陶瓷齒輪皮秒激光高精加工研究
發(fā)布時間：2021-11-01 01:01
從解決陶瓷齒輪加工困難的實際應用需求出發(fā),系統研究1064nm皮秒激光的輸出功率、掃描速度、掃描次數、掃描線間距等工藝參數對陶瓷切削深度、寬度和表面粗糙度的影響;結合齒輪結構的幾何特征,采用將柱狀工件的曲面加工轉換成平面加工的方法,完成了不同齒形（直齒、斜齒）陶瓷齒輪的激光直接高精制造,齒面平均粗糙度Ra≤2μm,加工效率高,可適用于不同材質齒輪類復雜構型零件的加工。
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章頁數】：7 頁
【部分圖文】：
掃描50次時切削平行線間距對切削深度和切削表面粗糙度的影響
實驗材料為AlN圓柱陶瓷，其直徑為3 mm,AlN的質量分數為99%。所用激光器為中心波長1064nm（光譜寬度為0.1～0.15nm）的皮秒激光器，激光脈寬約為10ps，光束質量因子M2約為1.2，重復頻率在0.2～20 MHz范圍內可調，最大輸出功率可達100 W，聚焦光斑直徑為20μm。系統集成配備的是X-Y-Z三軸加工平臺，針對所研究的圓柱狀原材料，設計了一套帶有主動旋轉軸的工裝夾具，利用中達電通公司生產的ECMA伺服電機及ASDA伺服驅動器實現驅動。如圖1所示，陶瓷圓柱工件的旋轉軸R軸固定，且R軸中心與陶瓷圓柱工件圓心重合，以保證陶瓷圓柱工件旋轉時的準確度。R軸的軸向平行于XY工作面，激光束由上方沿Z軸通過振鏡垂直入射，掃描方向與圓柱工件軸向方向平行。當柱狀工件沿R軸旋轉時，總有頂側外切面與激光束垂直相交，此時可視微齒輪頂視形貌為周期性、等間距的盲槽[圖1 (b），其中pa為齒頂圓開口，s為齒厚度，ha為齒頂高，hf為齒根高]，并且每個盲槽在某一時刻可關于基準軸的投影線對稱，由此柱狀工件的曲面加工轉換成平面加工，采用等間距平行線填充的加工策略實現齒槽材料的激光切削。樣品的切削尺寸（深度和寬度）和切削表面粗糙度由Olympus OLS-3100型激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）測量獲得，其中粗糙度的測量選用面粗糙度測量方式，測量區(qū)域均勻分布在切削面內，每次測量范圍為3μm×3μm，多次（≥3次）測量取平均值作為比較值。采用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）對加工區(qū)域表面的微觀形貌進行觀察分析。
基于本課題組之前對皮秒激光刻蝕陶瓷的研究工作及陶瓷的本征介電特性和較差的導熱特性，首先選擇在低重復頻率時的最大激光輸出功率條件下研究激光對材料的刻蝕效果。本實驗選用的激光源在200kHz低重復頻率下的最大激光功率為27W，在此條件下設置激光掃描速度分別為100,200,500,1000,2000mm/s，掃描次數分別為1次、10次、20次、50次，測得的不同激光參數對AlN陶瓷切削深度及寬度的影響如圖2 (a）所示。由圖2(a）可知，在激光功率一定的情況下，不同掃描速度的切削深度均隨掃描次數的增加而增大。當激光掃描速度大于500mm/s時，隨著掃描次數的增加，掃描速度越快，切削深度增長則越慢，說明掃描速度過快時，激光光斑重疊率Rol[Rol=(2ω0-v/f）/2ω0，其中v為掃描速度，ω0為聚焦激光半徑，f為激光頻率]減小，即材料單位面積內吸收的激光能量隨光斑能量重疊率減小而減少，從而導致切削深度值變小。當掃描速度為500mm/s和1000mm/s時，切削寬度隨著激光掃描次數的增加而增大，但當掃描次數為50次時，切削寬度變窄，說明此時切削寬度接近極限。這是因為脈沖能量在空間上呈高斯分布而非均勻分布，能量較高的光斑中心直接去除輻照區(qū)域的材料。隨著掃描次數的增加，光斑中心對應區(qū)域的溫度不斷升高，使得材料熔融甚至氣化，而能量較低的光斑邊緣區(qū)域對應的材料輻照區(qū)域溫度較低，熔融或氣化物質會在溫度梯度引起的表面張力梯度或氣化反沖壓力的共同作用下被去除。最后，熔化物質在切削邊緣區(qū)域凝固形成重鑄層，使得切削寬度變窄。當掃描速度小于500 mm/s，光斑能量重疊率高，材料單位面積內吸收的激光總能量高，并隨著掃描次數的增加而增大，材料較易熔融乃至氣化，并在較大的表面張力梯度或氣化反沖壓力的作用下遠離切削區(qū)域，故不會造成切削寬度減小。當掃描速度大于500mm/s時，光斑能量重疊率降低，材料單位面積內吸收的激光總能量相對于低掃描速度（<500mm/s）時較低，即使增加掃描次數，材料的熔融或氣化效應也會明顯低于低掃描速度時的熔融或氣化效應，且由溫度梯度引起的表面張力梯度效應為材料去除的主要形式，較易導致熔融物質在切削邊緣區(qū)域再次微熔凝，這種微熔凝會隨掃描次數的增加而出現累積，導致切削寬度變窄。綜合考慮切削效果和效率，發(fā)現當掃描次數為50次時，切削寬度接近極限且獲得最大的切削深度。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]高性能精密制造方法及其研究進展[J]. 郭東明,孫玉文,賈振元. 機械工程學報. 2014(11)
[2]皮秒激光工程應用研究現狀與發(fā)展分析[J]. 季凌飛,凌晨,李秋瑞,吳燕,閆胤洲,鮑勇,蔣毅堅. 機械工程學報. 2014(05)
