[发明专利]一种弱自由度深腔内表面图形的激光加工方法

说明书

本发明公开一种弱自由度深腔内表面图形的激光加工方法，包括建立待加工深腔以及深腔内表面表层材料的三维模型，设计目标图形，根据深腔待加工面的尺寸设计目标图形的排布，导出三维点坐标，生成加工轨迹，对待加工深腔进行定位后，对表层材料进行光斑实验，找到最佳刻蚀参数，再进行目标图形试加工，修正目标图形尺寸，最后控制X、Y方向的自由度沿每个目标的轨迹进行内表面表层材料加工，同时Z方向自由度根据加工轨迹坐标高度的变化自动变焦，完成对深腔内表面表层材料的整体加工，得到带有目标图形的深腔内表面。本发明不仅适用于深腔内表面，在激光束发射路线不被干涉的情况下，可以适用于任何形状的工件。

技术领域

本发明涉及一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，属于微细加工、激光加工技术领域。

背景技术

近年来，随着制造业以及机械、材料、物理等学科的交融发展，常常需要在复杂的曲面以及深腔等零部件的表面进行二次精密加工，这些零件的表面通常是一层薄膜或者特定的功能材料。例如，在大型不可展曲面零件的外表面或深腔零部件的内表面加工三维微结构图案，以实现电磁特性、防滑耐磨以及抗干扰等特殊的表面性能，来满足特性的功能。

目前，激光刻蚀已经广泛应用于平板以及大型不可展曲面零件的表层材料图形的加工制作，激光因其高亮度、高方向以及高相干性等优点，可通过高密度的激光束对零件三维表层材料进行刻蚀，得到需要的目标图形，目标图形可以一个或者多个按一定排列要求阵列的三维微结构图形。激光刻蚀技术是通过高能量的激光束对零部件的金属层表面进行刻蚀，使其熔融气化，根据设置的激光加工路径进行扫描完成幅面的目标图形加工。对于大型不可展曲面等工件的三维微结构加工通常会采取复杂的五轴加工系统或者多轴机械手等多自由度的设备控制激光对工件的表面进行加工。虽然目前的金属已很大程度的应用于不可展曲面等各种零件的加工上，但设备复杂昂贵，加工方法落后，效率很低，且现有技术仍没有能够进行深腔内表面目标图形的激光加工方法，深腔是指薄壁、径向尺寸大且口径较小的中空腔体，其深度和口径最长边之比大于3，且内表面为倾斜0-70°的平面或曲面，随着不断的发展，深腔内表面的微细结构图形加工逐渐成为趋势，但目前多自由度设备激光加工的方法难以伸入深腔内加工三维微结构，在深腔内表面加工目标图形成为当前亟待解决的难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和需求，本发明提供了一种弱自由度深腔内表面图形的激光加工方法，仅需三自由度的三轴导轨配合激光器即可完成在深腔内表面的复杂表面图形的加工，且具有精度高、效率高、成本低的优点。根据深腔定位情况，通过X、Y方向两个自由度的移动，再配合Z方向的自由度自动调整焦距，即可完成深腔内表面图案的加工。

本发明的技术方案：

一种弱自由度深腔内表面目标的激光加工方法，步骤如下：

S01通过建模软件建立待加工深腔以及深腔内表面表层材料的三维模型。

S02设计目标图形的形状及特征尺寸，根据深腔待加工面的尺寸设计目标图形的排布，导出目标图形三维点坐标，生成加工轨迹。

S03将待加工深腔样件进行定位，保证待加工面与水平面夹角最小，激光器移至待加工面的正上方。

S04对深腔内表面表层材料进行光斑实验，一个直径为d的圆形光斑在倾斜角为α的内表面上变成短轴为d、长轴为d/cosα的椭圆形光斑，通过调整激光的功率、频率、扫描速度以及加工次数等参数将光斑在深腔内表面表层材料的畸变修复，使光斑长轴尺寸近似等于d，将深腔内表面上光斑畸变的影响降到最低，此时的激光参数为最佳刻蚀参数，将最佳刻蚀参数储存至参数库。

S05进行单个目标图形试加工，对加工出来的目标图形的特征尺寸进行测量并记录，分析在深腔内表面上光斑对目标图形特征尺寸的影响程度。