一種超聲輔助激光的陶瓷刻蝕系統及方法與流程

本發明涉及陶瓷加工技術領域，具體為一種超聲輔助激光的陶瓷刻蝕系統及方法。

背景技術：

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、耐化學腐蝕等優點，在越來越多的領域已替代金屬材料，成為應用廣泛的工程材料。

但陶瓷的物化性質決定了它屬于典型的硬、脆難加工材料，傳統加工方法效率低，成本高，精度難以控制。

激光加工屬于高能束加工方法，與工件不接觸，陶瓷材料易吸收激光，效率大大提高。

激光加工技術已廣泛用于陶瓷刻蝕、鉆孔等加工。

采用激光直接對陶瓷進行刻蝕加工具有以下缺陷：1、激光刻蝕易在材料表面及刻蝕槽內產生重鑄層并產生微觀裂紋。2、激光刻蝕時由激光高能量燒蝕形成的熔渣殘留在材料表面及刻蝕槽內，影響加工質量。

超聲加工是陶瓷材料一種有效的加工方法，加工精度高，加工過程的受力與熱影響較小，但單純的超聲加工效率較低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種超聲輔助激光的陶瓷刻蝕系統及方法，將激光與超聲兩種加工方法相結合可充分發揮各自的優勢并降低不利影響。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明公開了一種超聲輔助激光的陶瓷刻蝕系統，包括超精密平臺、超聲振動平臺、超聲波發生器、氣體噴嘴、激光加工系統；所述的超精密平臺可沿水平面移動；所述的超聲振動平臺固定于超精密平臺上方，用于放置陶瓷工件；所述的超聲波發生器設于超聲振動平臺內；激光加工系統包括激光器、反射鏡、聚焦裝置，聚焦鏡位于聚焦裝置內部；聚焦裝置位于超聲振動平臺上方；聚焦裝置側邊設有氣體噴嘴。

本發明還公開了上述系統的刻蝕方法，具體步驟如下：

S1.超聲清洗：將陶瓷工件表面研磨拋光，放置于有機溶劑中超聲清洗15～30min；

S2.調節平臺、激光對焦：將超聲振動平臺固定于超精密平臺上方，位于聚焦裝置的聚焦鏡下方，通過調整超精密平臺及激光焦距，使激光對焦，找準加工位置；將陶瓷工件固定于超聲振動平臺上，根據刻蝕的路徑布置多個超聲波發生器，確保刻蝕的區域在超聲振動范圍內；

S3.刻蝕加工：打開激光器，激光束經反射鏡反射通過聚焦裝置聚焦到陶瓷工件上，開啟超聲振動平臺沿豎直方向振動，同時沿加工路徑移動超精密平臺，加工區域附近同時噴射輔助氣體，完成單道刻蝕后，通過超精密平臺將陶瓷工件沿原路徑反復進行多道刻蝕；刻蝕完成后，關閉激光器；

S4. 二次清洗：刻蝕完成后，取下陶瓷工件，再次置于有機溶劑中超聲清洗15～30min，得到成品。

步驟S1及步驟S4中的有機溶劑為乙醇或丙酮。

步驟S3中超聲振動平臺沿豎直方向的振動頻率為5～30 kHz，超精密平臺沿加工路徑移動的速度為0.5～2mm/s；激光束的工藝參數為波長1064 nm，脈沖寬度為4～200 ns，輸出功率為5～20 W，重復頻率為2～200 Hz；所述的輔助氣體是空氣、氧氣、氬氣、氮氣中的一種或幾種，噴射角度為10～80°，噴射壓力為5～20 bar。

采用上述技術方案后，本發明具有如下優點：

1、本發明將激光與超聲兩種加工方法相結合，提高了刻蝕精度和加工質量，充分發揮了兩種方法的加工優勢。

2、通過超聲振動使得陶瓷刻蝕槽內的熔渣容易噴出，使激光得以對未加工的材料部分進行刻蝕，可提高單道刻蝕可加工的深度，且提高了材料的清潔質量。

3、刻蝕時同時噴射輔助氣體可吹去熔渣，并降低材料溫度，避免在加工區域附近產生重鑄層與微觀裂紋。

附圖說明

圖1本發明系統的結構示意圖。

圖2為本發明方法的工藝流程圖。

主要組件符號說明：

1：超精密平臺，2：超聲振動平臺，3：超聲波發生器，4：聚焦裝置，5：聚焦鏡， 6：激光器，7：激光束，8：反射鏡，9：氣體噴嘴，10：陶瓷工件。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明公開了一種超聲輔助激光的陶瓷刻蝕系統，包括超精密平臺1、超聲振動平臺2、超聲波發生器3、氣體噴嘴9及激光加工系統，激光加工系統包括：聚焦裝置4、激光器6及反射鏡8。

超精密平臺1放置于水平桌面上，可沿水平面移動。

超聲振動平臺2固定于超精密平臺1上方。

超聲波發生器3設于超聲振動平臺2內。

超聲波發生器3根據需要可設置多個。

聚焦裝置4位于超聲振動平臺2上方，聚集裝置4內部安裝有聚焦鏡5。

聚焦裝置4側邊設有氣體噴嘴9，氣體噴嘴9與儲氣罐連接。

聚焦裝置4上方設有反射鏡8及激光器6，反射鏡8成一角度傾斜設置。

激光器6發射的激光束7經反射鏡8反射后進入聚焦裝置4，激光束7經聚焦裝置4投射到陶瓷工件10上進行刻蝕。

如圖2所示，本發明還公開了運用上述超聲輔助激光的陶瓷刻蝕系統進行陶瓷刻蝕的方法，具體步驟如下，

S1.超聲清洗：將陶瓷工件10表面研磨拋光，放置于有機溶劑（乙醇或丙酮）中超聲清洗15～30min。

S2.調節平臺、激光對焦：將超聲振動平臺2固定于超精密平臺1上方，位于聚焦裝置4的聚焦鏡5下方，通過調整超精密平臺1及激光焦距，使激光對焦，找準加工位置。

將陶瓷工件10固定于超聲振動平臺2上，根據刻蝕的路徑布置多個超聲波發生器3，確保刻蝕的區域在超聲振動范圍內。

S3.刻蝕加工：打開激光器6，調整反射鏡8的角度，使激光束7經反射鏡8反射后剛好通過聚焦裝置4聚焦到陶瓷工件10上。

激光束7的工藝參數為波長1064 nm，脈沖寬度為4～200 ns，輸出功率為5～20 W，重復頻率為2～200 Hz。

開啟超聲振動平臺2沿豎直方向振動，設置沿豎直方向的振動頻率為5～30 kHz，超精密平臺1沿加工路徑移動的速度為0.5～2mm/s。

同時沿加工路徑移動超精密平臺1，加工區域附近的氣體噴嘴9同時噴射輔助氣體，輔助氣體可以是空氣、氧氣、氬氣、氮氣中的一種或幾種。輔助氣體的噴射角度為10～80°，噴射壓力為5～20 bar。

完成單道刻蝕后，判定是否達到刻蝕深度，若未達到刻蝕深度則通過超精密平臺1將陶瓷工件10沿原路徑反復進行多道刻蝕，直到達到刻蝕深度后刻蝕完成，關閉激光器6。

S4. 二次清洗：刻蝕完成后，取下陶瓷工作10，再次置于有機溶劑（乙醇或丙酮）中超聲清洗15～30min，得到成品。

綜上，本發明將激光與超聲兩種加工方法相結合，克服了單一加工方法的缺陷，根據相關實驗論證，得到工藝參數，使加工的過程穩定，得到的產品的成品率高，質量好。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。