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激光鉆孔的設(shè)備原理【深度剖析】
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激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。在激光出現(xiàn)之前，只能用硬度較大的物質(zhì)在硬度較小的物質(zhì)上打孔。這樣要在硬度大的金剛石上打孔，就成了極其困難的事。激光出現(xiàn)后，這一類的操作既快又安全。但是，激光鉆出的孔
2、是圓錐形的，而不是機(jī)械鉆孔的圓柱形，這在有些地方是很不方便的?？赏高^振鏡進(jìn)行程式化編程控制圖形輸出。
激光打孔指激光經(jīng)聚焦后作為高強(qiáng)度熱源對材料進(jìn)行加熱，使激光作用區(qū)內(nèi)材料融化或氣化繼而蒸發(fā)，而形成孔洞的激光加工過程。激光束在空間和時間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小10的5次方~10的15次方W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可對任何材料進(jìn)行激光打孔。例如，在高熔點的鉬板上加工微米量級的孔，在硬質(zhì)合金（碳化鎢）上加工幾十微米量級的小孔，在紅藍(lán)寶石商人加工幾百微米量級的深孔，金剛石拉絲模，化學(xué)纖維噴絲頭等。
激光打孔是早早達(dá)到實用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的重要
3、應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打孔主要用于金屬材料鋼、鉑、鉬、鉭、鎂、鍺、硅，輕金屬材料銅、鋅、鋁、不銹鋼、耐熱合金、鎳基質(zhì)合金、鈦金、白金，普通硬質(zhì)合金磁性材料以及非金屬材料中的陶瓷基片、人工寶石、金剛石膜、陶瓷、橡膠、塑料、玻璃等。
如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實行激光打孔，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:
(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的高能激光束對材料進(jìn)行瞬時作用,作用世間只有10-3-10-5s,因此激光打孔速度非常快。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，
4、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重要指標(biāo)。對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
5、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)械鉆打微孔時易斷鉆頭的問
6、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，而且會因鉆頭折斷致使整個工件報廢。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，去除折斷鉆頭的好方法也仍然是激光打孔。當(dāng)然此時的激光打孔設(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)可以和自動控制系統(tǒng)及微機(jī)配合，實現(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，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
7、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個數(shù)量級，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。因為這種打孔是一種蒸發(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)械穿孔帶來的殘渣，因而十分衛(wèi)生。而且激光加工時間短，對被加工的材料氧化、變形、熱影響區(qū)域均較小，不需要特列保護(hù)。激光不僅能對置于空氣中的工件打孔，而且也能對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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