專利名稱：包含有采用飛秒激光燒蝕步驟的生產微米級或納米級機械零件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生產微米級機械零件與納米級機械零件的方法本發(fā)明還涉及由上述方法生產的零件，而這些零件是用于鐘表制造業(yè)領域或此外的領域，例如測量儀表、光學、光電子學等，或需要高的加工精度的其他領域，但不包括燒蝕生物材料的領域。
本發(fā)明還涉及生產傳動件，例如皮帶、皮帶輪、齒輪等，特別是用于鐘/表制造中的那些傳動件的方法背景技術國際申請WO04006026描述了利用皮帶或皮帶輪進行傳動的鐘/表制造裝置。設有齒輪或其他類型的同步或異步傳動裝置的鐘表機件是周知的。但是常常需要使這類機件的零件微型化。
這些不同傳動裝置的生產由于人們所希望采用的尺寸與材料而受到嚴格限制。就所涉及到的幾何結構與精度而論，這方面的要求是嚴苛的。這樣，在生產常常是小尺寸的，且是由非金屬的、聚合的、有機或復合材料制的軟性機械傳動件例如皮帶，或是軟性或剛性機械零件時，就會帶來很大的困難。這些零件的尺寸通常小于2mm而齒距小于2mm，甚至約百分之幾毫米。
內行人將碰到下述問題-難以進行機加工或難以控制機加工過程；-材料的可控行為(理化性質)差；-不適合于用模型制造然后來復制復雜的特別是翹曲的表面；-難以采用分層的或復合的材料；-難以引入功能性形狀例如齒圈形狀的清晰輪廓；-在皮帶情形，缺乏牽引力增強件或低摩擦系數(shù)外套。
為此，在現(xiàn)有技術中需要有新的方法來生產允許在尺寸比例(分辨率)從毫米(10-3米)到納米(10-9米)條件下進行機加工的機械零件。最好是，這種方法能無區(qū)別地適合所有材料，或在任何情形下都可適合于大類材料。這種機加工應該建立在對被加工的微米級或納米機械零件，例如傳動件，所進行的幾何描述基礎上。
還需要有尺寸減小了的且制造公差極小的新型零件或元件，例如新型的皮帶輪與皮帶，它們是不能用常規(guī)的制造方法生產，因而也是以前未曾設想到的。
用大功率激光器及加工零件的方法在先有技術中是周知的。例如，應用連續(xù)的或是具有“長”脈沖(大于500飛秒)的YAG或CO2激光二極管是對材料如金屬材料或聚合物準分子進行機加工的相當標準的方法。這些方法，當用來進行小尺寸加工時，或是用來加工不能經受振蕩或受到加熱約束的材料時，是有局限性的。事實上業(yè)已觀察到，在通以脈沖的過程中，即使是連續(xù)的過程中，材料中的熱傳輸也會限制燒蝕區(qū)的精確度。此外，常規(guī)激光器的燒蝕區(qū)與光束的柱形相一致，這就限制了可以機加工的形狀。機加工的深度則取決于激光束的功率以及材料的性質，而這是難以控制的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的方法是以利用超短脈沖激光束來燒蝕物質，對小尺寸的零件進行機加工為基礎的。特別是，本發(fā)明是基于在激光束/材料的相互作用面上利用具有持續(xù)時間不到500飛秒(5×10-13)而功率大于1012的激光脈沖來進行燒蝕。這些脈沖是由后面稱之為飛秒激光器的特殊的激光器產生的。
上述這類飛秒激光器是已知的，其技術現(xiàn)在已經很好地掌握，結果使得這類設備緊湊、多用途化和可靠。這類激光器的多種多樣性不斷增大今天所能實現(xiàn)的光束覆蓋了整個電磁波譜，從X射線到T射線(兆兆赫射線，超過了紅外線)，最大功率達到拍它瓦(若干個1015瓦特)。這些裝置主要用于物理學、化學、生物學、醫(yī)學與光學。
由于上述裝置脈沖的持續(xù)時間極短，從而能夠研究發(fā)生在顯微鏡下的或原子級下的超高速現(xiàn)象。此外，在極短的脈沖時間中能產生極大的功率，形成一種極端狀態(tài)，常?？膳c那些在聚變反應堆中遇到的情形相比。
在用這種超短脈沖激光來制造微型機械元件時有以下優(yōu)點-高的機加工精度；
