一种基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法

2000mm/s。
10.步骤四、粗铣削加工完成后，在保护性气氛中对金属样品进行再次激光铣削加工，得到加工试样；优选的，所述保护性气氛为氮气或惰性气体；所述再次激光铣削加工的工艺参数包括纳秒激光的平均功率，调整范围为50-800w；激光波长，调整范围为193-1070nm；激光脉冲重复频率，调整范围为1-70khz；激光脉冲宽度，调整范围为1-1000ns；光斑直径，调整范围为20-5000μm；填充线间距，调整范围为0.01-0.5mm；扫描速率，调整范围为500-5000mm/s。
11.本申请利用激光铣削金属构件过程中材料逐层去除特点，基于气氛与激光加工参数的动态调控，将激光铣削过程分为两个阶段，其中：在含氧气氛中对金属样品进行一次激光铣削加工属于粗铣削过程，达到快速去除表面材料的目的，其原因在于含氧气氛中金属会发生氧化反应，氧化反应是放热反应，释放出的热量促进了激光铣削过程中材料的汽化，所以在含氧气氛中进行激光铣削效率更高；在保护性气氛中进行再次激光铣削加工属于精铣削过程，该步骤的目的是去除铣削过程产品表面产生的氧化金属及元素气化层，以改善产品铣削表面质量。综上，本发明通过将激光铣削过程分为粗铣削和精铣削两阶段，在提高铣削效率的同时保证最终铣削表面的综合性能。本发明采用纳秒激光加工系统，对金属构件表面进行柔性化的快速铣削加工，可以代替传统cnc加工、化学蚀刻等方法。
12.具体的说，本发明包括以下优点：
13.(1)采用激光铣削加工金属构件柔性化程度高、无工具损耗，加工过程环保无污染；
14.(2)通过加工气氛和加工工艺的动态调控，在提高激光铣削效率以及降低铣削成本的同时，保证产品激光铣削表面质量与性能。
附图说明
15.图1为对比例1-3中不同气氛下激光铣削模具钢时材料去除深度(a)和表面质量(b)；
16.图2为实施例1中基于气氛调控的激光铣削模具钢时材料去除深度(a)和表面质量(b)；
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
18.对比例1
19.(1)利用线切割截取块状的cr12mov模具钢样品，利用砂纸对表面进行抛光处理；
20.(2)取模具钢样品放置在激光铣削加工平台上，调节其位置使其加工表面对准激光束焦点；
21.(3)选定模具钢表面4mm
×
4mm的区域，使其在氩气气氛中对该区域进行直接激光铣削加工；激光铣削加工的工艺参数均为：激光功率为70w，波长1064nm，脉冲重复频率为55khz,脉冲宽度为24ns,光斑直径为30μm，填充线间距为30μm，扫描速率为500mm/s；激光束
在同一区域循环扫描50次；气体流速为5l/min；制得的样品记为试样1。
22.对比例2
23.参考对比例1中的激光铣削工艺，区别在于将步骤(3)中的氩气气氛改变为压缩空气气氛，其他操作方法均与对比例1相同，制得的样品记为试样2。
24.对比例3
25.参考对比例1中的激光铣削工艺，区别在于将步骤(3)中的氩气气氛改变为氧气气氛，其他操作方法均与对比例1相同，制得的样品记为试样3。
26.对试样1、试样2、试样3进行测试分析，结果如图1所示，如图1(a)，当气氛由氩气变为压缩空气、氧气时，激光铣削效率分别提升16％和64％。如图1(b)，在压缩空气、氧气气氛中，激光铣削表面发生高温氧化反应，激光铣削后表面质量变差。
27.实施例1
28.(1)利用线切割截取块状的cr12mov模具钢样品，利用砂纸对表面进行抛光处理；
29.(2)取模具钢样品放置在激光铣削加工平台上，调节其位置使其加工表面对准激光束焦点；
30.(3)选定模具钢表面4mm
×
4mm的区域，使其在氧气气氛中对该区域进行一次激光铣削加工；一次激光铣削加工的工艺参数为：激光功率为70w，波长1064nm，脉冲重复频率为55khz,脉冲宽度为24ns,光斑直径为30μm，填充线间距为30μm，扫描速率为500mm/s；激光束在同一区域循环扫描40次；气体流速为5l/min；
31.(4)对经过一次激光铣削加工的区域在氩气气氛中进行再次激光铣削加工，得到试样4；其中再次激光铣削加工的工艺参数为：激光功率为70w，波长1064nm，脉冲重复频率为55khz，脉冲宽度为24ns，光斑直径为30μm，填充线间距为30μm，扫描速率为500mm/s；激光束在同一区域循环扫描10次；气体流速为5l/min；
32.对试样4进行表征，结果见图2。从图2(a)可看出，试样4表层材料去除深度较传统氩气铣削提高52.5％。从图2(b)可看出，试样4的表面光亮，表面质量优异。
33.对试样1、试样2、试样3、试样4进行表层显微硬度检测，结果见下如表1。由于氧气和压缩空气气氛下(试样2和试样3)激光铣削表层发生强化元素选择性挥发，表面重熔层的硬度较氩气气氛下(试样1)激光铣削后低。采用氧气和氩气分别进行粗铣和精铣后(试样4)，铣削表面重熔层硬度与传统氩气气氛下激光铣削相近。因此，采用基于气氛调控的激光铣削方法不仅能够提高加工效率而且可以保证铣削表层硬度。
34.表1各对比例和实施例制得的不同试样距铣削表面不同位置处显微硬度结果
35.

