空间内变为近圆偏振光。
进一步，所述旋转波片为半波片或四分之一波片。
进一步，所述第一等效透镜包括第一聚焦镜和第二聚焦镜；所述第一聚焦镜具有负的焦距f′1，焦距f′1范围是-10～-1000mm；所述第二聚焦镜具有正的焦距f′2，焦距f′2范围是10～1000mm；所述第一聚焦镜与第二聚焦镜的焦距之比表示为：M的取值范围是2～10。
进一步，所述二维光束反射机构的通光口径大于所述平行光束的直径。
进一步，所述第二透镜具有正的焦距f′3，焦距f′3范围是1～1000mm；所述第二透镜聚焦经过旋光系统的特定偏转角度的光束。
所述用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在待加工工件的加工之前先利用光电检测器CCD(charge coupleddevice)检测第二透镜的焦点位置，利用外控电机及软件系统设置所需加工孔径大小及加工轨迹；
步骤2：根据待加工工件选择合适的激光加工工艺参数；
步骤3：将待加工工件放置在XYZ电动平移台上，激光器发出的激光束经旋转波片改变偏振态、第一等效透镜拓宽、旋光系统调节、第二透镜聚焦输出，之后XYZ电动平移台通过调节Z轴使光束聚焦在待加工工件的表面。
附图说明
图1是注塑行业中正锥度孔与倒锥度孔两种情况下基底材料和注塑材料的结合示意图；
图2是现有技术高斯激光光强分布示意图；
图3是本发明一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的光路原理示意图；
图4是本发明一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的第一等效透镜结构图；
图5是本发明一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的旋光系统结构图；
图6是本发明一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的切割示意图；
图7是本发明一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的三维螺旋式切割轨迹。
附图标记：1-激光器；2-旋转波片；3-第一等效透镜；31-第一聚焦镜；32-第二聚焦镜；4-二维光束反射机构；5-旋光系统；51-振镜；52-第一楔棱镜；53-第二楔棱镜；6-第二透镜；7-待加工工件；8-XYZ电动平移台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图3，本发明的实施例提供了一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，包括：激光器1、旋转波片2、第一等效透镜3、二维光束反射机构4、旋光系统5、第二透镜6、待加工工件7、XYZ电动平移台8。激光器1发出高斯激光束，在经过高速运动的旋转波片2后，高斯光束的偏振态由偏振态转变为近圆偏振态；接着近圆偏振态激光束经过第一等效透镜3扩成更宽的平行光束，用于辅助调节聚焦光斑大小且使激光光斑光强均匀分布；之后平行光束经二维光束反射机构4反射进入旋光系统5，输出可控孔径大小、可控锥度及可控孔形加工所需的旋光光束；最后旋光光束经第二透镜6实现聚焦，输出用于加工工件的聚焦光斑。
实施例中激光器1采用的是飞秒激光器，脉宽为400fs～1ps。
参考图4，第一等效透镜3是一种可调的扩束镜结构，包括第一聚焦镜31和第二聚焦镜32，第一聚焦镜31具有负的焦距f′1，焦距f′1范围是-10～-1000mm；第二聚焦镜32具有正的焦距f′2，焦距f′2范围是10～1000mm；第一聚焦镜31与第二聚焦镜32的焦距之比表示为：M的取值范围在2～10之间，具体的数值是根据激光加工所需聚焦光斑来确定；另外，第一等效透镜3的等效焦距表示为：其中L12表示第一聚焦镜31与第二聚焦镜32的相对距离。
二维光束反射机构4的通光口径必须大于经过第一等效透镜拓宽之后的平行光束的直径，此二维光束反射机构4的通光口径根据M得到。
第二透镜6具有正的焦距f′3，焦距f′3的范围是1～1000mm。
参考图5和图6，旋光系统5包括振镜51和两片相背布置的第一楔棱镜52、第二楔棱镜53。振镜51与外控电机及软件系统相连，通过外控电机及软件系统可以设定倒锥度孔上表面尺寸，可使光束偏离轴线一定位移，进而控制倒锥度孔的上表面直径，实现不同孔径加工。振镜51的扫描速度高达4000mm/s～5000mm/s，在其高速运动下，光束将绕轴线做圆周运动。此外，第一楔棱镜52、第二楔棱镜53与振镜51相连，通过调节第一楔棱镜52和第二楔棱镜53的相对距离可以控制光线偏离轴线的角度，进而控制倒锥度孔切割锥度，实现不同的锥度加工。
