陶瓷齿轮皮秒激光高精加工研究
发布时间：2021-11-01 01:01
从解决陶瓷齿轮加工困难的实际应用需求出发,系统研究1064nm皮秒激光的输出功率、扫描速度、扫描次数、扫描线间距等工艺参数对陶瓷切削深度、宽度和表面粗糙度的影响;结合齿轮结构的几何特征,采用将柱状工件的曲面加工转换成平面加工的方法,完成了不同齿形（直齿、斜齿）陶瓷齿轮的激光直接高精制造,齿面平均粗糙度Ra≤2μm,加工效率高,可适用于不同材质齿轮类复杂构型零件的加工。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
扫描50次时切削平行线间距对切削深度和切削表面粗糙度的影响
实验材料为AlN圆柱陶瓷，其直径为3 mm,AlN的质量分数为99%。所用激光器为中心波长1064nm（光谱宽度为0.1～0.15nm）的皮秒激光器，激光脉宽约为10ps，光束质量因子M2约为1.2，重复频率在0.2～20 MHz范围内可调，最大输出功率可达100 W，聚焦光斑直径为20μm。系统集成配备的是X-Y-Z三轴加工平台，针对所研究的圆柱状原材料，设计了一套带有主动旋转轴的工装夹具，利用中达电通公司生产的ECMA伺服电机及ASDA伺服驱动器实现驱动。如图1所示，陶瓷圆柱工件的旋转轴R轴固定，且R轴中心与陶瓷圆柱工件圆心重合，以保证陶瓷圆柱工件旋转时的准确度。R轴的轴向平行于XY工作面，激光束由上方沿Z轴通过振镜垂直入射，扫描方向与圆柱工件轴向方向平行。当柱状工件沿R轴旋转时，总有顶侧外切面与激光束垂直相交，此时可视微齿轮顶视形貌为周期性、等间距的盲槽[图1 (b），其中pa为齿顶圆开口，s为齿厚度，ha为齿顶高，hf为齿根高]，并且每个盲槽在某一时刻可关于基准轴的投影线对称，由此柱状工件的曲面加工转换成平面加工，采用等间距平行线填充的加工策略实现齿槽材料的激光切削。样品的切削尺寸（深度和宽度）和切削表面粗糙度由Olympus OLS-3100型激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）测量获得，其中粗糙度的测量选用面粗糙度测量方式，测量区域均匀分布在切削面内，每次测量范围为3μm×3μm，多次（≥3次）测量取平均值作为比较值。采用Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜（SEM）对加工区域表面的微观形貌进行观察分析。
基于本课题组之前对皮秒激光刻蚀陶瓷的研究工作及陶瓷的本征介电特性和较差的导热特性，首先选择在低重复频率时的最大激光输出功率条件下研究激光对材料的刻蚀效果。本实验选用的激光源在200kHz低重复频率下的最大激光功率为27W，在此条件下设置激光扫描速度分别为100,200,500,1000,2000mm/s，扫描次数分别为1次、10次、20次、50次，测得的不同激光参数对AlN陶瓷切削深度及宽度的影响如图2 (a）所示。由图2(a）可知，在激光功率一定的情况下，不同扫描速度的切削深度均随扫描次数的增加而增大。当激光扫描速度大于500mm/s时，随着扫描次数的增加，扫描速度越快，切削深度增长则越慢，说明扫描速度过快时，激光光斑重叠率Rol[Rol=(2ω0-v/f）/2ω0，其中v为扫描速度，ω0为聚焦激光半径，f为激光频率]减小，即材料单位面积内吸收的激光能量随光斑能量重叠率减小而减少，从而导致切削深度值变小。当扫描速度为500mm/s和1000mm/s时，切削宽度随着激光扫描次数的增加而增大，但当扫描次数为50次时，切削宽度变窄，说明此时切削宽度接近极限。这是因为脉冲能量在空间上呈高斯分布而非均匀分布，能量较高的光斑中心直接去除辐照区域的材料。随着扫描次数的增加，光斑中心对应区域的温度不断升高，使得材料熔融甚至气化，而能量较低的光斑边缘区域对应的材料辐照区域温度较低，熔融或气化物质会在温度梯度引起的表面张力梯度或气化反冲压力的共同作用下被去除。最后，熔化物质在切削边缘区域凝固形成重铸层，使得切削宽度变窄。当扫描速度小于500 mm/s，光斑能量重叠率高，材料单位面积内吸收的激光总能量高，并随着扫描次数的增加而增大，材料较易熔融乃至气化，并在较大的表面张力梯度或气化反冲压力的作用下远离切削区域，故不会造成切削宽度减小。当扫描速度大于500mm/s时，光斑能量重叠率降低，材料单位面积内吸收的激光总能量相对于低扫描速度（<500mm/s）时较低，即使增加扫描次数，材料的熔融或气化效应也会明显低于低扫描速度时的熔融或气化效应，且由温度梯度引起的表面张力梯度效应为材料去除的主要形式，较易导致熔融物质在切削边缘区域再次微熔凝，这种微熔凝会随扫描次数的增加而出现累积，导致切削宽度变窄。综合考虑切削效果和效率，发现当扫描次数为50次时，切削宽度接近极限且获得最大的切削深度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能精密制造方法及其研究进展[J]. 郭东明,孙玉文,贾振元. 机械工程学报. 2014(11)
[2]皮秒激光工程应用研究现状与发展分析[J]. 季凌飞,凌晨,李秋瑞,吴燕,闫胤洲,鲍勇,蒋毅坚. 机械工程学报. 2014(05)