-在幾乎無熱的(熱中性的)條件下燒蝕材料；-存在只是在“光束腰部”的焦點處才有的效果，特別是對于透明材料情形，此光束能夠透過整個厚度在物質中的這樣的點上進行加工，不改變其表面，也不改變其行經途徑上的物質。
-此光束能夠在遠距離以及所有角度下操作；-對所加工材料沒有限制；-通過調節(jié)激光器，使得只要是在最大功率所集中的中心部位的強度大于材料的燒蝕閾值(控制焦平面上的能量密度)，就能夠獲得小于激光束寬度的分辨率。
-就燒蝕面而言，不需如機加工那樣地費力。
運用飛秒激光進行材料燒蝕已如上所知，并且在Kautek et al的《Femtosecond pulse laser ablation of metallic，semiconducting，ceramic，and biological materials》，SPIE vol 2207，pp.600-511，Apr.1994以及Liu，X，et al的《Laser Ablation and Micromaching with Ultershort LaserPulser》Oct.1997，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.33，N10，pp.1706-1716等論文中有所描述。
美國專利USRE37585描述了借助脈沖激光束破壞物質的方法，其特征在于能量密度的破壞閾值(Fth)對寬度(T)之比表明了用于此激光束預定的寬度值的梯度的一種急劇、快速和清晰的偏轉，或者至少是可清楚探測到的并且清晰的偏轉。
本發(fā)明方法的顯著優(yōu)點得益于運用了持續(xù)時間特短、功率特高的脈沖。在這種極端狀態(tài)下，可以用相同設備對差異極大的材料進行精密加工。盡管如此，這種脈沖的功率或持續(xù)時間仍能適用于上述材料，或者適應于機加工零件一部分時所需要的速度及精密度。
本發(fā)明還特別根據(jù)了下述觀測結果運用功率極高的、大大超過常規(guī)激光的機加工方法，使得激光束能夠放射形成一個幾乎瞬間的、爆炸性的升華。盡管空間尺寸很小，但機加工速度相對較快。再者，通過在一個極短的時間后中斷光脈沖，燒蝕作用就被限制在直接放射的區(qū)間里，而不會觸及到相鄰部分。因此，所采用的這種極大的功率使得待機加工的零件能夠極其清楚地切割出陡峭邊沿。
本發(fā)明還基于下述觀測結果飛秒激光適用于機加工新類型的零件和新材料，特別是尺寸很小、精密度很高的零件，尤其是那些之前并無人建議使用飛秒激光(技術)的鐘表元件。本發(fā)明還涉及用飛秒激光器制造且具有以前認為幾乎無法實現(xiàn)的尺寸、精確度和表面狀態(tài)的零件。
本發(fā)明的方法也使機加工尺寸等于或小于2mm或最好是小于1mm的零件成為可能，上述尺寸被計算總長并且定義為連接一個零件的沿同一方向兩個最遠的點的線段的長度。本方法也使機加工齒狀件的深度不到2毫米甚至不到0.5毫米的零件變得可能。
上述零件最好通過微型操作器來保持，以保證零件表面的定位和取向能相對于激光束的取向進行加工。被加工零件能夠通過由具有間隙補償或更新功能的微米級甚至納米級自動加工程序控制的多軸系統(tǒng)來保持。零件的運動是很小的，非常之快，與激光器或輔助光學器件的運動相比，通常要快得多，并且具有更高的精度和可重復性。不過也有可能同時甚至單獨地移動激光器或偏離激光束。
通過至少在一個平面上(X軸和Y軸)沿著C軸旋轉，最好是沿著垂直于該平面的Z軸，并且/或者沿著兩條垂直的A軸和B軸旋轉將零件傳送至機器，則燒蝕區(qū)能夠得到調整。如前所述，也能設想激光器或相關光學器件的位移情形。此外，根據(jù)平行于Z軸的方向能夠控制焦距。
通過取得了與機加工形狀的描述相對應的數(shù)據(jù)的機加工程序，能夠控制位移過程。這種描述以數(shù)學形式給出，而此機加工程序則決定激光束用于生成這些形狀所要不斷地或逐步地經過的路徑。本發(fā)明是建立在利用新的曲線族并考慮飛秒激光從激光器出發(fā)以準確的距離剛好在焦點處發(fā)生燒蝕的能力所作的幾何描述的基礎上。根據(jù)材料和加工深度能夠最優(yōu)化燒蝕條件，并通過諸如確定激光束入射角度以及確定相對于激光束進行元件機加工的取向等方法來調整此種條件。
