Размерная обработка миниатюрных изделий

Категория:
Технология миниатюрных изделий


Размерная обработка миниатюрных изделий

Ввиду локального характера действия лазерного излучения максимальным диаметром отверстий, которые целесообразно прошивать, следует считать 0,5—1,0 мм. Наиболее рационально применение лазера для получения отверстий микронных размеров, вплоть до 2—3 мкм, в материалах, механическая обработка которых затруднена или невозможна. К ним относятся керамика, стекло, алмазы, различные технические камни, двуокись кремния, окись алюминия, высокопрочные, нержавеющие стали и различные сплавы.

При прошивании отерстий в материалах с плохой теплопроводностью вследствие недостаточного теплообмена возникают значительные температурные напряжения, вызывающие появление микротрещин, а в некоторых случаях и приводящие к раскалыванию изделия. Для предотвращения этих нежелательных явлений обработку таких материалов ведут серией импульсов ограниченной энергии. При этом возникающие температурные напряжения находятся в допустимых пределах и постепенно исчезают. Наоборот, материалы с высокой теплопроводностью, такие как медь, алюминий, бериллиево-медные сплавы, ввиду интенсивного рассеяния тепла за время импульса плохо поддаются обработке лазерным лучом.

При обработке лазерным лучом механическая прочность и твердость материалов не имеет значения. Основным фактором является степень поглощения (адсорбции) энергии. Прозрачные материалы, хорошо отполированные поверхности, имеющие высокую отражательную способность, интенсивно рассеивают энергию лазерного излучения, преломляя и отражая луч. Обработка таких материалов затруднена. Для улучшения обрабатываемости прозрачных материалов на их поверхность наносят слой непрозрачного материала, хорошо поглощающего свет. Продукты плавления и испарения материала удаляются из зоны обработки.

Режимы обработки. Практически выбор режимов обработки лазерным лучом при получении отверстий сводится к определению плотности фотонного потока, энергии излучения, длительности импульса и условий фокусировки луча. Для металлов и их сплавов плотность потока должна быть больше 106—107 Вт/см2. Для получения цилиндрических отверстий цилесообразно использовать световую трубку, образующуюся при определенном расположении лазера и фокусирующей системы.

Установление оптимальных параметров обработки световым лучом производят с помощью номограмм и таблиц, полученных опытным путем. При обработке отверстий обычно рекомендуется вначале произвести 10—20 импульсов на опытных образцах с тем, чтобы добиться стабилизации режимов.

Обработка изделий из твердых неметаллических материалов. Одним из перспективных направлений лазерной технологии является обработка отверстий в твердых материалах: керамике, кварце, алмазе, рубине, сапфире и т. д. Особенностью лазерной обработки отверстий в этих материалах является опасность появления трещин в зоне обработки, растрескивание заготовок и возникновение-значительного (толщиной 0,015—0,020 мм) дефектного слоя, который имеет рыхлую, пористую структуру, отличающуюся механическими и теплофизическими свойствами от основного материала.

Возникновение дефектного слоя обусловливается наличием, при одноимпульсной обработке значительного количества жидкой фазы, остывающей на стенках прошиваемого отверстия. Для устранения опасности появления трещин, уменьшения толщины дефектного слоя и получения приемлемого для целей практики качества поверхности обработку ведут многократным воздействием световых импульсов, энергия которых уменьшена примерно на один порядок при одновременном таком же оскращении их длительности. Для получения достаточной производительности обработки увеличивают частоту следования импульсов по меньшей мере тоже на один порядок.

Так, для получения отверстий диаметром 0,05—0,07 мм в рубиновой или сапфировой заготовке толщиной 0,4—0,5 мм за 3—5 импульсов необходимая энергия одного импульса равна 0,05— 0,08 Дж при длительности импульса 70—150 мкс. С учетом потерь энергии в оптической системе (на отражение, рассеивание, поглощение и диафрагмирование) лазер с активным элементом из стекла с неодимом должен обеспечивать энергию импульса 0,1—0,15 Дж при расходимости луча не более 40—50 мин. Данный режим генерации с частотой следования импульсов 5—10 Гц при импульсной накачке 50—90 Дж можно реализовать в лазере на стандартном активном элементе и стандартной лампе оптической накачки.

Приемы прошивания отверстий. Оптические квантовые генераторы, в силу природы генерируемых световых лучей, обеспечивают получение круглых отверстий различных диаметров и глубины. Обработка отверстий сложных конфигураций возможна путем последовательного перемещения луча, т. е. «фрезерованием» по контуру или путем формирования в зоне обработки светового поля соответствующей конфигурации. Последнее производится при помощи соответствующих диафрагм, а также с помощью цилиндрической оптики, обладающей способностью изменять симметрию поля.

