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为什么选择激光陶瓷打孔技术?

为什么选择激光陶瓷打孔技术? CERADIR先进陶瓷在线
2023-02-28
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陶瓷是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。是一种高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化的功能材料,特点是硬度高、刚度高、强度高、无塑性、热稳定性高、化学稳定性高等,同时也是良好的绝缘体,常常用于军工、航空航天、高端PCB等领域中。


然而陶瓷材料在机械加工成型过程中受工艺条件的限制,无法准确预留用于装配的各种孔、槽、边,所以在工程陶瓷产品上进行打孔加工是生产中经常需要的,同时这也是陶瓷加工的一个重要技术。


而陶瓷材料高硬度高脆性、容易碎裂的特点,使陶瓷的精密钻孔加工,特别是小孔和微孔加工、成型加工、螺纹加工等等,都需要很好的加工工艺,才能扩大材料的可加工性范围,使其能更广泛的应用。目前陶瓷材料打孔的技术主要有机械加工、超声波加工、激光加工等方法。


机械打孔法

机械打孔是目前使用最广泛的方法,该法采用金刚石空心钻,利用空心钻的旋转进行磨削而不断切入到陶瓷材料中,直到穿透为止。这种方法特别适合数毫米以上直径的圆孔洞的加工。


缺点:

1.由于陶瓷硬度高,钻头磨损严重;

2.陶瓷脆性大,在孔的入口和出口处易产生崩刃现象,影响孔的加工质量

3.加工过程产生大量碎屑和粉尘,加工环境有待改善。


超声波打孔法

超声波打孔对于抗拉强度低的陶瓷材料采用超声加工是适宜而有效的方法之一,因为超声加工是超声波发生器通过将电能转变为超声电频振荡,并固定在振幅扩大工具上,产生超声振动,使工具与工件之间的液体磨粒以很大的速度和加速度不断撞击和磨削被加工表面,因此加工效率与超声波输出功率、磨粒种类、加工速度等有关。


缺点:

1.加工工具的更替比较麻烦;

2.由于加工而产生的工具质量变化或力的传导等因素而使加工质量受到微妙影响;

3.其加工精度受到其加工振幅限制,更适合于表面切削和复杂三维型面的加工,无法满足高精度数百微米级别微孔加工的需求。


激光打孔法

陶瓷激光切割打孔


激光打孔在陶瓷这样的超硬材料的小孔加工具有高效率、成本低、质量好等特点。激光加工一般采用脉冲激光器,激光束通过光学系统聚焦在陶瓷工件上,利用高能量密度(106~109W/cm2)的激光脉冲使被加工表面部位熔融、气化和蒸发,从而去除材料实现小孔加工。


在打孔过程中,首先使用打孔模式制备足够尺度的小孔,从而使后续的切割过程从此处开始作业。钻孔或穿透过程需要具有高峰值功率的可重复脉冲激光束,同时配合较高的气压来实现,工件穿透之后,激光束通过峰值功率降低甚至转变为无脉冲模式实现切割。


光纤激光器常用于陶瓷精密加工,一般激光焦斑直径≤0.05mm,根据陶瓷板材厚度尺寸不同,一般可通过控制离焦量来实现不同孔径的通孔打孔,对于直径小于0.15mm的通孔,可通过控制离焦量实现打孔。

 激光束的聚焦 

在激光打孔模式下,需要使用短焦距透镜将脉冲激光的高峰值功率光束聚焦到直径为0.6毫米数量级的光斑上以达到钻孔所需要的功率密度水平。


通过特定的激光谐振器可以实现激光束的低发散度。通过改变聚焦装置的光圈可以实现光束直径的控制。因此光圈可以用来提高聚焦光束的能量密度,提高光束的强度分布。

激光打孔技术的优势

激光钻孔具有激光切割的大部分优点。它仅需要使光束与材料表面形成一定的角度就可实现激光束的摄入打孔,有效避免了机械加工时因结构干涉带来的撞击破碎事件的发生。

 激光打孔其他优势 

  1. 属于非接触加工,不划伤工件,不会对材料造成机械挤压或机械应力,安全可靠。

  2. 操作简单,加工速度快、效率高,并且用计算机控制易于实现机械化。

  3. 精密度高,速度快,切缝窄,热影响区小,切割面光滑无毛刺。加工成本低,工艺水平高等。

  4. 切缝窄,热影响区小,工件局部变形极小,无机械变形。

激光打孔用于陶瓷机身的部位主要是外壳听筒及天线打孔、耳机打孔等部位,具有效率高、成本低、变形小、适用范围广等优点。通过优化激光加工工艺参数,可以加工出更高质量的微孔。所以相对于陶瓷材料,激光打孔工艺是占据了很全面的优势。

本文来源于公众号“精密加工前沿”

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