最好是，本方法還包括以下步驟-借助CAD系統(tǒng)上二維、二維半或者最好是三維表示所定義的幾何結構來描述機加工零件的形狀；-將從CAD系統(tǒng)中得到的數(shù)據(jù)傳送入最好是三維的，最好能允許進行翹曲表面內插的加工程序；-根據(jù)材料和加工深度決定間距，使燒蝕條件能夠達到最優(yōu)；-將數(shù)據(jù)輸入運動控制和/或操作信息處理器；
-借助配備了或沒有配備衍射儀的光學頭的照明系統(tǒng)，沿同一方向對焦點區(qū)進行定位；-在工作面上將待加工零件定位；-通過緊固裝置保持待加工零件；-調整超短脈沖激光器；-啟動機加工程序并用超短脈沖的飛秒激光加工元件；根據(jù)最優(yōu)的變型實施形式，本發(fā)明的方法在受控大氣中實現(xiàn)，以避免發(fā)生產生于光/材料界面上的，例如空氣擊穿或環(huán)境理化性質變化等非線性現(xiàn)象。
本發(fā)明還涉及由上述方法生產的零件。本發(fā)明還來自下述觀察的結果飛秒激光輔助的燒蝕加工適用于制造差異很大的零件，特別是那些尺寸極小、必須具有很高分辨率才能生產的零件和元件，而它們在此前的工藝水平下是無法制造的，或者說極難制造。本方法于是還特別涉及到傳動部件，尤其是例如用本方法制備的鐘表用的小尺寸部件。本發(fā)明還來自這樣的觀察結果飛秒激光能完全地適用于機加工尺寸很小、適合鐘表制造的合成材料或復合材料的皮帶輪或傳送帶；或是使用了專為注射或模制這樣的皮帶和皮帶輪而設計的模具。
根據(jù)本發(fā)明，機加工的零件的尺寸至少有一個小于2毫米，最好是不到0.5毫米。本發(fā)明還適用于機加工具有至少一個不規(guī)則的或翹曲表面的其他零件，除此之外，其特征還在于至少有一個位于此彎曲平面中的半徑其值大于10-9米小于10-3米，而最好是小于10-5米。


本發(fā)明實施形式的例子簡述于通過附圖所作的說明中，附圖中圖1是以舉例方式示明用依據(jù)本發(fā)明的適用于機加工同步/異步傳動裝置的方法來生產零部件的裝置；圖2示明在此由所謂平行帶式的皮帶輪-皮帶單元組成的同步/異步傳動裝置；圖3示明弧形齒輪廓；圖4示明分別在上述傳動裝置之外，另有位于各自內部的輔助皮帶輪的兩個異步傳動裝置的例子；以及圖5是分層皮帶的橫截面圖。
具體實施例方式
圖1所示裝置用于生產零件10，此裝置在此是一個同步或異步傳動裝置，用來傳遞運動或功率，它包括工作面11，在本例中有6個可編程的軸(A、B、C、X、Y、Z)和保持裝置12(例如緊固夾板、粘合劑、磁鐵、真空裝置等系統(tǒng))。利用補償或更新裝置，通過信息處理器17執(zhí)行的微米級自動加工程序，對上述軸進行控制。
信息處理器13，它主要有一個三維模型軟件，例如三維CAD系統(tǒng)。
飛秒型的超短脈沖激光器14，它帶有一個光學頭15使激光束16的發(fā)射集中于焦點區(qū)。
位移控制/操縱信息處理器17機加工方法信息處理器13可以由諸如個人電腦或工作站來構成，這一處理器能夠執(zhí)行一套可以制作并儲存待加工零件的三維模型，然后從此三維模型中生成機加工程序的軟件。
這一機加工程序包括一系列指令來移動裝置的各個軸，從而按照三維軌道來改變飛秒激光焦點區(qū)域，以便對零件進行加工。軌道的產生是根據(jù)內插法，而分度步驟的大小主要是所要求的加工速度、精度以及加工物的表面狀態(tài)的函數(shù)。加工程序一旦確定，就能夠用于加工許多相同的零件。
控制/操縱信息處理器17執(zhí)行上述加工程序，它可以由諸如數(shù)控或工業(yè)PC等構成來控制軸的馬達或致動器，以控制激光器14的、相關光學器件的以及待加工零件的位移軸的平動和轉動，從而修正待加工零件的被輻照區(qū)D的相對位置。然后，該信息處理器向下一個由變速器和電子致動器組成的大功率伺服裝置發(fā)出指令，使軸按照要求的精度和速度運動。