Требуемая форма обрабатываемому отверстию придается путем установки на пути луча диафрагмы с пропускной щелью соответствующей конфигурации или благодаря применению специальных линз, дающих фокусировку луча в форме, отличной от круговой. Таким образом можно прошивать овальные, прямоугольные, звездообразные и прочие формы отверстий.

Однако обработка с применением диафрагм приводит к снижению эффективности использования излучения лазера. Поэтому предпринимаются попытки для обработки фигурных пазов и отверстий сложной конфигурации применять излучатели, обеспечивающие требуемый профиль. Достигается это за счет различной расходимости светового потока в направлениях, перпендикулярных оси излучения. Такое излучение позволяет при фокусировании его обычными оптическими системами с осевой симметрией получить в зоне обработки конфигурацию светового пятна, соответствующую характеру асимметрии исходного излучения. Разность в расходимости по различным направлениям определяет размеры и конфигурацию светового пятна.

Вопросы точности обработки. Учитывая малые размеры обрабатываемых лучом лазера конструктивных элементов изделий актуальным являются вопросы точности лазерной обработки. На точность обработки влияют многие факторы, основными из которых являются неточность позиционирования обрабатываемого изделия и настройки оптической системы, нестационарность режима излучения и оптической накачки и др. Кроме того, оказывают влияние тепловые явления и процессы старения оптической системы. Каждая из приведенных причин оказывает определенное влияние на точность обрабатываемых конструктивных элементов. Анализ основных причин, вызывающих неточности лазерной микрообработки, проведен в работе.

Рис. 1. Устройство для лазерной резки

Выброс жидкого материала из кратера является в большинстве случаев нежелательным, так как кратер обычно бывает окружен различными по величине застывшими каплями выброшенного материала — грата, который удаляют механическим путем. Если наличие грата нежелательно, то на обрабатываемую поверхность накладывают тонкую пленку или фольгу. При этом кратер и грат образуются на ней. После удаления фольги

остается чистое отверстие. На обратной стороне обрабатываемого изделия грата не образуется. Каналы, прошитые лучом лазера, в большинстве случаев имеют коническую форму (больший входной и меньший выходной диаметры).

Получение каналов, глубина которых значительно превышает диаметр отверстия, обычно осуществляется серией импульсов. При этом луч фокусируется на поверхности изделия, а стенки образовавшегося канала отражают лучи, фокусируя их на дно. В результате имеет место некоторое улучшение качества поверхности стенок прошиваемого канала.

Получение микропазов и резка. Возможность острой фокусировки лазерного луча все шире используют для получения узких пазов и щелей. Ширина реза незначительная, поэтому лазерный луч применяют для резки материалов с малыми отходами. Так, например, при резке титановых сплавов можно использовать луч лазера, разрушающее действие которого интенсифицировано кислородной средой. Вследствие наличия кислорода в зоне реза возникает энергично протекающая экзотермическая реакция окисления с выделением значительного количества тепловой энергии. Этот процесс происходит главным образом под воздействием химических реакций, поэтому мощность самого оптического квантового генератора небольшая. Диаметр сфокусированного луча при резке обычно равен 0,05—0,15 мм.

Генерируемый лазером луч из горизонтального направления отклоняется в вертикальное с помощью зеркала, а затем фокусируется с помощью линзы, помещенной в верхней части мундштука (рис. 1). Листовой материал, подвергаемый резке, движется с определенной скоростью. Кислород к месту воздействия лазерного луча подается по шлангу. Скорость движения листа должна быть согласована с режимами резания. Так, например, резание нержавеющей стали толщиной 1,3 мм на лазере мощностью 250 Вт производилось со скоростью 0,7 м/мин при ширине реза 0,5 мм; листы из сплава титана и циркония толщиной по 0,5 мм разрезались со скоростью 1,5 м/мин при ширине реза соответственно 0,4 и 0,5 мм. Помимо кислорода в зону резания иногда подается водяной пар.

Для автоматизации профильной резки материалов, прореза-ння в них узких прорезей применяют станки с фотокопировальной системой. С помощью фотокопировальной головки осуществляется слежение за линиями чертежа, который выполняют в натуральную величину. С целью интенсификации процесса лазерный луч совмещают со струей кислорода или воздуха, выходящего с большой скоростью из отверстия соосно расположенного наконечника. Разрезаемое изделие помещают под наконечником, благодаря чему обеспечивается высокая чистота и параллельность, стенок прорезаемого паза. Газ, образующийся в процессе испарений материала, удаляется с помощью вытяжной вентиляционной системы. В изделиях из карбида кремния, асбеста и других труднообрабатываемых материалов ширина пазов может составлять 0,2—0,3 мм. Изделие перемещается вместе со столом в двух координатных направлениях по командам следящей головки. Обработка может производиться непрерывно или с промежуточными выключениями лазера, что дает возможность получать пазы с перемычками. Для обеспечения безопасности обслуживания станок оборудован блокировкой, исключающей возможность включения лазера до установки изделия.

