｜應用於模具製造之脈衝雷射複合微切削加工

摘要：雷射複合加工為硬質與不易加工材料的加工方法之一，透過雷射光束聚焦魚工件表面以預熱方式沿著切削路徑局部熱軟化，雷射複合目的乃增加材料移除速度與效率，雷射複合微銑削/車削是加工精微特徵模具有效潛在之製程。使用脈衝雷射複合微切削可應用於模具製造，這種創新技術利用脈衝雷射聚焦於工件小區域造成材料熱軟化，之後立刻以微切削製程進行材料移除。本文提供脈衝雷射複合微銑削與車削之基礎了解，利用有限元素模擬微銑車削局部熱軟化影響，工件在有無雷射輔助微銑車削實驗與有限元素製程模擬中，探討脈衝雷射熱軟化對於降低切削力之影響及其對切削工具昇溫的影響；另金屬中心亦投入雷射複合銑削製程，進行一細小不鏽鋼棒材固定於旋轉軸上，其表面設計以類螺紋之微溝槽，經由高移除率脈衝雷射加工與高精度微銑削精加工，達到複合製程高精度、高效率之目的。

Abstract: Laser hybrid machining is an alternative to conventional machining of hard and difficult-to-process materials and involves pre-heating of a focused area with a laser beam over the surface of work pieces to cause localized thermal softening along the path of cutting action. The main advantage of laser hybrid machining is the increased material removal rate and productivity. Laser hybrid micro-milling and turning are processes that effectively exists at the meso-micro scale which enables processing die/mold material alloys while reducing the heat affected zone. This technology introduces thermally softening only to the focused micro scale area of work material with induced heat from pulsed laser, and material removal is performed immediately after micro mechanical and cutting. This paper introduces a fundamental understanding of pulsed laser hybrid micro-milling and investigates the influence of pulsing in micro localized thermal softening coupled with finite element simulation of micro-milling and turning process. Experimental and finite elemental method process simulation for micro-milling and turning of work piece with and without the laser assistance were performed to study the influence of pulsed laser thermal softening in the reduction of cutting forces and its influence in the temperature rise of cutting tools. Another this research at MIRDC, laser machining is used as the first process to remove material with high feed rate on a small stainless rod fixed on a rotary axis, and the micro-milling module is used for precise profile machining on the screw grooves. The improvement of machining efficiency using hybrid process is shown in this research.

關鍵詞：脈衝雷射複合微銑削/車削、有限元素分析、熱軟化

Keywords：Pulsed laser hybrid micro milling/turning, Finite element analysis, Thermal softening

前言
高深寬比及表面精微（0.1-100 μm）產品之需求於航太、汽車、生醫、光學、微電子、封裝工業持續成長，精微機械加工金屬組件具直接、快速製造、複雜幾何結構與高彈性之能力已獲得工業界普遍認同，而雷射複合加工是一種製造工法作為傳統硬質與不易加工材料選項 [1]，雷射複合加工指雷射光束聚焦工件表面區域預熱造成沿著切削路徑之局部加熱與熱軟化雷射輔助加工，其優於傳統加工之特點乃增加材料之去除率、效率與刀具壽命[2~4]。

微銑/車削經探討、分析與機械模型較佳製程規劃已被開發[5~6]，在雷射複合微銑/車削製程中，切削邊緣幾何結構於材料熱軟化後進行加工時，產生過度熱變形造成不理想切削之側面毛邊，然而雷射複合精微機械加工之基本探討顯示對切削力降低有一些效益，但其對表面整合與刀具壽命改善仍未解決[7~8]，雷射一般分類為二大類，即連續與脈衝雷射，短脈衝雷射（μs與ns）於目前研究較受到注目，由於雷射直接去除加工非本研究目的，超短脈衝雷射雖具有無火山口及甚少熱影響區域或融渣優勢，對於局部預熱且無熔融狀態是不理想的，然而這些雷射對於精密精微加工與最低破損材料之熱加工在未來甚具潛力。

脈衝雷射加工主要參數包括：
（1） 雷射光班與光束品質：光束品質檢測是藉由能量、聚焦能力與均勻性展現，若光束無法控制尺寸，雷射影響區域可能大於側壁斜坡之預期尺寸。
（2） 峰值功率：峰值功率須能軟化工件，若功率不夠大易造成直接之消蝕，雷射光束強度在最佳值時，材料局部軟化是可能發生。
（3） 脈衝時間：理論上，脈衝時間不應比熱擴散到切削區之熱傳導時間更長，短脈衝時間可達到較大峰值功率及降低熱擴散到周遭本體工作材料而形成局部加熱。
（4） 脈衝重複頻率：於理想狀態，脈衝速率應與工件邊緣切削速率一致，當切削發生及於切削間最大滯留時間造成僅熱之傳輸，增加脈衝頻率也可提高進給率，但可能受限於雷射最高之脈衝頻率，若脈衝頻率太低，能量將於預熱區域擴散至工件本體加熱，造成熱能浪費，而較高脈衝頻率可能限制傳導時間，於接近切削區域保留熱能可使得製程更有效率。