在空間上按6個軸(A，B，C，X，Y，Z)同時進行轉動與平動就能在實際上加工任何零件10而不管這一零件有多復雜。
生產零件10例如微型皮帶那樣的同步/異步傳動件的方法，主要包括以下幾個步驟·描繪擬機加工的形狀，例如在借助信息處理器13于三維CAD系統(tǒng)的平面上所確定的幾何形狀；·由信息處理器13或17將數(shù)據(jù)傳輸給三維機加工軟件，同時要特別注意翹曲表面的內插法；·根據(jù)材料及加工深度來確定間距(各相鄰脈沖之間燒蝕區(qū)的位移距離)，以使燒蝕條件最優(yōu)化；·將數(shù)據(jù)存入控制和轉向位移的信息處理器(17)，在信息處理器13和17之間發(fā)生的信數(shù)據(jù)傳遞可以通過網絡，例如LAN或互聯(lián)網或者通過磁、光、電等數(shù)據(jù)載體；·通過借助了裝有或未裝衍射裝置的光學頭15的照明系統(tǒng)，沿Z軸方向定位焦點區(qū)D；·在E平面(由X，Y軸確定)上固定并旋轉加工零件；·通過緊固裝置12將零件固定于機器10上以對零件進行定位和保持；·調整脈沖持續(xù)時間取決于材料，但最好低于500fs并且強度也取決于材料的超短波脈沖飛秒激光器。
·啟動機加工程序同時利用飛秒激光器加工零件10，機加工程序需要在輻照區(qū)內沿著連續(xù)的或間斷的軌跡產生一系列激光脈沖，從而達到燒蝕被輻照區(qū)的目的；燒蝕區(qū)的軌跡從而是待機加工的形式根據(jù)三維CAD系統(tǒng)的平面上確定的幾何圖像描述；根據(jù)材料和加工深度決定時間步長可以使燒蝕條件最優(yōu)化。
對比試驗顯示持續(xù)時間從100到10fs的激光脈沖大大提高了加工精度。按照所要求的機加工的質量和速度，微加工中所用的能量密度通常為0.2到50J/cm，但根據(jù)機加工的材料不同，上述速度最好是低于10微米/脈沖，最一般的至少是0.5到0.25微米/脈沖。與那種皮秒或準分子的傳統(tǒng)激光器相比，燒蝕精度得到極大提高。
不論是何種機加工材料，超短脈沖激光器都不會在被輻照體積之外發(fā)散熱量。這種方法的無熱(熱中性)性質是由于在光束的焦平面上脈沖的短暫性而又具有高達1014w/cm2的極高強度。目前的發(fā)展趨勢是激光器的脈沖達到100fs(1.0×10-13秒)，產生約MJ/脈沖的能量。
實際上，電子受熱是由于逆“韌致輻射”(減速輻射)現(xiàn)象。發(fā)射出來的電子通過碰撞把能量傳遞給處于原子軌道上的其他電子，并產生離子雪崩使物質解體。電子的能量傳遞給機加工材料原子軌道上其他電子的現(xiàn)象發(fā)生于一瞬間，大約是脈沖持續(xù)時間的1/1000。這樣，任何熱擴散之前的物質燒蝕都能發(fā)生在被輻照區(qū)以外。
激光束的能量梯度因此得以更好地確定，使得只是橫截面積不到光束總的橫截面積50％的中心區(qū)域的強度才超過材料的燒蝕閾值。這樣，機加工的分辨率便低于光束的最大直徑。
在一個變型實施形式中，使用了兩束完全同步且不平行的飛秒激光。每一光束的強度低于材料的燒蝕閾值，從而只是在兩光束的交點處才進行機加工，因此可能用來機加工空心零件。
通過信息處理器17的控制裝置能夠使脈沖的強度或其持續(xù)時間很好地適應擬機加工的材料及所要求的加工精度與速度。因而，在同一零件的機加工周期內，可以對這些參數(shù)加以修正。
總體來說，在激光束與被機加工零件之間相對位移是基于對零件的支持件進行空間操作的結果。可以看到，在本發(fā)明的方法中，對于特殊情況能夠通過利用不同的反射鏡光學系統(tǒng)、掃描儀、望遠鏡等使激光束在光學頭出口處發(fā)生偏轉，不受零件位移的約束來進行燒蝕。使激光器位移是可能的，但慣性風險使它的位移比零件的位移更慢地穩(wěn)定。
