[发明专利]一种超声激光机械复合加工方法、超声波振动夹具、机床及激光器

说明书

本发明涉及一种超声激光机械复合加工方法、超声波振动夹具、机床及激光器，在待加工工件产生超声波振动的情况下，激光器产生的激光对待加工工件进行粗加工，激光加工使待加工工件上产生具有裂纹的损伤层，超声波振动用于增大损伤层的扩展，然后通过刀具对待加工工件进行精加工。超声波振动有利于激光对待加工工件烧蚀后熔滴的脱落，增加了待加工工件与激光的接触；激光烧蚀作用会导致待加工工件表面产生微裂纹的损伤层，在超声波振动的作用下，在微裂纹形成后由于高频振动的存在使材料内部应力释放更完全，稳定增大微裂纹的扩展，进而稳定扩大了损伤层的扩展，有利于刀具对加工工件精加工时材料的去除，降低切削力和刀具磨损，提升加工效率。

技术领域

本发明涉及对硬脆材料进行加工的方法技术领域，特别是涉及一种超声激光机械复合加工方法、超声波振动夹具、机床及激光器。

背景技术

以陶瓷、玻璃、蓝宝石等为代表的难加工硬脆材料，具有抗腐蚀、耐高温、抗磨损、硬度高、脆性大等特点广泛用于消费电子、半导体、模具、太阳能和航空航天等各个行业。

硬脆材料属于典型难加工材料，硬脆材料常用加工方式有磨削加工和铣削加工，磨削加工效率低，铣削加工加工质量差，而且两种加工方法，工件在刀具的作用下表面残余应力高，极易产生微观裂纹，导致表面和亚表面损伤比较严重。

采用激光对硬脆材料工件进行加工的方式，激光烧蚀作用会使工件产生热损伤，从而降低材料的力学性能，有利于机械加工进一步去除。但是，由于激光大功率加工损伤太大，会导致整个工件开裂，难以实现工件上的裂纹稳定扩展，无法保证损伤层的稳定扩大。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可以实现工件上裂纹稳定扩展，保证损伤层的稳定扩大的超声激光机械复合加工方法、超声波振动夹具、机床及激光器。

一种超声激光机械复合加工方法，包括以下步骤：

将待加工工件置于超声波振动夹具上，超声波振动夹具产生的超声波振动传递至待加工工件上，使待加工工件产生超声波振动；

在待加工工件产生超声波振动的情况下，激光器产生的激光对待加工工件进行粗加工，激光加工使待加工工件上产生损伤层，超声波振动用于增大损伤层的扩展；

通过刀具对待加工工件进行精加工。

在其中一个实施例中，在激光器对待加工工件进行粗加工之前，还包括：

根据待加工工件的材料特性和加工要求选择激光波长、脉宽及功率。

在其中一个实施例中，在确定好激光波长、脉宽及功率后，还包括：

根据激光加工中待加工材料的亚表面损伤特性确定超声波频率、超声波振幅调节范围，配合激光功率和扫描速度，实现超声和激光的匹配扩损。

在其中一个实施例中，在通过刀具对待加工工件进行精加工之前，还包括：

根据激光和超声波振动复合加工过程中待加工工件材料的亚表面损伤特性选择合适的切削深度、切削宽度、进给量及切削速度。

在其中一个实施例中，在通过刀具对待加工工件进行精加工之前，还包括：

将刀具安装在超声波刀柄上，超声波刀柄产生的超声波振动传递至刀具上，使刀具产生超声波振动。

在其中一个实施例中，所述激光波长范围为335nm～1064nm，功率范围为 10W～500W，脉宽小于30ns。

在其中一个实施例中，所述超声波的频率范围为16000Hz～18000Hz，超声波振幅调节范围为2μm～3μm。

在其中一个实施例中，所述刀具为整体PCD微刃铣削刀具。