第一楔棱镜52和第二楔棱镜53与第二透镜6的中心轴重合，以保证光束继续沿着原来的路线传输。
参考图7，旋光系统5与第二透镜6均固定在XYZ电动平移台8的Z轴控制台之上，可随着XYZ电动平移台8的Z轴整体上下移动，从而实现三维空间螺旋式切割。
本发明的实施例还提供了用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的使用方法，其具体步骤为：
步骤1：在待加工工件7加工之前，利用光电检测器CCD检测第二透镜6的焦点位置，利用与振镜51相连的外控电机及软件系统设置所需加工孔径的大小、加工轨迹。
步骤2：根据待加工工件7选择合适的激光加工工艺参数，包括：激光波长、频率、脉宽、脉冲能量、聚焦光斑大小、XYZ电动平移台8的X、Y、Z轴的移动速度以及光束倾斜角度等。
步骤3：将待加工工件7放置在XYZ电动平移台8上，激光束经旋转波片2转变偏振态、第一等效透镜3扩宽、二维光束反射机构4反射、旋光系统5调节、第二透镜6聚焦输出之后，通过调节XYZ电动平移台8的Z轴使光束聚焦在待加工工件7的表面进行激光加工。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，其特征在于，包括：激光器、旋转波片、第一等效透镜、二维光束反射机构、旋光系统、第二透镜、XYZ电动平移台，所述激光器用于输出激光，所述旋转波片、第一等效透镜、旋光系统、第二透镜以及XYZ电动平移台依次沿着激光的传输路径放置；所述第一等效透镜为可调的扩束镜结构，所述第一等效透镜将激光光束扩成平行光束；所述二维光束反射机构将平行光束反射进入旋光系统；所述旋光系统包括振镜和相背布置的第一楔棱镜、第二楔棱镜；所述第一楔棱镜和第二楔棱镜与第二透镜的中心轴重合；所述第一楔形棱镜和第二楔棱镜与所述振镜相连，调节第一楔棱镜、第二楔棱镜的相对距离可以控制光线偏离轴线的角度，进而控制倒锥度孔切割锥度；所述旋光系统与第二透镜均固定在XYZ电动平移台的Z轴之上，可随XYZ电动平移台的Z轴上下移动，实现三维空间螺旋式切割。
2.根据权利要求1所述的一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，其特征在于：所述旋转波片放置在一旋转中空电机的中空部的上方，所述旋转中空电机转动带动旋转波片运动，所述旋转波片运动将所述激光器发出的线偏振光在空间内变为近圆偏振光。
3.根据权利要求2所述的一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，其特征在于：所述旋转波片为半波片或四分之一波片。
4.根据权利要求1所述的一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，其特征在于：所述第一等效透镜包括第一聚焦镜和第二聚焦镜；所述第一聚焦镜具有负的焦距f′1，焦距f′1范围是-10～-1000mm；所述第二聚焦镜具有正的焦距f′2，焦距f′2范围是10～1000mm；所述第一聚焦镜与第二聚焦镜的焦距之比表示为：M的取值范围是2～10。
5.根据权利要求1所述的一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，其特征在于：所述二维光束反射机构的通光孔径大于所述平行光束的直径。
6.根据权利要求1所述的一种用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置，其特征在于：所述第二透镜具有正的焦距f′3，焦距f′3范围是1～1000mm；所述第二透镜聚焦经过旋光系统的特定偏转角度的光束。
7.权利要求1至权利要求6任意一项所述的用于切割倒锥度孔或槽的激光加工装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在待加工工件的加工之前先利用光电检测器CCD检测第二透镜的焦点位置，利用外控电机及软件系统设置所需加工孔径大小及加工轨迹；
步骤2：根据待加工工件选择合适的激光加工工艺参数；
步骤3：将待加工工件放置在XYZ电动平移台上，激光器发出的激光束经旋转波片改变偏振态、第一等效透镜拓宽、二维光束反射机构反射、旋光系统调节、第二透镜聚焦输出，之后XYZ电动平移台通过调节Z轴使光束聚焦在待加工工件的表面。
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