在制造傳動件10或其他微米級或納米級零件時，于零件上機加工出的絕大多數(shù)形狀都可以在一個平面上機加工。在加工更復雜的表面如復雜的齒圈(未圖示)時，可以根據(jù)三個或甚至四個軸以及一個旋轉平面11和一個繞軸旋轉光學頭15，來同時移動激光束16的碰撞點。
零件的位移速度可以按照所需生產率、精度和分辨率以及預定的表面狀態(tài)作綜合平衡后獲得。這樣，可以通過一系列不同速度的位移來加工很多零件。
為了避免因光/材料界面而發(fā)生的非線性現(xiàn)象，可以在真空中或投入中性氣體(氦，氬……)發(fā)射下進行機加工。在受控大氣中機加工能夠避免在光-材料界面上產生非線性現(xiàn)象，例如發(fā)生于在焦平面中的空氣擊穿以及必然出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象將改變機加工質量。在有特殊用途情況下，為了提高燒蝕的能效，可以通過安裝衍射系統(tǒng)或光學伺服裝置作為聚焦裝置的補充來提高光學精度。
待機加工零件的幾何表示；輻照區(qū)的位移能通過零件輻照區(qū)進行的最通行的位移有以下幾種a)快速定位，也就是通過以機器允許的最大速度行經線性軌道來限制移動零件以獲得程控點b)線性插入，即通過以程序員給定的行進速度來行經線性軌道從而達到程控點。
c)環(huán)形插入，其功能是描繪出完整的圓或圓弧，而根據(jù)的是確定這些圓或圓弧的某些特征幾何元素，例如這種圓的坐標以及有關極值的坐標；d)螺旋型插入；將一個平面中的圓運動與垂直于該平面上的平移運動相組合；e)圓錐型插入；在同一平面上，通過三個點一組用幾何方法來確定各個拋物線段，且每段最后一個點是下一段的起點；f)多項式內插法，即可根據(jù)多項式的次數(shù)來確定軌跡，并且可以用來對樣條型曲線進行曲線擬合。
在生產像皮帶這樣的微型傳動件的情況下，絕大多數(shù)形狀可以在一個平面上機加工。從這個意義上說，生產者可以采取二維或二維半的技術。以下的機加工操作可以通過本發(fā)明的方法和裝置來完成a)定輪廓(在此方式下，機加工工具以恒定的深度定位，同時在平面上描出一系列直線和曲線)；b)鉆孔及相關操作c)機加工負性容積在加工諸如齒圈或翹曲面等更加復雜的表面時，激光束會同時通過轉盤和能夠繞軸旋轉的光學頭沿三個軸甚至更多的軸移動。此光學頭能在一個轉盤上繞著兩個軸旋轉(旋轉頭)。最后，沿著Z軸平行方向調節(jié)焦距也是可能的。
本發(fā)明的機加工方法最主要的優(yōu)點在于能夠加工的幾何形狀并不限于直線線段(簡單內插)或者圓。而且，尤其是在應用于鐘/表制造的傳統(tǒng)加工技術領域中時，通常會遇到多少有些模糊的或者甚至是隱蔽的樣式確定的草圖或連接點(由工具的形狀確定的兩個表面的交叉點所產生的幾何形狀)。顯然，這些常規(guī)方法并不適用于機加工復雜的、特別是翹曲的形狀，更廣泛地說，也不適合在要求對表面交叉處(倒角)有準確控制的地方進行加工。
為了通過物質燒蝕進行機加工，在所有可能條件下，利用借助了幾何學和算法的數(shù)學法則能夠確定待處理的表面或外形(如曲線圖，算法幾何，概率算法……)。
通常說來，利用超短脈沖激光進行物質燒蝕這一方法所生成的復雜表面的幾何表示需要確定被稱為自由曲線的特殊曲線。最常用的表示方法是用貝塞爾曲線的表示方法。已知的一種演變形式也同樣會在B樣條曲線的名義下遇到。
對于更復雜的形狀，特別是對那些屬于圓錐曲線(圓、橢圓、拋物線等的弧)的曲線外形來說，有理曲線被用在圓錐曲線的表示是由多項式的商而非由方程參量決定的地方。為了確定待加工的表面，可使用到最普通的有理曲線，即由多項式確定的有理貝塞爾曲線，它的一個表面分解為被稱作單位粒子的簡單構件，每一單位粒子是由稱為極點的點或樣條與NURBS(非均勻有理B樣條)確定，該NURBS是由形成網絡中表面塊件的成組的點確定的。
