CC BY
73
УДК 621.9.047
А.С. Щукин, аспирант, (4872)35-24-52, schukin_as@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНО-ИСКРОВОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Предложена технология лазерно-искрового формообразования твердых неметаллических материалов лазерными импульсами наносекундного диапазона посредством последовательного формирования «лункообразных» разрушений на поверхности обрабатываемого материала.
Ключевые слова: лазерное формообразование, наносекундные имплльсы, лазерная искра, механизмы формообразования, оптический пробой.
В настоящее время для формообразования твердых неметаллических материалов, таких, как различные виды стекла и керамики, в большинстве случаев используют механическую, ультравуковую или гидроабраивную обработку. Применение механической обработки сопровождается очевидными недостатаами: износом инструмента, необходимостью раделять обработку на несколько этапов (черновой, чистовой, доводочный) для достижения наилучшего кчества, ограниченностью обрауемых поверхностей. Ультразвуковое формообразование открывает перспективы обработки хрупких материлов, однако энергоемкость процесса, износ обрабатывающего инструмента и недостаточность геометрических параметров получаемых элементов выступают сдерживающими факторами при использовании данного метода. Следовательно, применение ультравукового формообрао-вания раличного рода прецизионных деталей затруднено, особенно в условиях массового производства, поскольку износ инструмента будет требовать его четой замены для достижения необходимой точности. Гидроабра-зивнл обработка материалов является производительным методом резания большого спектра твердых неметаллических материалов, однако, точность обработки (0,1 мм) и качество получаемой поверхности остаются неудовлетворительными для широкого круга применений.
Применение лаерного изучения (ЛИ) для обработки твердых диэлектрических материалов давно известно, но оно ограничивается в основном возможностью раделения по линии обработки. Лаерные методы ра-деления таких материалов по характеру воздействия можно классифицировать следующим о бра ом:
- плавление и испарение материла;
- скрайбирование и последующее механическое разламывание;
- термораскалывание за счет создания напряжений в стекле путем локального нагрева с обрлованием рлделяющей трещины во время обработки или после воздействия ЛИ.
В последнее время интенсивно исследуется применение мощного импульсного лазерного излучения для обработки хрупких прозрачных и непрозрачных материалов. Исследовалась обработка стекол пикосекундными импульсами (100 пс, 30 мДж) длиной волны 1,06 мкм [1]. Под воздействием импульсов ЛИ внутри стеклянного материала формируются серии каналов микротрещин (рис. 1). Образование каналов начинается с «выходной» грани, распространяется в объеме и заканчивается на «входной» поверхности образца.
Рис. 1. Формирование разделяющей поверхности посредством каналов
микротрещин: а - для тонких (толщина < 1 мм) стеклянных образцов, б - для тоястых (толщина > 1 мм) стеклянньы образцов: 1 - лазерный луч; 2 - образец; 3 -микроканалы; 4 - поверхность разделения;
5 - направление формирования поверхности разделения
Перемещение заготовки, перпендикулярное лучу, обеспечивает создание ряда таких каналов микротрещин. Каждый канал формирует в некоторой своей окрестности внутренние напряжения. При формировании в определенном порядке серии таких каналов микротрещин формируется будущая поверхность разделения. Последующая нагрузка всего образца изгибающим усилием сопровождается возникновением единой трещины, проходящей по сформированной поверхности из каналов микротрещин.
Проводились исследования [2, 3], в которых используемый диапазон длительностей импульсов составлял от 10 до 100 пс и расположение микротрещин было более равномерным по поверхности разделения материла от нижней гран образца до верхней, по всему контуру реза.
В работах [2, 3] впервые принято во внимание направление поляризации лазерного излучения. Морфология образуемой микротрещины имеет вытянутую поперечную форму вдоль плоскости поляризации, что определяет более эффективное взаимодействие микротрещин в данном направлении. В результате авторам удалось добиться полного разделения материла по поверхности (рис. 2), сформированной из микротрещин с точностью, соизмеримой с размером микротрещины (порядка 10 мкм).
Рис. 2. Разделяющая поверхность, сформированная из микротрещин с горизонтальным йх и вертикальным йг шагами
Мощное импульсное лазерное излучение, а именно образуемая им лазерная искра, является перспективным инструментом для различных операций формообразования твердых неметаллических материалов.
Были проведены исследования по взаимодействию наносекундного импульсного лаерного излучения (длина волны 1,06 мкм) с поверхностью флоат-стекла и установлено, что в результате таких воздействий формируются «лункообразные» рарушения этого материла (рис. 3), которые возникают в результате оптического пробоя в фокальной зоне, который сопровождается образованием лазерной искры.
' -Л-
******* А
35 мкм
б
а
Рис.3. Лунообразное разрушение после воздействия 5 импульсов: а - схематичное изображение (1- лазерный луч; 2 - образец;
3 - лазерная искра); б - фотография полученной лунки (вид сверху) (1 - центральное у рубление; 2 - зона потрескавшегося материала)
При последовательном формировании на поверхности обрабатываемого материала группы таких лунок на расстоянии Бн друг от друга происходит последовательный дискретный съем материала в виде отдельного слоя (рис. 4). Затем при осуществлении дальнейшего съема следующих слоев материала на обработанной поверхности обеспечивается формообразование поверхностей. Данный послойный съем материла позволяет реализовать получение сложных по форме поверхностей и их комбинаций.
Указанное расстояние между лунками Бн выбирается таким образом, что создаваемые соседние лунки в отдельном слое располагаются с перекрытием относительно друг друга. Перекрытие лунок в слое определяется следующим образом: пусть р - величина относительно перекрытия соседних лунок, тогда коэффициент перекрытия Кн, определяемый как отношение величины относительного перекрытия р к поперечному размеру лунки d, принимается от 0,1 до 0,9 в зависимости от типа обрабатываемого материала и формируемых геометрических элементов. При этом коэффициент перекрытия Кн может изменяться в пределах отдельного слоя для различных формируемых элементов и для более ровного формирования их границ.
Расстояние между отдельными слоями Бу выбирается таким образом, что создаваемые соседние слои располагаются с перекрытием. Коэффициент перекрытия между отдельными слоями Ку, определяется аналогично коэффициенту Кн: пусть р - величина относительно перекрытия соседних слоев, тогда коэффициент перекрытия Ку, определяемый как отношение величины относительного перекрытия р к глубине отдельной лунки И, принимается от 0,2 до 0,95 в зависимости от типа обрабатываемого материала и формируемых геометрических элементов. При этом для обеспечения оптимального последовательного дискретного съема материла каждая группа лунок очередного слоя смещается относительно группы лунок предыдущего слоя так, чтобы обеспечить «шахматный порядок» взаимного
Рис. 4. Схема процесса послойного формообразования: 1 - фокусируемый луч; 2 - обрабатываемый материал
расположения лунок в соседних слоях. Например, если группа лунок в первом слое формируется с параметром Бн = 0,03 мм, то группу лунок второго слоя необходимо сместить относительно первой группы на Бн/2.
Разработанный способ осуществляется по двум принципиальным схемам.
Суть первой схемы процесса лазерно-искрового формообразования поверхности обрабатываемого материала (см. рис. 4) описана выше. Она заключается в том, что лазерное излучение фокусируется на входной обрабатываемой стороне.
Приведенная схема имеет ограничение, поскольку фокусируемое излучение имеет вид сходящегося конуса и при погружении на определенную глубину плазменного канала относительно поверхности обрабатываемого образца часть луча перекрывается краями обработанной поверхности (рис. 5). В результате этого вертикальные стенки формируемой поверхности будут иметь наклон а ~ агС^(Б/2Е), где Б - диаметр лазерного луча до фокусировки, Б - фокусное расстояние объектива. Следовательно, рассматриваемая принципиальная схема пригодна при разделении тонкого листового материала (например, керамических или стеклянных пластин) или при операциях формообразовании, не требующих получения вертикальных стенок с углом наклона меньше указанного.
Рис. 5. Образуемая наклонная стенка: 1 - лазерный луч; 2 - обуюец;
3 - полученное углу бение
Втора схема применима к материалам, являющимся прозрачными для используемого лазерного излучения, и заключается в формообразовании поверхности «выходной» гран обрабатываемого образца по отношению к направлению распространения лазерного излучения (рис. 6).
Укзанная схема предусматривает, что фокусировк импульсов лазерного излучения осуществляется на противоположенной стороне обрабатываемой заготовки. При этом характер образования лункообразных разрушений аналогичен приведенному в предыдущей схеме.
Такой подход предъявляет ряд условий: во-первых, материал должен быть прозрачен для лазерного излучения и «входная» поверхность должна
/ 2 3
быть отполирована, во-вторых, наличие неоднородностей и свилей в объеме материала может привести к отклонению плазменного канала от заданной траектории при обработке, в результате чего процесс может быть нарушен.
Рис. 6. Схема лазерно-искрового формообразования в направлении от выходной л входной грани образца:
1 - лазерный луч; 2 - образец; 3 - напр тление формообразования;
4 - формируемая поверхность
Вместе с тем, така схема формообразования позволяет формировать строго вертикальные поверхности, то есть поверхности, параллельные направлению распространения лазерного излучения, что, в свою очередь, позволяет, например, формировать узкие и одновременно глубокие элементы в обрабатываемом материале.
Обе схемы лазерно-искрового формообразования могут использоваться как по отдельности, так и в комбинации друг с другом. Такой подход определяет большое чело возможных схем формообразования (рис. 7).
Ниже приведены примеры получаемых изделий с помощью разработанной технологии лазерно-искрового формообразования. Обработка выполнена с применением импульсного Кё:ИАГ-лазера, работающего в режиме модуляции добротности, длительностью импульса 20 нс и энергией в импульсе 20 мДж, на длине волны 1,06 мкм.
Пример 1-3. Получение отверстий в флоат-стекле толщиной 4 мм: круглого (0 3 мм), эллиптического (1x3 мм) и прямоугольного (1x3 мм) (рис. 8).
Шага формирования лунок: по горизонтали - 0,03 мм; по вертикали -
0,05 мм. Коэффициенты перекрытия КН = К = 0,1. Поскольку данный материл прозрачен для используемого лазерного излучения, то используется схема формообразования от выходной гран. Толщина удаляемого слоя материла для обеспечения полного разделения обрабатываемых изделий в данных и последующих примерах использования способа, принимлась равной 0,05 мм, что позволяло беспрепятственно удляться отходам обработки.
Рис. 7. Моделилжеут-искроого фоумообуюования: а -цилиндрического отверстия; р - эллиптического отверстия;
в - винтового элемента
а р в
Рис. 8. Вырезание отверстий уазличтй формы
Пример 4. Получение отверстия с комбинацией цилиндрического и конического проф илей из флоат-стекла толщи ой 4 мм. Отверстие состоит
из цилиндрической части диаметром 2,5 мм и конической чети с углом схождения конуса 60° (рис. 9).
у* ":Ч
Рис. 9. Отверстие с комбинацией цилиндрического и конического профиля
Шаги формирования лунок: по горизонтали - 0,03 мм; по вертикали
- 0,05 мм. Коэффициенты перекрытия КН = Ку = 0,3. Использовалась схема формообразования от выходной грани.
Пример 5. Получение детали типа «винт» М3 с с потайной головкой по ГОСТ 17475-80 (рис. 10) из флоат-стекла толщиной 3 мм. Параметры обработки аналогичные примеру 4.
Рис. 10. Винт М3, полученный из флоат-стекла толщиной 4 мм
Пример 6. Получение сквозного отверстия диаметром d = 1 мм в оптическом стекле К8 толщиной 25 мм (d/1 = 0,04). Шаги формирования лунок: по горизонтали - 0,01 мм; по вертикали - 0,03 мм. Коэффициенты перекрытия КН = Ку = 0,1. Использовалась схема формообразования от выходной грани.
Пример 7. Маркирование поверхности флоат-стекла (рис. 11). Надпись маркировки «ФХПиТ» осуществлялась в виде рельефа с глубиной 1,5 мм. Шаги формирования лунок: по горизонтали - 0,01 мм; по вертикали - 0,03 мм. Коэффициенты перекрытия КН = Ку = 0,3. Использовалась схема формообразования от входной грани.
5 мм
Рис. 11. Маркировка флоат-стела на глубину 1,5 мм
Пример 8. Многопроточна фильера из флоат-стекла толщиной 8 мм (рис. 12). Шага формирования лунок: по горизонтали - 0,01 мм; по вертикали - 0,03 мм. Коэффициенты перекрытия КН = Ку = 0,3. Использовалась схема формообразования от выходной грани.
Рис. 12. Многопроточная фильера из флоат-стекла толщиной 8мм
Пример 9. Стеклопрокладка из флоат-стекла толщиной 3 мм (рис. 13).
Рис. 13. СтеклопроклаРка из флоат-стела толщиной 3 мм
Шаги формирования лунок: по горизонтали - 0,01 мм; по вертикали
- 0,03 мм. Коэффициенты перекрытия КН = Ку = 0,3. Использовалась схема формообразования от выходной грани.
Способ лазерно-искрового формообразования твердых неметаллических материалов, в том числе оптически прозрачных материалов, и его
дальнейшая разработка позволят обрабатывать большое число различных видов стекла и керамик.
Технология может быть использована в специальных отраслях машиностроения, приборостроения, в стеклообрабатывающей промышленности для формообрлования, резания, получения деталей сложной пространственной формы, матирования поверхности, гравировки и маркировки различного стекла и керамики, в авиационной промышленности при изготовлении деталей конструкционной оптики, а также в других областях техники и производства, где требуется обработка твердых неметаллических материалов, преимущественно различного стекла и керамики.
Библиографический список
1. Любимов В. В., Щукин А. С. Анализ технологии лазерноискрового формообразования (ЛИФ) твердых материалов // Современна электротехнология в промышленности центра России: c6. трудов региональной НТК. 2009. С.54-60.
2. Любимов В. В. Щукин А. С. Лазерное разделение оптически прозрачных материалов наносекундными импульсами // Современна электротехнология в промышленности центра России: c6. трудов регионльной НТК. 2007. С .8-14
3. Стригин М.Б., Чудинов А.Н. Ллерная обработка стекла пикосекундными импульсами // Квантовая электроника. 1994. №28. С. 787-790.
4. Щукин А. С. Любимов В. В. Ллерное формообрловлие стекла наносекундными импульсами // Современна электротехнология в промышленности центра России: c6. трудов региональной НТК. 2008. С. 120-128.
5. 2264183. Способ рлделения твердых прозрачных пластин со светоизучающими или микроэлектронными структурами: пат. Рос. Федерация
6. 2254229. Способ резки прозрачных неметаллических материл ов. пат. Рос. Федерация
7. Chris B. Schaffer Interaction of femtosecond laser pulsed with transparent materials. Massachusetts: Harvard University. Cambridge 2001.
A. Schukin
Technology laser-induced breakdown forming solid nonmetallic materials
The technology of laser-spark forming solid nonmetallic materials by laser pulses of nanosecond range, the creation through the formation of a coherent "hole-type" damage on the surface of the material.
Получено 12.11.2009