Газовый лазер, работающий на смеси гелия с неоном, используется для фрезерования узких пазов путем импульсного воздействия с перекрытием отдельных кратеров. Получены пазы шириной 0,007 мм и более в нержавеющей стали. Широко используется луч лазера для резки тонких металлических пленок, нанесенных на подложку из стекла или другого материала. Твердотельные лазеры используют для нанесения ультратонких штрихов и делений на нониусах, линейках и лимбах приборов.

Оборудование для лазерной технологии. Отечественная промышленность выпускает технологические лазерные установки-различной мощности. Большинство изготавливаемых лазерных установок носит универсальный характер и по заложенным в них технологическим решениям и основным характеристикам (в первую очередь энергетическим) предназначено для выполнения широкого-круга операций микрообработки.

Лазерная установка К-ЗМ предназначена для прошивания отверстий и сварки. Оптическая система со сменными объективами позволяет сфокусировать излучение в пятно от 0,003 до 0,3 мм при расстоянии между объективом и плоскостью предметного столика от 0,15 до 28 мм. Увеличений визуальной системы — от 29х до 675х. Максимальная плотность мощности в фокусе до 108 Вт/см2, что позволяет прошивать отверстия диаметром от 0,003 до 0,2 мм в металлах толщиной до 1 мм, в зависимости от их теплофизических свойств, а также производить сварку проводников диаметром до 0,2 мм и металлической фольги. Универсальный рабочий сток с вертикальным ходом 25 мм перемещается в двух перпендикулярных направлениях с помощью микрометрических винтов. Точность отсчета перемещения —0,01 мм. Установка снабжена встроенным цифровым измерителем энергии, показывающим энергию излучения каждого импульса в джоулях с точностью до сотых его долей. Активный элемент — рубин. Для более быстрой эвакуации продуктов расплавления из зоны воздействия лазерного луча применяют сжатый воздух или инертный газ давлением 5—25 атм.

Для прошивания отверстий кроме установки К-ЗМ применяют также лазерные установки К-ЗМБ, КВАНТ, КАРАВАН, ГОС-ЗОМ, ГОР-100М, ГОР-ЗОО, ГОС-1000 и др.

Универсальная лазерная технологическая установка КВАНТ может работать как с лазерной головки, активным элементом которой является синтетический рубин (1-я головка), так и с головкой, активным элементом которой является стекло с неодимом (2-я головка).

Максимальная энергия импульса 1-й лазерной головки равна 2 Дж при частоте их повторения три импульса в 1с, а 2-й головки соответственно 15 Дж при частоте 6 импульсов в 1 мин. Оптическая система установки позволяет сфокусировать луч в пятно радиусом от 0,002 до 0,5 мм. При использовании цилиндрической оптики обеспечивается получение светового луча в форме линии толщиной 0,05 мм, что позволяет осуществлять прорезание узких пазов, щелей и производить резание.

Установка снабжена двумя предметными столами. Первый стол универсальный. Он имеет два взаимно перпендикулярных перемещения с помощью микрометрической подачи. Максимальный ход — 50 мм. Точность установки — 0,01 мм. Второй стол в одном направлении перемещается через передачу от электродвигателя со скоростью, изменяющейся в пределах от 18 до 180 мм/мин. В другом направлении перемещение стола производится вручную. Величина обоих перемещений — 200 мм. Точность установки — 0,05 мм.

Для получения отверстий сложной конфигурации применяют генератор КАРАВАН. Он снабжен цилиндрической оптикой, значительно расширяющей его технологические возможности.

Определенными технологическими возможностями обладают мощные оптические квантовые генераторы с рубиновым активным элементом ГОР-ЮОМ и ГОР-ЗОО. С их помощью можно производить операции прошивания отверстий, пайки и сварки микросоединений, а также распыление вещества в вакууме. Конструкция генераторов блочная. Основными блоками генератора ГОР-100М являются оптическая головка, две конденсаторные батареи, холодильное устройство, пульт управления и контроля.

Генератор ГОР-300 состоит из оптической головки и шкафа, в котором размещены конденсаторная батарея, высоковольтный выпрямитель, охлаждающее устройство, органы управления и контроля. Для оптической накачки используют две ксеноновые импульсные лампы. Высоковольтный блок питания обеспечивает заряд конденсаторных батарей общей емкостью до 4400 мкФ до напряжения 3,8 кВ. В генераторе применено водяное охлаждение по замкнутому циклу. Максимальная энергия излучения — 300 Дж при частоте повторения 5 импульсов в 1 мин. Значительные энергии излучения генераторов ГОР-100М и ГОР-300 обеспечивают получение отверстий различных диаметров в тугоплавких и сверхпрочных материалах.

