飞秒激光微加工的系统建立及工艺研究

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1、硕士学位论文飞秒激光微加工的系统建立及工艺研究RESEARCHONEXPERIMENTALSYSTEMANDTECHNIQUEOFFEMTOSECONDLASERMICROMACHINING盖晓晨哈尔滨工业大学2013年7月国内图书分类号：TH161+.1学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文飞秒激光微加工的系统建立及工艺研究硕士研究生：盖晓晨导师：赵清亮教授申请学位：工学硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2013年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH161+.1U.D.C:621Dissertationfor

2、theMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONEXPERIMENTALSYSTEMANDTECHNIQUEOFFEMTOSECONDLASERMICROMACHININGCandidate：GaiXiaochenSupervisor：Prof.ZhaoQingliangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2013Degre

3、e-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要碳化硅(SiC)陶瓷等超硬材料因其独特的性能在制造微结构元件的模具领域有广泛应用；磨削作为目前最为可行的超硬材料精密加工手段，面临着砂轮磨损迅速以及非连续表面的内尖角难加工的问题。碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域中有愈加广泛的应用，在目前针对该材料的切削所使用的方法中存在着出现毛刺、分层、热影响等问题。本文针对以上问题，提出了SiC陶瓷微结构的飞秒激光加工工艺方案，作为磨削前的半精加工以减少砂轮磨损；以及展开对碳纤维增强树脂基复合材料的飞秒激光切

4、割工艺研究，探索这种新手段的切割性能。本文设计并搭建了由光源单元、光路传输单元、三维平移台、辅助单元组成的飞秒激光微加工系统；设计了焦点位置调节的方案；基于VC++环境开发了系统的控制软件，实现对三维平移台与激光快门的控制。整个系统硬件与软件的实现保证了系统可以进行高精度、高重复性的加工。本文分析了飞秒激光的扫描速度(v)、脉冲能量(P)对SiC材料去除的影响，在此基础上对加工三维微结构的参数进行优选；利用优选参数分别采用透镜聚焦和显微物镜聚焦两种方式对三维微结构进行加工；利用扫描电镜、轮廓仪等分析加工微结构的表面形貌和面形精度。结果表明，两种聚焦方式对SiC进行微结构的最佳参数均在为v

5、=1mm/s、P=10μJ附近，显微物镜聚焦方式获得的面形精度更高，但加工效率低；因此透镜聚焦方式适用于加工尺寸稍大、对面形精度要求不高的微结构，显微物镜聚焦方式适用于加工尺寸较小、对面形精度要求稍高的微结构。实验验证了飞秒激光微加工可作为超硬材料微结构的磨削加工前半精加工的可行性。分别利用逐行扫描、逐层扫描的方式对碳纤维增强树脂基复合材料进行切割，分析激光功率、扫描速度、加工方式对切割深度、切缝倾角、切口特性及切割面表面形貌的影响。实验证明逐层扫描后方式更适合该材料的切割；获得切缝约为0.6mm，切深受功率变化最显著，最高切深和切缝垂直度在320mW、1mm/s的参数下获得，切深为2.

6、5mm左右，切缝倾角7.5°左右，切深还可以通过增加每层的扫描行数继续增加；切口无毛刺或崩碎产生，切割面表面形貌均一平整，但切缝底部的切面上存在氧化和碳纤维裸露现象，表面粗糙度为1μm~1.5μm左右。关键词：飞秒激光；碳化硅；微结构加工；碳纤维增强树脂基复合材料；切割-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSiliconcarbide(SiC)ceramicshowsabroadapplicationbackgroundinthefieldofmicromoldmanufacturingduetoitsexceptionalproperties.Althoughgrindin

7、gisthemosteffectivemethodforultra-hardmaterialprecisionmachiningatpresent,therearesomeproblemssuchaseasilywearingofgrindingwheelanddifficultyinmachiningtheinnerpointedangleofcomposedfaces.Resin-basedcarbonfibercomposit