這些曲線族可以更準確地說明于下-貝塞爾曲線主要涉及到以下概念的參數(shù)曲線伯恩斯坦多項式，De.lestelian賦值算法，細剖分，仰角，導數(shù)，幾何性質(仿射幾何學的不變性，凸包，變分縮量)-B-樣條函數(shù)基于P(k，t，r)、節(jié)點重數(shù)、C^K類連接、局部和最小支集來確定的。
-參變量B-樣條形式的B-樣條曲線，涉及到多邊形控制論、德波賦值算法的概念，并且特別是具有諸如仿射不變性，局部控制，凸包，邊緣多重節(jié)點，節(jié)點插入等幾何性質。
-幾何樣條曲線，回答了幾何連續(xù)性、幾何不變性以及眾所周知形式的Frent結構、nu-樣條，、tau-樣條的概念利用超短沖激光進行物質消蝕的機加工方法優(yōu)于其他加工方法是因為它使用模糊的、取決于加工精度與復雜性的數(shù)據(jù)算法，此算法基于下列數(shù)學原理，但并非局限于這些原理-曲率，轉距，F(xiàn)renet結構，約當定理，等周不等式，焦點外殼或曲線-作為表面兩種基本形式的曲面與超曲面，特別是曲率、高斯一博內方程，內蘊幾何學，平行傳輸學，測地學。
-摩爾斯理論作為將多種同倫型與種屬函數(shù)臨界點相連接的理論，具有某些良好特性，包括印證了高斯-博內方程和Hessian函數(shù)，臨界點和摩爾斯輔助定理；-定義在表面上的函數(shù)，如高度函數(shù)與距離函數(shù)等；-矢量場和摩爾斯圖表，特別是用于重構理論的技術；-組合拓撲原理與代數(shù)拓撲原理，特別是三角測量，單純復合形，歐拉-龐加萊表面特征量，多樣性與分類理論。
-微分幾何原理R3中的表面幾何圖形，高斯應用理論，主彎曲與主方向，點分類(橢圓的，雙曲線的、拋物線的、平面的)，焦面與測地表面。
-歐幾里德二次曲面和平滑表面的密接二次曲面；-基于平面曲線，漸屈線，骨架化，還有上述曲線的幾何準則(到骨架的距離，距離函數(shù)可微分性，波峰波谷函數(shù))以及它們的拓撲性質(同倫與收縮)角度下的骨架；-對Voronoi圖表，Delaunay2維三角剖分和骨架近似值的參考；-表面重構和表面契合，特別要考慮到嚴格的Delaunay三角剖分、同倫以及同態(tài)的神經理論，還要遵循曲線與平面取樣準則；-表面精煉算法、算法幾何以及線段交點，二維和n維凸包計算、對偶性、線性規(guī)劃；-幾何數(shù)據(jù)結構，復雜的或簡單的，借助了確定性算法和概率性算法；-運用內插法、平滑算法以及與平滑參數(shù)的選擇有關的交互證實，特別要指出，這里僅僅是列舉。
·最小平方平滑(考慮權重及限制條件)·內插法，通過多項式樣條、樣條間隔、能量的最小限度、內插樣條的計算法則、樣條基數(shù)(S樣條)；·樣條平滑化平滑樣條、計算算法、用于平滑參數(shù)選擇的交互證實法。
本發(fā)明所描述的燒蝕方法是廣泛基于使用了NURBS(非均勻有理基本樣條)技術的算法。
我們將這些NURBS定義為一組技術，用來插入和逼近曲線和表面。這些技術大量出現(xiàn)在形式的和數(shù)字的計算體系中，并且為CAD或CAD/CAM工具那樣的重要模型軟件利用。
根據(jù)與均勻情形對應的稱之為節(jié)點的實值確定上述函數(shù)。對于我們所要機加工的標準形狀，這些函數(shù)具有給定的次數(shù)，通常為2次或3次，很少更多。函數(shù)的值只是由在一個區(qū)間上由0到1之間但是不包括0的數(shù)組成。
次數(shù)越高，所描述的函數(shù)越平滑-次數(shù)1＝連續(xù)函數(shù)-次數(shù)2＝可導函數(shù)(無角狀點)-次數(shù)3＝雙重可導函數(shù)(無急劇彎曲)當修改一個節(jié)點時，函數(shù)連續(xù)變形。
當兩個節(jié)點發(fā)生重合(節(jié)點成雙)，函數(shù)失去連續(xù)性，要么不連續(xù)要么產生角狀點或發(fā)生彎曲中斷。