[3]Al2O3陶瓷的激光三維雕刻實驗研究[J]. 王成,曾曉雁. 激光技術. 2007(01)
本文編號：3469213
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章頁數】：7 頁
【部分圖文】：
掃描50次時切削平行線間距對切削深度和切削表面粗糙度的影響
實驗材料為AlN圓柱陶瓷，其直徑為3 mm,AlN的質量分數為99%。所用激光器為中心波長1064nm（光譜寬度為0.1～0.15nm）的皮秒激光器，激光脈寬約為10ps，光束質量因子M2約為1.2，重復頻率在0.2～20 MHz范圍內可調，最大輸出功率可達100 W，聚焦光斑直徑為20μm。系統集成配備的是X-Y-Z三軸加工平臺，針對所研究的圓柱狀原材料，設計了一套帶有主動旋轉軸的工裝夾具，利用中達電通公司生產的ECMA伺服電機及ASDA伺服驅動器實現驅動。如圖1所示，陶瓷圓柱工件的旋轉軸R軸固定，且R軸中心與陶瓷圓柱工件圓心重合，以保證陶瓷圓柱工件旋轉時的準確度。R軸的軸向平行于XY工作面，激光束由上方沿Z軸通過振鏡垂直入射，掃描方向與圓柱工件軸向方向平行。當柱狀工件沿R軸旋轉時，總有頂側外切面與激光束垂直相交，此時可視微齒輪頂視形貌為周期性、等間距的盲槽[圖1 (b），其中pa為齒頂圓開口，s為齒厚度，ha為齒頂高，hf為齒根高]，并且每個盲槽在某一時刻可關于基準軸的投影線對稱，由此柱狀工件的曲面加工轉換成平面加工，采用等間距平行線填充的加工策略實現齒槽材料的激光切削。樣品的切削尺寸（深度和寬度）和切削表面粗糙度由Olympus OLS-3100型激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）測量獲得，其中粗糙度的測量選用面粗糙度測量方式，測量區(qū)域均勻分布在切削面內，每次測量范圍為3μm×3μm，多次（≥3次）測量取平均值作為比較值。采用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）對加工區(qū)域表面的微觀形貌進行觀察分析。
基于本課題組之前對皮秒激光刻蝕陶瓷的研究工作及陶瓷的本征介電特性和較差的導熱特性，首先選擇在低重復頻率時的最大激光輸出功率條件下研究激光對材料的刻蝕效果。本實驗選用的激光源在200kHz低重復頻率下的最大激光功率為27W，在此條件下設置激光掃描速度分別為100,200,500,1000,2000mm/s，掃描次數分別為1次、10次、20次、50次，測得的不同激光參數對AlN陶瓷切削深度及寬度的影響如圖2 (a）所示。由圖2(a）可知，在激光功率一定的情況下，不同掃描速度的切削深度均隨掃描次數的增加而增大。當激光掃描速度大于500mm/s時，隨著掃描次數的增加，掃描速度越快，切削深度增長則越慢，說明掃描速度過快時，激光光斑重疊率Rol[Rol=(2ω0-v/f）/2ω0，其中v為掃描速度，ω0為聚焦激光半徑，f為激光頻率]減小，即材料單位面積內吸收的激光能量隨光斑能量重疊率減小而減少，從而導致切削深度值變小。當掃描速度為500mm/s和1000mm/s時，切削寬度隨著激光掃描次數的增加而增大，但當掃描次數為50次時，切削寬度變窄，說明此時切削寬度接近極限。這是因為脈沖能量在空間上呈高斯分布而非均勻分布，能量較高的光斑中心直接去除輻照區(qū)域的材料。隨著掃描次數的增加，光斑中心對應區(qū)域的溫度不斷升高，使得材料熔融甚至氣化，而能量較低的光斑邊緣區(qū)域對應的材料輻照區(qū)域溫度較低，熔融或氣化物質會在溫度梯度引起的表面張力梯度或氣化反沖壓力的共同作用下被去除。最后，熔化物質在切削邊緣區(qū)域凝固形成重鑄層，使得切削寬度變窄。當掃描速度小于500 mm/s，光斑能量重疊率高，材料單位面積內吸收的激光總能量高，并隨著掃描次數的增加而增大，材料較易熔融乃至氣化，并在較大的表面張力梯度或氣化反沖壓力的作用下遠離切削區(qū)域，故不會造成切削寬度減小。當掃描速度大于500mm/s時，光斑能量重疊率降低，材料單位面積內吸收的激光總能量相對于低掃描速度（<500mm/s）時較低，即使增加掃描次數，材料的熔融或氣化效應也會明顯低于低掃描速度時的熔融或氣化效應，且由溫度梯度引起的表面張力梯度效應為材料去除的主要形式，較易導致熔融物質在切削邊緣區(qū)域再次微熔凝，這種微熔凝會隨掃描次數的增加而出現累積，導致切削寬度變窄。綜合考慮切削效果和效率，發(fā)現當掃描次數為50次時，切削寬度接近極限且獲得最大的切削深度。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]高性能精密制造方法及其研究進展[J]. 郭東明,孫玉文,賈振元. 機械工程學報. 2014(11)
[2]皮秒激光工程應用研究現狀與發(fā)展分析[J]. 季凌飛,凌晨,李秋瑞,吳燕,閆胤洲,鮑勇,蔣毅堅. 機械工程學報. 2014(05)
[3]Al2O3陶瓷的激光三維雕刻實驗研究[J]. 王成,曾曉雁. 激光技術. 2007(01)
本文編號：3469213
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