技术特征：
1.一种基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、选取金属样品，对其加工表面进行抛光清洗处理，使其达到表面质量要求；步骤二、将金属样品放置在激光铣削加工平台上，调节其位置使其加工表面对准激光束焦点；步骤三、根据加工需求，在含氧气氛中对金属样品进行一次激光铣削加工；步骤四、所述一次激光铣削加工完成后，在保护性气氛中对金属样品进行再次激光铣削加工，得到加工试样。2.根据权利要求1所述的基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，其特征在于：步骤一中，所述金属样品的材质为钢、铝或钛。3.根据权利要求1所述的基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，其特征在于：步骤一中，所述抛光清洗处理的方法为人工抛光或机械抛光。4.根据权利要求1所述的基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，其特征在于：步骤三中，所述含氧气氛为含有氧气的空气或者是纯氧气气体。5.根据权利要求1所述的基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，其特征在于：步骤三中，所述一次激光铣削加工的工艺参数包括纳秒激光的平均功率，调整范围为20-1500w；激光波长，调整范围为193-1070nm；激光脉冲重复频率，调整范围为1-70khz；激光脉冲宽度，调整范围为1-1000ns；光斑直径，调整范围为20-1000μm；填充线间距，调整范围为0.01-0.1mm；扫描速率，调整范围为10-2000mm/s。6.根据权利要求1所述的基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，其特征在于：步骤四中，所述保护性气氛为氮气或惰性气体。7.根据权利要求1所述的基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，其特征在于：步骤四中，所述再次激光铣削加工的工艺参数包括纳秒激光的平均功率，调整范围为50-800w；激光波长，调整范围为193-1070nm；激光脉冲重复频率，调整范围为1-70khz；激光脉冲宽度，调整范围为1-1000ns；光斑直径，调整范围为20-5000μm；填充线间距，调整范围为0.01-0.5mm；扫描速率，调整范围为500-5000mm/s。

技术总结
本发明公开了一种基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法，属于激光精密铣削领域。具体步骤包括：对金属样品的加工表面进行抛光清洗处理、将样品放置在激光加工平台上、在含氧气氛中对金属样品进行一次激光铣削加工、在保护性气氛中对金属样品进行再次激光铣削加工。其中：在含氧气氛中对金属样品进行一次激光铣削加工属于粗铣削过程，其能够达到快速去除表面材料的目的；在保护性气氛中进行再次激光铣削加工属于精铣削过程，其目的是去除粗铣削过程中产品表面产生的氧化金属及元素气化层，以改善产品铣削表面质量。本发明通过气氛调控，在提高激光铣削金属构件效率以及降低铣削加工成本的同时，保证激光铣削表面质量与性能。能。能。


技术研发人员：管迎春 李兴
受保护的技术使用者：北京航空航天大学合肥创新研究院（北京航空航天大学合肥研究生院）
技术研发日：2021.05.10
技术公布日：2022/11/10