一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法技术

本发明专利技术涉及用于纤维复合材料的超快激光铣方法：S1、在大于由与所述纤维复合材料相同的材料制成的试片的阈值饱和值(F

【技术实现步骤摘要】
一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法


[0001]本专利技术涉及超快激光加工
，尤其涉及一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法。

技术介绍

[0002]以碳纤维和玻璃纤维等无机纤维、芳纶纤维和PBO等有机纤维为代表的纤维复合材料，以其轻质、高强、高模量等理化特性和材料组分可设计的优点，广泛应用于航空航天、武器装备等军用领域的力、热、电磁功能产品，并逐渐向高端汽车、轨道交通列车等民用领域渗透。在高端汽车、轨道交通列车等纤维复合材料产品存在局域损伤修复等需求，须从受损断面开始向材料深处去除一定深度；航天器产品上的纤维复合材料需要进行精密装调用的通孔加工和盲孔加工。可满足这些制造需求的一个共性工艺即为铣加工。铣加工通过控制刀具轨迹能产生多样、复杂的几何形状，满足制品多种加工需求。
[0003]纤维复合材料整体优良的力学性，外加其各向异性且非均质、层合的特性，在给其制品带来优良力学性能的同时，也对高性能铣加工带来了挑战。对于传统接触式铣加工，当逐层去除材料的走刀方式遇上纤维复合材料高强、高硬、层合的特点时，易产生刀具磨损、材料分层、纤维碎裂或拉丝等问题；对于传统热效应激光加工等特种加工，突出的热效应极易造成加工结构边缘热损伤的扩展，造成加工结构边缘毛糙、尺寸精度低，且难以控制加工结构的深度。飞秒激光、皮秒激光作为一种光场持续时间超短、瞬时强度超大的光源，可最大限度避免传统激光加工热损伤、具有极高的材料去除分辨率，能够实现铣深的精确控制。但对于纤维复合材料的超快激光铣，尤其是对于宏观加工结构，即尺寸不低于1mm量级的加工结构，现有技术中的激光铣方法存在严重的低效率问题。
[0004]按照传统加工方式，即通过相同参数加工出结构的加工界面和内部去除的轨迹填充区域，亦即通过光斑切光斑或光斑叠光斑的方法，遍历所有需去除的材料部分，显然，这样需要较多的加工时间。若采用传统加工方法，即不利用高频道次导致的热积累引起的复合材料基体解体及汽化作用高效去除内部区域，为了填充10mm
×
10mm的区域，设置激光的扫描速度v＝20m/s、脉冲重复频率f＝1.0MHz、入射峰值通量为10.0J/cm2、光斑直径D＝25.0μm，那么设置填充轨迹间距一般至少应在L
max
＝d＝25.0μm，即平行轨迹间距等于光斑直径——此种“光斑切光斑”的情况在实际工艺中一般是在极端情况才这么进行，一般都需要小间距。在传统的超快激光加工中至少需要399条填充线才能去除10mm
×
10mm的方孔内部区域。
[0005]一方面，激光刀的尺寸在的量级，激光刀尺寸大大地小于加工结构的尺寸，导致需多层、多道次去除材料才能形成宏观加工结构，这也是包含传统激光在内的几乎所有激光铣都存在的共性不足；另一方面，现有技术中，使用超快激光铣时，通过相同参数刻蚀出加工结构的界面，例如孔壁，和轨迹填充部分，例如孔洞区域，需要通过光斑切光斑或光斑叠光斑的方法遍历所有需去除的材料部分。当使用激光铣时，由于宏观加工结构一般通过扫描振镜往复刻蚀实现，其不当参数极易造成热积累，从而导致加工界
面出现毛刺，降低了加工精度。

