一种金属表面三维V形槽结构的激光加工方法与流程

本发明涉及金属表面加工领域，尤其涉及一种金属表面的激光加工技术。

背景技术：

在金属表面加工三维v形槽结构，一般都是采用传统的机械加工工艺，其存在一些问题：1、为接触式加工，存在刀具损耗，设备维护复杂，成本高，并且对材料会产生机械挤压和机械应力；2、需要复杂的编程，工艺制作复杂，难以实现自动化；3、伴随图纸的变化，工艺方案难以快速改变，致使新产品的研发周期较长。

随着科技的进步，新的加工技术越来越多。其中激光加工技术，在越来越多的行业中扮演着重要的角色，激光加工有许多传统工艺无法比拟的优势。参见图6，采用普通的激光加工方式所加工出来的三维v形槽结构，通常具有两种效果a、b。其中，对于效果a的情形，存在一些缺陷：三维v形槽的侧壁斜度较小，并且底部呈圆弧状。对于效果b的情形，存在一些缺陷：侧壁向内凸起呈弧形。

现有的这种激光加工方法，不能很好地适用于对结构精细程度较高的应用，例如：模具制造方面的应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提出一种金属表面三维v形槽结构的激光加工方法，能够很好地适用于诸如模具制造之类对结构精细程度要求较高的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种金属表面三维v形槽结构的激光加工方法，通过矩形框轮廓逐层缩进分层打深的加工方式，对三维v形槽结构形状进行控制；其中，根据激光打深参数和聚焦透镜最小聚焦光斑直径，对三维v形槽的宽度轮廓进行缩进处理；将缩进后的轮廓，按从宽到窄的顺序，在金属表面从上到下进行逐层打深。

其中，将矩形框最小宽度设置为0.5倍到1倍的聚焦透镜最小聚焦光斑直径。

其中，在最深的一层，进行一根直线线段的激光加工。

其中，使宽度轮廓的各次缩进是均匀的。

其中，使宽度轮廓的每次缩进的尺寸与聚焦透镜最小聚焦光斑直径相对应。

其中，根据金属材料的实际热效应性质，可以在均匀缩进的数值上下增减一个聚焦透镜最小聚焦光斑直径。

其中，还包括：在激光加工后进行清洗处理和抛光处理。

其中，所述金属表面为平面、圆柱面、球面或圆锥面。

其中，采用光纤打标机进行激光加工。

本发明的有益效果在于，通过采用轮廓逐层缩进分层打深的加工方式，对三维v形槽结构形状进行控制，可以很好地在金属表面利用激光加工出结构精细的三维v形槽结构，从而能够很好地适用于诸如模具制造之类对结构精细程度要求较高的应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的激光加工方法的流程图。

图2是本发明的金属表面三维v形槽的横截面示意图。

图3是本发明的金属表面三维v形槽的轮廓缩进平面示意图。

图4是本发明的金属表面三维v形槽的轮廓缩进立体示意图。

图5是根据本发明的激光加工方法成型的金属表面三维v形槽的渐进变化效果示意图。

图6是根据现有的激光加工方法成型的金属表面三维v形槽的两种效果示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

参见图1至图4，图1是本发明的激光加工方法的流程图。图2是本发明的金属表面三维v形槽的横截面示意图。图3是本发明的金属表面三维v形槽的轮廓缩进平面示意图。图4是本发明的金属表面三维v形槽的轮廓缩进立体示意图。本发明以在金属表面加工出一个宽度为0.1mm、槽深0.2mm的三维v形槽结构为例，所用设备包括波长为1064纳米的20瓦光纤打标机一台，1064纳米的聚焦透镜(标称焦距100mm)一个，显微镜测量工具一台，实验所用材料为2mm厚度的普通铝板一块。本发明提出的激光加工方法包括以下步骤：

s101、获取v形槽设计结构数据。在本实施例中，v形槽的长度为10mm，宽度w为0.1mm，深度h为0.2mm。

s103、设置矩形框。该矩形框的形状与该v形槽的表面开口相对应，在本实施例中，矩形框的宽度为0.1mm，矩形框的长度为10mm。

s105、测试激光打深工艺参数。具体地，以步骤s103中所给的矩形框为对象，在矩形框里面填充适当密度的填充线，通过匹配激光的打标速度、频率、功率以及打标次数等，加工出这个宽度为0.1mm，深度为0.2mm的v形槽。通常情况下，这种加工v形槽的方式为普通的工艺方法，加工后的效果为图6中的a、b两种效果。在此步骤中，需测量一下普通效果的深度是否达到0.2mm的深度即可，在本实施例中，测试出一组比较合适的激光打深工艺参数，其中打标次数为六次；然后通过后面的图形处理方法，对v形槽的轮廓宽度进行处理。

s107、v形槽宽度轮廓逐层缩进处理。在本实施例中，所用的聚焦镜的最小聚焦光斑直径在0.02mm左右，根据此光斑大小，以及打标次数为六次，将步骤s103中0.1mm宽的矩形框，在宽度方向从最大0.1mm，到最小0.02mm均匀地向内缩小五次，可以得到图3所示的标号为1～6的六个矩形框。并且，最后进行一个直线线段7的处理。

值得一提的是，关于轮廓缩进，根据步骤s105中的打标次数，尽量均匀缩进。但是，对不同的金属材料，需要根据材料的实际热效应性质，可在均匀缩进的数值上下增减1个光斑直径左右。提请注意的是，轮廓缩进方式，实际只需要对v形槽的宽度尺寸进行缩进，长度尺寸并不需要缩进。图3的轮廓缩进示意图，只是为了阅读理解的方便，而特意地将长度尺寸也进行了缩进。

另外，在本实施例中，矩形框最小宽度选为0.02mm，主要是根据所使用的聚焦透镜的最小聚焦光斑直径来设置。矩形框最小宽度一般以0.5倍到1倍的光斑直径比较合适。

另外，在本实施例中，设置一根直线线段7的处理，有利于对v形槽的底部夹角作尖锐处理。在其他一些实施例中，这根直线线段7的处理可以省去。

s109、激光加工成型。也即，分成七个阶段，分别进行打标，参见图4，按矩形框(即平面plane)1到6的顺序，从上到下进行激光打深，最后一个标记对象为直线线段line7。可以理解的是，这样的多个阶段地加工方式，可以很好地形成v形的横截面，例如图4中的前端横截面surfacef和后端横截面surfacee。

s111、残留物清理及毛刺处理。也即，在激光加工后的工件表面，用高压气枪或者超声波，清洗掉加工区域周边堆积的金属粉尘等残留物，以及用抛光工艺去掉轮廓边缘的毛刺。

s113、v形槽结构数据测量。

s115、判断经测量的v形槽结构，是否满足图纸要求？是的话，完成；否则的话，也即如有偏差，则可返回步骤s105，对激光打标参数做适当修改，或者，对步骤s107中的轮廓缩进次数及每次缩进的间隔数值作适当修改，然后再执行步骤s109、步骤s111和步骤s113，以达到符合图纸设计要求的形状结构。

参见图5，图5是根据本发明的激光加工方法成型的金属表面三维v形槽的渐进变化效果示意图。其中效果a、效果b、效果c、效果d分别为图3或图4中打标轮廓层第1层、第3层、第5层、第7层之后，加工出的v形槽形状结构的变化过程演示。d为最终加工成型的v形槽效果。

本发明的有益效果在于，通过采用轮廓逐层缩进分层打深的加工方式，对三维v形槽结构形状进行控制，可以很好地在金属表面利用激光加工出结构精细的三维v形槽结构，从而能够很好地适用于诸如模具制造之类对结构精细程度要求较高的应用。

值得一提的是，在本实施例中，金属表面为平面；在其他实施中，金属表面可以是圆柱面、球面或圆锥面等曲面。在本实施例中，加工用的激光波长选为1064纳米，激光器功率选为20瓦的光纤激光器；在其他实施例中，根据实际应用的需要，可以选用其他的激光波长，以及其它功率的激光器。在本实施例中，v形槽的深度h与宽度w之比为2:1；在其他实施例中，v形槽的深度h与宽度w之比亦可为其他值，而并不限定于2:1。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。