激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù),也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,使用硬度大、熔點(diǎn)高的材料越來越多,而傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足某些工藝的要求。例如,在高熔點(diǎn)金屬鉑板上加工微米量級(jí)孔徑;在硬質(zhì)碳化鎢上加工幾十微米的小孔;在紅、藍(lán)寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模具、化學(xué)纖維的噴絲頭等。這一類的加工任務(wù)用常規(guī)機(jī)械加工方法很困難,有時(shí)甚至是不可能的,而用激光打孔則不難實(shí)現(xiàn)。激光束在空間和時(shí)間上高度集中,利用透鏡聚焦,可以將光斑直徑縮小到微米級(jí)從而獲得105-1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實(shí)行激光打孔,而且與其它方法如機(jī)械鉆孔、電火花加工等常規(guī)打孔手段相比,具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn):
(1)激光打孔速度快,效率高,經(jīng)濟(jì)效益好。|
由于激光打孔是利用功率密度為l07-109W/cm2的高能激光束對(duì)材料進(jìn)行瞬時(shí)作用,作用世間只有10-3-10-5s,因此激光打孔速度非???。將高效能激光器與精度的機(jī)床及控制系統(tǒng)配合,通過微處理,效率提高l0-1000倍。
(2)激光打孔可獲得大的深徑比。
在小孔加工中,深徑比是衡量小孔加工難度的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于用激光束打孔來說激光束參數(shù)較其它打孔方法便于優(yōu)化,所以可獲得比電 火花打孔及機(jī)械鉆孔大得多的深徑比。一般情況下,機(jī)械鉆孔和電火花打孔所獲得的深徑比值不超過10。
(3)激光打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進(jìn)行。
高能量激光束打孔不受材料的硬度、剛性、強(qiáng)度和脆性等機(jī)械性能限制,它既適于金屬材料,也適于一般難以加工的非金屬材料,如紅寶石石、藍(lán)藍(lán)寶石、陶瓷、人造金剛石和天然金剛石等。由于難加工材料大都具有高強(qiáng)度、高硬度、低熱導(dǎo)率、加工易硬化、化學(xué)親和力強(qiáng)等性質(zhì),因此在切削加工中阻力大、溫度高、工具壽命短,表面粗糙度差、傾斜面上打孔等因素使打孔的難度更大。而用激光在這些難加工材料上打孔,以上問題將得到解決。我國鐘表行業(yè)所用的寶石軸承幾乎全部是激光打孔。人造金剛石和天然金剛石的激光打孔應(yīng)用也非常普遍。用YAG激光在厚度為5.5mm的硬質(zhì)合金上打孔,深徑比高達(dá)l4:1,而在1l.5mm厚的65Mn上可打出深徑比為l9:1的小孔。在l0mm厚的堅(jiān)硬的氮化矽陶瓷上可容易地打出直徑為0.6mm的小孔,這都是常規(guī)打孔手段無法辦到的。特別是在彈性材料上,由于彈性材料易變形,很難用一般方法打孔。
(4)激光打孔無工具損耗。
激光打孔為無接觸加工,避免了機(jī)械鉆打微孔時(shí)易斷鉆頭的問題。用機(jī)械鉆加工直徑為0.8mm以下的小孔,即使是在鋁這樣軟的材料上,也常常出現(xiàn)折斷鉆頭的問題,這不僅造成工具損耗而加大成本,而且會(huì)因鉆頭折斷致使整個(gè)工件報(bào)廢。如果是在群孔板的加工中出出現(xiàn)鉆頭折斷,將使問題更為嚴(yán)重。在這種情況下,去除折斷鉆頭的最好方法也仍然是激光打孔。當(dāng)然此時(shí)的激光打孔設(shè)備必須具備精密的瞄準(zhǔn)裝置,以便準(zhǔn)確無誤地打掉折斷的鉆頭。
(5)激光打孔適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。
由于激光打孔機(jī)可以和自動(dòng)控制系統(tǒng)及微機(jī)配合,實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電一體化,使得激光打孔過程準(zhǔn)確無誤地重復(fù)成千上萬次。結(jié)合激光打孔孔徑小、深徑比大的特點(diǎn),通過程序控制可以連續(xù)、高效地制作出小孔徑、數(shù)量大、密度高的群孔板,激光加工出的群孔板的密度比機(jī)械鉆孔和電火花打孔的群孔板高1-3個(gè)數(shù)量級(jí),例如,食品、制藥行業(yè)使用的過濾片厚度為1-3mm,材料為不銹鋼,孔徑為0.3-0.8mm,密度為l0-100孔/cm2。
(6)用激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔。
對(duì)于機(jī)械孔和電火花打孔這類接觸式打孔來說,在傾斜面上特別是大角度傾斜面上打小孔是極為困難的。傾斜面上的小孔加工的主要問題是鉆頭入鉆困難,鉆頭切削刃在傾斜平面上單刃切削,兩邊受力不均,產(chǎn)生打滑難以入鉆,甚至產(chǎn)生鉆頭折斷。如果為高強(qiáng)度、高硬度材料,打孔幾乎是不可能的,而激光卻特別適合于加工與工件表面成6o-90o角的小孔,即使是在難加工材料上打斜孔也不例外。
另外,由于激光打孔過程與工件不接觸,因此加工出來的工件清潔,沒污染。因?yàn)檫@種打孔是一種蒸發(fā)型的、非接觸的加工過程,它消除了常規(guī)熱絲穿孔和機(jī)械穿孔帶來的殘?jiān)蚨中l(wèi)生。而且激光加工時(shí)間短,對(duì)被加工的材料氧化、變形、熱影響區(qū)域均較小,不需要特列保護(hù)。激光不僅能對(duì)置于空氣中的工件打孔,而且也能對(duì)置于真空中或其它條件下的工件進(jìn)行打孔。由此可見,激光是一種高質(zhì)量、快速打孔的有效工具。
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