技术实现思路

[0006]针对现在有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种用于纤维复合材料的高效率去除的，且能够保证铣削结构轮廓面具有精密与低损伤特性的方法。
[0007]本专利技术的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，包括以下步骤：
[0008]S1、在大于由与所述纤维复合材料相同的材料制成的试片的阈值饱和值的范围内，选取激光的多个通量，测出所述试片的多个临界往复刻蚀次数，得到临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式；
[0009]S2、从多个通量中选取一个作为低热累积式往复刻蚀所用通量，根据临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式，得到与低热累积式往复刻蚀所用通量相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值，沿预设待加工结构轮廓控制线处进行冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀次数不超过所述低热累积式往复刻蚀次数临界值；
[0010]S3、从多个通量中选取一个作为高热累积式往复刻蚀所用通量，根据临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式，得到与高热累积式往复刻蚀所用通量相对应的热临界往复刻蚀次数，进行预设待加工结构轮廓控制线以内的轨迹填充区域的热刻蚀加工，其中，高热积累式往复刻蚀次数大于所述热临界往复刻蚀次数，所述高热累积式往复刻蚀所用通量大于或等于所述低热累积式往复刻蚀所用通量。
[0011]本专利技术利用纤维复合材料特有的理化特性和超快激光加工热损伤大范围可调可控且存在临界拐点的特点，提供了将所述纤维复合材料的加工结构的不同区域材料分类去除、从而实现兼顾精密与高效性的超快激光铣方法。
[0012]具体地，超快激光加工一般被称为“冷”加工，但这一“冷”加工的前提是没有热积累效应对抗：如果有脉冲间的热累积,例如高频次脉冲作用，则因脉冲宽度极窄带来的“冷”加工效应将被脉冲间的热累积所抵消或覆盖，整体可表现为明显的热损伤—换言之超快激光加工可“冷”可“热”。一方面，当激光脉冲宽度达到皮秒或飞秒量级，可以在很大程度上避免对分子热运动的影响，产生更少的热影响。此时若无脉冲间的热累积效应干扰和抵消，那么，就能保持超快激光加工“冷”加工的优势，从而能够得到具有高平滑度的加工界面。另一方面，将超快激光的加工参数设置到较高的往复脉冲重复频率和较高的入射脉冲通量极易造成热积累，而在所述纤维复合材料具有特殊的组织结构及理化性的基础上，本专利技术的构思中，巧妙地利用了热累积效应对结构填充区域进行高效率的去除加工,同时采用避免热累积效应的参数在结构的轮廓处铣削。
[0013]根据本专利技术的一个方面，
[0014]在步骤S1中，所述阈值饱和值通过测量得到，所述阈值饱和值是所述试片的去除阈值的饱和值，相邻两个通量之间的差值至少为2倍的阈值饱和值，以每个选取的通量值为设置参数时为一组，以初始往复刻蚀频率,在试片上进行多组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片的被刻蚀区域的形貌，确定并记录每组中刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数，得到临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式；
[0015]在步骤S2中，将纤维复合材料的待加工界面放在焦点位置处，低热累积式往复刻蚀所用通量设定为步骤S1中的多个通量中的任一个，根据临界往复刻蚀次数与通量的函数
关系式得到与低热累积式往复刻蚀所用通量相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值，按小于所述步骤S1中的初始往复刻蚀频率的低热累积式往复刻蚀频率，沿预设待加工结构的轮廓控制线进行冷刻蚀；
[0016]在步骤S3中，将所述纤维复合材料的轨迹填充区域放在焦点位置处，设置纤维复合材料的轨迹填充区域的轨迹填充轨迹的形状、相邻轨迹填充线的距离和每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数,其中,高热累积式往复刻蚀频率≥初始往复刻蚀频率，以所述高热累积式往复刻蚀所用通量对轨迹填充区域进行热刻蚀加工。
[0017]激光加工系统的可使用每一个通量都有一个对应的临界往复刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在大于由与所述纤维复合材料相同的材料制成的试片的阈值饱和值(F
th
)的范围内，选取激光的多个通量(F)，测出所述试片的多个临界往复刻蚀次数(N
th
)，得到临界往复刻蚀次数(N
th
)与通量(F)的函数关系式；S2、从多个通量(F)中选取一个作为低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)，根据临界往复刻蚀次数(N
th
)与通量(F)的函数关系式，得到与低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值(N
th1
)，进行预设待加工结构轮廓控制线处的冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀次数(N1)不超过所述低热累积式往复刻蚀次数临界值(N
th1
)；S3、从多个通量(F)中选取一个作为高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)，根据临界往复刻蚀次数(N
th
)与通量(F)的函数关系式，得到与高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)相对应的热临界往复刻蚀次数(N
th2
)，进行预设待加工结构轮廓控制线以内的轨迹填充区域的热刻蚀加工，其中，高热积累式往复刻蚀次数(N2)大于所述热临界往复刻蚀次数(N
th2
)，所述高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)大于或等于所述低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)。2.根据权利要求1所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，在步骤S1中，所述阈值饱和值(F
th
)通过测量得到，所述阈值饱和值(F
th
)是去除阈值的饱和值，相邻两个通量(F)之间的差值至少为2倍的阈值饱和值(F
th
)，以每个选取的通量(F)值为设置参数时为一组，以初始往复刻蚀频率(R0),在试片上进行多组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片的被刻蚀区域的形貌，确定并记录每组中刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数(N
th
)，得到临界往复刻蚀次数(N
th
)与通量(F)的函数关系式；在步骤S2中，将纤维复合材料的待加工界面放在焦点位置处，低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)设定为步骤S1中的多个通量(F)中的任一个，根据临界往复刻蚀次数(N
th
)与通量(F)的函数关系式得到与低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值(N
th1
)，按小于所述步骤S1中的初始往复刻蚀频率(R0)的低热累积式往复刻蚀频率(R1)，沿预设待加工结构的轮廓控制线进行冷刻蚀；在步骤S3中，将所述纤维复合材料的轨迹填充区域放在焦点位置处，设置纤维复合材料的轨迹填充区域的轨迹填充轨迹的形状、相邻轨迹填充线的距离(L
max
)和每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数(N2),其中,高热累积式往复刻蚀频率(R2)≥初始往复刻蚀频率(R0)，以所述高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)对轨迹填充区域进行热刻蚀加工。3.根据权利要求2所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；在所述步骤S1中，设定激光束的固定的扫描速度(v)，固定的脉冲重复频率(f)、固定的初始聚焦光斑直径(d)的初始聚焦光斑、初始聚焦光斑的重叠率(O)，按固定的初始往复刻蚀频率(R0)，选取4
‑
7个通量(F)，以每个选取的通量(F)为设置条件时为一组，在每组中所述往复刻蚀次数(N)逐次增加，在试片上进行4
‑
7组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片在步骤S2中被刻蚀区域的每组、每次的刻蚀槽，确定并记录刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数(N
th
)，确定每组中满足往复刻蚀次数(N)＞临界往复刻蚀次数(N
th
)的热损伤层刻蚀槽，从而得到临界往复刻蚀次数(N
th
)与通量(F)有序数对，拟合确定临界往复刻蚀次数(N
th

【专利技术属性】
技术研发人员：张加波，张开虎，路明雨，张所来，陈钦韬，张子岚，赵丹妮，刘新宇，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂有限公司，
类型：发明
国别省市：