節(jié)點中的連續(xù)性級數(shù)等于次數(shù)減去節(jié)點重數(shù)，例如-次數(shù)2的B樣條，單節(jié)點-可微性-次數(shù)2的B樣條，雙節(jié)點-角狀點-次數(shù)2的B樣條，三節(jié)點-不連續(xù)在由控制點(如齒圈輪廓)確定的曲線的情形下，得到平面點(稱為控制點)和一組數(shù)值(稱為節(jié)點向量)。能夠提到以下基本性質1)曲線完全包含在凸包中(因為結合系數(shù)是由0到1之間的數(shù)組成，其總和等于1)2)上述定義的確定不取決于尺寸，因而它既可以用在三維空間的平面中，也可用于此外的情形。
3)曲線僅取決于節(jié)點的相對位置，如果進行了一次平移或同中心擴展變換，曲線保持不變，節(jié)點(0，0，1，2，4，4，4)形成與(-1，-1，1，3，7，7，7)形成的曲線相同的曲線。
4)當基本函數(shù)值為1時，其它的為0并且曲線經過特別是與之相關的控制點。當?shù)谝?分別處于最后)節(jié)點是為多重性的時，那么第一個(相應地最后)基本函數(shù)值是1，并且曲線通過第一個(相應地最后)節(jié)點。函數(shù)形成所謂的浮動極限曲線，貝塞爾曲線是它的一個特例。
最后確定構建有理曲線的同質坐標的作用是有趣的。
人們最終將會發(fā)現(xiàn)以上所描述的數(shù)學方法是唯一可以確保同中心擴展變換因子很好地用于機械原理實踐的數(shù)學方法，該機械原理是用于加工微米級和納米級機械件的(有關滑動、摩擦表面、嚙合表面等情況)。
可以用本發(fā)明的方法加工的零件和部件飛秒激光支持的燒蝕加工技術適用于加工尺寸減小了的、必須具有很高分辨率的零件和構件，尤其是用于鐘表制造領域，但不限于該領域。該方法特別適用于至少在一個方向、至少有一個尺寸小于或等于2毫米的零件的情形。這里的尺寸是總體測量并定義為沿著同一方向連結同一零件上最遠兩點的線段的長度。一般地說，此方法適用于加工所有接觸半徑(兩個表面相交部分)尺寸要求精確到毫米的微米級的和納米級的機械構件的制造。
因而，本發(fā)明的方法適于加工諸如傳動件構件，尤其是例如應用于鐘表加工中的小尺寸構件。
所制造的零件至少有一個通常是不規(guī)則的，形成于垂直平面中的線；至少有一個半徑大于10-9并小于2mm的曲線。通過觀察標明任何機加工方法加工的兩個平面交叉部分的邊緣即可看到這種例子。在肉眼可見水平上(毫米數(shù)量級，10-3m)，這些邊緣可以被認為是直線的或弧形的，由凸形或鈍角形成。然而，在顯微鏡水平下，這些同樣的線在垂直于邊線的平面上或多或少具有規(guī)則幾何圖形的特征，至少有一個半徑長度最多為十分之一毫米，通常叫做倒角的部分。
本發(fā)明的方法主要用于加工以下所有或部分的鐘表構件-表身，尤其是具有凹槽和小洞并用作支架板件；-用于在轉動或平動中保持或引導微米級機械的不同部件作直線形或翹曲狀的橋連接件；-實心部件之間的材料連接件，特別是外殼的，滑動的，單純樞紐或滑動樞紐的，平動和轉動的，螺旋形的，平面支撐件，單一或指形的球窩節(jié)，線性環(huán)形的，線性直線的，點狀的……；-能量聚積件，尤其是彈簧和聚缸；-利用了直線的或翹曲的齒輪，皮帶輪，摩擦滑輪，剛性或柔性等速連接件，流體靜壓或流體動力構件的微米級或納米級傳動裝置。
-旋轉或滑動的連接裝置；-機械儲存構件，尤其是凸輪；-與擒縱功能有關的部件，主要是那些用于分配功率，以及配有制動器、氣缸、英國式擒縱叉、拴銷、反彈輪等的系統(tǒng)，尤其是以下構件擒縱輪，擒縱齒，邊緣輪，力臂，輪軸，杠桿，棒，制動器，輸入/輸出脈沖，叉，輸入/輸出叉，針刺，限制性輸入/輸出拴銷，大/小安全軸，平衡器；-被稱為調節(jié)構件的振蕩構件，屬于鐘擺或螺旋平衡器，更為普遍的是，不管是否處于潤滑狀態(tài)、是否線性、是否含有機械或非機械潤滑裝置，包括以下相鄰構件擺輪夾板、平衡器，油絲固著環(huán)、柱頭螺栓、……、指針、平衡發(fā)條，基于復雜的左/右開