Рис. 2. Лазерная установка для получения тонких прорезей

Более мощным, по сравнению с описанными генераторами, является генератор ГОС-1000, активным элементом в котором является стекло с присадкой неодима. Максимальная энергия его излучения 1000 Дж при режиме работы — 1 импульс за 6—8 мин.

Лазерный луч используют для получения тонких прорезей в трафаретах, масках, шаблонах, используемых при производстве интегральных схем.

На рис. 91 приведена схема лазерной установки для получения тонких прорезей (шириной 0,01 мм). Луч, генерируемый лазером, через систему плоских зеркал, линзы, модулятор и десятигранное вращающееся зеркало направляется на заготовку маски. Стол с укрепленной на нем заготовкой маски может перемещаться. В результате действия большого количества импульсов отверстия сливаются в сплошные линии -— пазы толщиной 0,01—0,02 мм.

Оборудование с программным управлением. Процессы лазерной обработки стремятся автоматизировать, так как трудно обрабатывать вручную детали, имеющие малые размеры. На рис. 3 показана принципиальная схема станка с цифровым программным устройством. Координация перемещений стола с работой лазерной головки осуществляется блоком, управляющим с помощью специального детекторного устройства. Головка детекторного устройства с помощью волоконной оптики улавливает луч лазера в момент завершения образования им сквозного отверстия, и световой сигнал направляется к детекторному устройству, которое дает команду на выключение работы лазера и включение цикла позиционирования стола станка. По завершении позиционирования стола автоматически включается излучение лазера, и цикл обработки отверстий повторяется до образования всех отверстий в соответствии с закодированной на перфоленте программой.

Применяемая оптическая аппаратура обеспечивает возможность надлежащей фокусировки световой энергии на изделии и непрерывного наблюдения за процессом прошивания. Это достигается путем проецирования увеличенного изображения зоны обработки на экран, смонтированный на верхней части станка.. Изображение рабочей зоны на экране получают с помощью проекционного микроскопа. Оно будет в фокусе, если луч лазера, проходящий через линзу, окажется сфокусированным в некоторой точке, находящейся ниже поверхности обрабатываемого изделия. Обычно фокус должен находиться примерно на половине толщины обрабатываемого материала. Специальное устройство с дихроматичным зеркалом препятствует попаданию луча лазера на экран.

В целях предохранения объектива устройства фокусировки от брызг материала, расплавленного лазерным лучом, под объективом размещают специальный, непрерывно вращающийся экранирующий диск, который меняют после его загрязнения.

Стол станка смонтирован на сварном основании. Продольные и поперечные перемещения стола в направлении осей X и Y осуществляется от двух независимых механизмов. Для вертикального • перемещения стола, в направлении оси Z, используются два шариковых ходовых винта, исключающих возможность перекоса стола даже при выдвинутом его положении.

Непосредственный импульс на перемещение по координатам X, Y и Z осуществляется от системы цифрового программного-управления. Рабочая зона станка закрыта двумя дверками, снабженными переключателями, блокирующими работу станка при незакрытых дверках. В качестве материала для генерирования луча лазера используют кальциевый вольфрамит с присадкой неодима. При каждом импульсе лазер генерирует световую энергию, равную 1 Дж. Частота пульсации лазера равна 5 импульсам в 1 с, но работа лазера может быть форсирована до 10 импульсов в 1 с.

Рис. 3. Схема лазерного станка с цифровым программным управлением

Кальциевый вольфрамит применен в качестве активного элемента вместо синтетического рубина не только как более дешевый в изготовлении, но и как обеспечивающий большую мощность и лучшую работу лазера. Световой луч, генерируемый лазером, может прошивать отверстие диаметром до 0,75 мм в материале толщиной не более 5 мм. При прошивании отверстий в изделиях из нержавеющей стали требуется примерно 3 импульса, чтобы по-.лучить отверстие глубиной 2,5 мм. Отверстия в продольном сечении имеют коническую форму.

В лазерных установках с цилиндрической оптикой, генерирующих параллельно направленные световые лучи, могут быть получены отверстия с достаточно высокой степенью параллельности образующих даже в том случае, если глубина отверстий в 20 раз превышает их диаметры.

Имеются станки для прошивания отверстий в алмазных волоках для притягивания проволоки диаметром от 0,01 мм. Отверстия получают методом круговой вырезки. При этом они имеют некоторую конусность в продольном сечении и приближающиеся к окружности в поперечном сечении. После образования отверстий их калибруют. Отверстия пригодны для алмазных волок. Зона •обработки при прошивании не проецируется на экран, а наблюдается через специальную телевизионную установку.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум