對(duì)于高精密的應(yīng)用，固定加工頭微切割是一種有潛力、在一些應(yīng)用可以替代掃描振鏡冷消融的加工方式。該加工方式可進(jìn)一步通過錐角補(bǔ)償、加工氣體供給或工件處理優(yōu)化。

介紹

超短脈沖（USP）激光器現(xiàn)在已經(jīng)慢慢從研究實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到了工業(yè)微加工。皮秒和飛秒級(jí)別的脈沖寬度使得材料能夠不經(jīng)過液化直接氣化。通過冷消融可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃、金屬、陶瓷和聚合物的逐層去除。鐘表業(yè)正在使用這種技術(shù)進(jìn)行精細(xì)雕刻，掃描振鏡對(duì)復(fù)合材料的切割和鉆孔不會(huì)造成任何的熱影響區(qū)（HAZ），因而產(chǎn)生的表面和邊緣質(zhì)量較高（見圖1）。 

圖1：USP激光器通過冷消融的方式進(jìn)行微加工。
左：在一個(gè)聚合物芯片系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室上約200μm寬的微通道。
右：高邊緣質(zhì)量的銅表針，顯示出一個(gè)明顯的錐角（寬度為0.7mm）。

超短激光脈沖消除熱影響

然而，對(duì)于某些應(yīng)用，使用掃描振鏡冷消融的加工方式得到的精度與錐角是不夠的。錐角是在切割縫的邊界時(shí)產(chǎn)生的，部分是因?yàn)榧す饽芰棵芏龋繂挝幻娣e的能量）在那里比較低，部分是因?yàn)椴牧显谀抢镌俪练e。對(duì)于這些應(yīng)用，使用固定加工頭、加工氣體噴嘴和高精度軸是很有優(yōu)勢的。然而，軸的加速度和速度與掃描振鏡相比是微不足道的。因此，激光引入的熱量在固定加工頭的應(yīng)用中會(huì)比較多。即使是局部熔化材料也不能完全排除這種現(xiàn)象。盡管如此，可以依舊保持工件質(zhì)量。與固體激光器和CO2 激光器的“熱”激光切割相比，超短脈沖確保引入的熱量在時(shí)間和空間上是可控的。因此，仍然不會(huì)對(duì)工件造成熱影響。用固定加工頭的USP激光微切割就如同微米范圍的熱加工。

更加陡的錐角和良好的邊緣質(zhì)量

與掃描振鏡的冷消融加工方式相比，如果能正確采用固定加工頭微切割加工，則能形成更陡的錐角，同時(shí)保持良好的邊緣質(zhì)量。優(yōu)化的噴嘴能夠提供加工氣體，在高壓下去除材料的切縫。除了激光參數(shù)，噴嘴的幾何形狀和位置，以及加工氣體的類型和壓力同樣顯著影響著切割效果。另一個(gè)重要的方面就是合適的工件固定夾具的發(fā)展，同時(shí)支持可靠的固定和材料的自由切割（圖2）。要將設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入激光系統(tǒng)加工時(shí)，必須考慮激光的切入以及出口的位置。當(dāng)涉及高精度，工藝的開發(fā)和質(zhì)量的控制時(shí)，就需要適當(dāng)?shù)臏y量設(shè)備，才能夠可靠地測量幾微米和表面粗糙度值低于一微米的公差。

圖2：與掃描振鏡冷消融加工方式相比，固定加工頭微切割能產(chǎn)生更高的精度和更陡的錐角。

                                                     左：直徑約5毫米的齒輪。

                                                     右：為了實(shí)現(xiàn)良好的質(zhì)量，由噴嘴（頂部）提供加工氣體和合適的工件固定是必不可少的。

固定光學(xué)能夠?qū)饘?、硅和陶瓷等材料進(jìn)行微切割（圖3）。為了提高成本效率和生產(chǎn)率，可以考慮平行的加工頭。通快高功率超短脈沖激光TruMicro支持這樣的分光方法（圖4）。

圖3：固定光學(xué)微切割陶瓷。
左：約5mm直徑的部分，是鐘表行業(yè)應(yīng)用的一個(gè)測試幾何形狀。
右：藍(lán)寶石和硅也可以用這個(gè)方法來切割。

提高零件質(zhì)量的后續(xù)處理方法

各種后續(xù)的處理也許能夠進(jìn)一步提高工件質(zhì)量。在絲電火花加工和微細(xì)銑削的情況下，可以考慮熱處理以獲得目標(biāo)強(qiáng)度、硬度或退火材料。為了優(yōu)化粗糙的表面，如果需要的話，可以用一些化學(xué)的機(jī)械后處理方法。激光切割工件，有時(shí)會(huì)通過電化涂層來達(dá)到理想的表面。鐘表業(yè)是應(yīng)用固定光學(xué)微切割或鉆加工方式最重要的領(lǐng)域之一，如紅寶石微軸承、手表手柄或其他元素。

圖4：TruMicro 5000皮秒和飛秒系列激光器可提供的平均功率達(dá)100瓦，脈沖能量高達(dá)250 微焦耳。超短脈沖的脈寬與其它參數(shù)結(jié)合，有助于減少和消除熱影響區(qū)域（HAZ）。

為鉆小孔設(shè)計(jì)的開孔加工頭

在加工過程中，通常我們需要得到一個(gè)陡的90度錐角。對(duì)于小孔的鉆孔，使用所謂的開孔加工頭可以做到。當(dāng)它涉及到更復(fù)雜的幾何形狀的微切割時(shí)，這種類型的方法也變得越來越有優(yōu)勢。從熱管理的角度來看，這個(gè)加工方式與使用精確的機(jī)械軸固定加工頭微切割來加工是類似的。然而，一些開發(fā)工作仍需改進(jìn)現(xiàn)有開孔加工頭，使得它們變得更人性化，適用于比較復(fù)雜的工業(yè)微切割應(yīng)用。一個(gè)有趣而具有挑戰(zhàn)性的選擇是工件夾具由一個(gè)傾斜的錐角來補(bǔ)償，特別是切割出整個(gè)工件。