[3]Al2O3陶瓷的激光三维雕刻实验研究[J]. 王成,曾晓雁. 激光技术. 2007(01)
本文编号：3469213
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
扫描50次时切削平行线间距对切削深度和切削表面粗糙度的影响
实验材料为AlN圆柱陶瓷，其直径为3 mm,AlN的质量分数为99%。所用激光器为中心波长1064nm（光谱宽度为0.1～0.15nm）的皮秒激光器，激光脉宽约为10ps，光束质量因子M2约为1.2，重复频率在0.2～20 MHz范围内可调，最大输出功率可达100 W，聚焦光斑直径为20μm。系统集成配备的是X-Y-Z三轴加工平台，针对所研究的圆柱状原材料，设计了一套带有主动旋转轴的工装夹具，利用中达电通公司生产的ECMA伺服电机及ASDA伺服驱动器实现驱动。如图1所示，陶瓷圆柱工件的旋转轴R轴固定，且R轴中心与陶瓷圆柱工件圆心重合，以保证陶瓷圆柱工件旋转时的准确度。R轴的轴向平行于XY工作面，激光束由上方沿Z轴通过振镜垂直入射，扫描方向与圆柱工件轴向方向平行。当柱状工件沿R轴旋转时，总有顶侧外切面与激光束垂直相交，此时可视微齿轮顶视形貌为周期性、等间距的盲槽[图1 (b），其中pa为齿顶圆开口，s为齿厚度，ha为齿顶高，hf为齿根高]，并且每个盲槽在某一时刻可关于基准轴的投影线对称，由此柱状工件的曲面加工转换成平面加工，采用等间距平行线填充的加工策略实现齿槽材料的激光切削。样品的切削尺寸（深度和宽度）和切削表面粗糙度由Olympus OLS-3100型激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）测量获得，其中粗糙度的测量选用面粗糙度测量方式，测量区域均匀分布在切削面内，每次测量范围为3μm×3μm，多次（≥3次）测量取平均值作为比较值。采用Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜（SEM）对加工区域表面的微观形貌进行观察分析。
基于本课题组之前对皮秒激光刻蚀陶瓷的研究工作及陶瓷的本征介电特性和较差的导热特性，首先选择在低重复频率时的最大激光输出功率条件下研究激光对材料的刻蚀效果。本实验选用的激光源在200kHz低重复频率下的最大激光功率为27W，在此条件下设置激光扫描速度分别为100,200,500,1000,2000mm/s，扫描次数分别为1次、10次、20次、50次，测得的不同激光参数对AlN陶瓷切削深度及宽度的影响如图2 (a）所示。由图2(a）可知，在激光功率一定的情况下，不同扫描速度的切削深度均随扫描次数的增加而增大。当激光扫描速度大于500mm/s时，随着扫描次数的增加，扫描速度越快，切削深度增长则越慢，说明扫描速度过快时，激光光斑重叠率Rol[Rol=(2ω0-v/f）/2ω0，其中v为扫描速度，ω0为聚焦激光半径，f为激光频率]减小，即材料单位面积内吸收的激光能量随光斑能量重叠率减小而减少，从而导致切削深度值变小。当扫描速度为500mm/s和1000mm/s时，切削宽度随着激光扫描次数的增加而增大，但当扫描次数为50次时，切削宽度变窄，说明此时切削宽度接近极限。这是因为脉冲能量在空间上呈高斯分布而非均匀分布，能量较高的光斑中心直接去除辐照区域的材料。随着扫描次数的增加，光斑中心对应区域的温度不断升高，使得材料熔融甚至气化，而能量较低的光斑边缘区域对应的材料辐照区域温度较低，熔融或气化物质会在温度梯度引起的表面张力梯度或气化反冲压力的共同作用下被去除。最后，熔化物质在切削边缘区域凝固形成重铸层，使得切削宽度变窄。当扫描速度小于500 mm/s，光斑能量重叠率高，材料单位面积内吸收的激光总能量高，并随着扫描次数的增加而增大，材料较易熔融乃至气化，并在较大的表面张力梯度或气化反冲压力的作用下远离切削区域，故不会造成切削宽度减小。当扫描速度大于500mm/s时，光斑能量重叠率降低，材料单位面积内吸收的激光总能量相对于低扫描速度（<500mm/s）时较低，即使增加扫描次数，材料的熔融或气化效应也会明显低于低扫描速度时的熔融或气化效应，且由温度梯度引起的表面张力梯度效应为材料去除的主要形式，较易导致熔融物质在切削边缘区域再次微熔凝，这种微熔凝会随扫描次数的增加而出现累积，导致切削宽度变窄。综合考虑切削效果和效率，发现当扫描次数为50次时，切削宽度接近极限且获得最大的切削深度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能精密制造方法及其研究进展[J]. 郭东明,孙玉文,贾振元. 机械工程学报. 2014(11)
[2]皮秒激光工程应用研究现状与发展分析[J]. 季凌飞,凌晨,李秋瑞,吴燕,闫胤洲,鲍勇,蒋毅坚. 机械工程学报. 2014(05)
[3]Al2O3陶瓷的激光三维雕刻实验研究[J]. 王成,曾晓雁. 激光技术. 2007(01)
本文编号：3469213
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