導螺旋面的平衡器，與旋轉調解系統(tǒng)相連的構件，特別是不局限于此，還有游絲鐘表或旋轉盤；-振蕩塊，取回旋、直線運動或繞軸旋轉方式-撞擊構件；-外部構件，主要如玻璃表面，底座，中軸，上發(fā)條按鈕，校正器，鐘面，指針，表殼襯圈，底盤，接線片、表帶和其部件，按鈕，顯示器電池，表蓋，單純或永久數(shù)據(jù)顯示的顯示標志，時間設定指示器，月相指示器，刻度指針-表殼，由一個或數(shù)個部分組成，有時還有以下一些構件上發(fā)條按鈕，表蓋，按鈕；皮帶傳動件的制造如上所述，本發(fā)明的方法也適用于加工同步/異步傳動件，尤其是微米級和納米級傳動件，例如皮帶輪，光滑的或帶齒皮帶，鏈條，左/右傳動裝置，等速傳動元件等。這樣的傳動件用于例如鐘表制造或其他小型化裝置的領域?？捎帽痉椒庸さ膫鲃蛹睦釉诖瞬辉儋樖?。
在一個實施形式中，使用了由本發(fā)明方法制造的皮帶的機件/大功率傳動件是異步的并且至少由一個齒輪，一個平坦的或梯形的或條紋狀的皮帶組成，最好是至少有一個位于微型皮帶內部或外部的張緊器和/或導向器。在過高的轉矩作用下，皮帶輪上的皮帶可能產生滑動形成傳動件的異步性。
此外，異步微型皮帶傳動件可以被設置在樞軸或滑桿連接器上，從而提高在皮帶輪上上發(fā)條的卷繞角度或確保其耦合/分開功能。
同步微型皮帶傳動件由至少二個齒輪和同一模數(shù)的有齒皮帶組成，從而可以在一個驅動元件和受動元件中無滑動地傳遞機械功率，因此可以糾正由于異步傳動件功能性的或偶發(fā)的滑動問題，尤其是在超負荷條件下。此時，微米級或納米級機械鏈被認為是鋸齒狀皮帶的特殊形式，因為它本身帶有與齒相嚙合的凹口。
通過齒型皮帶的機件/大功率同步傳動件主要包括-具有可控變形(材料彈性范圍內)的軸承幾何結構；-曲線的或多邊形的輪廓的齒圈；-位于軸承平面中的正放射狀的、直線的、傾斜或彎曲的齒圈。
由本發(fā)明方法制造的運動/功率傳動件的部件是由具有足以保證其傳送功能的機械特征的材料制成，例如塑料、聚合材料、金屬、合成物、夾層結構材料等。
這種方法制成的傳動件構件可以包括例如皮帶輪和皮帶等，它們是光滑的或具有按照小于2毫米節(jié)距分開的齒狀件，例如微型皮帶或者輪子，其齒高大約為0.5微米，而皮帶上的齒深或寬度不到2毫米。皮帶本身的厚度和寬度也最好是小于2毫米。機加工精度受限于光束的偏移量。上述構件，尤其是皮帶或皮帶輪，例如是設計用于鐘表機件、鐘表機件的其它部件或其它微型機械零件的。
圖2通以舉例方式闡釋了通過由本發(fā)明方法完全或部分制造的皮帶來傳動的同步運動/功率傳動系統(tǒng)10。這一系統(tǒng)主要包括主皮帶輪23，皮帶20，輔助皮帶輪22和張緊導向器21。皮帶輪23是扁平的，并且在其周邊上設有與扁平齒輪相似的等距放射齒狀件。皮帶輪23有一個凸緣(未圖示)以導引皮帶20。可以通過本發(fā)明的飛秒激光輔助燒蝕的方法來加工上述傳動件中全部的或部分部件。
皮帶20具有圖3所示的弧形齒廓。這一弧形齒廓甚至在皮帶的曲率半徑變化極大時，例如當皮帶通過直徑差異很大的皮帶輪運作時，仍能進行有效的功率的傳送?；⌒锡X廓也可用于皮帶輪。
當制造同步傳動系統(tǒng)時，在單個皮帶輪23上，最好是在直徑最小的皮帶輪上裝上凸緣(未列舉)。
圖4例示了2個異步傳動件10，它們裝有內/外置輔助皮帶輪22而此異步皮帶輪23是扁平的并在所述皮帶輪23兩邊都裝有凸緣(未圖示)從而可以在所述傳動件10上導引皮帶20。
本發(fā)明允許使用復雜材料進行加工而沒有尺寸限制，也可以制成夾層結構或復合型的，尤其是對于皮帶加工，圖5示明了一個具有多層復合結構51的分層皮帶50的例子。
必須指出的是，對于皮帶輪23或者其他尺寸的很小的有/無曲線輪廓30的微米級或納米級構件，沒有定規(guī)可循；該輪廓是所謂個性化的。此外，對于每一種齒廓，也存在直線式或彎曲形的側面之分(未圖示)。
傳動裝置的制造本方法亦涉及生產毫米級或納米級的傳動裝置，此處的傳動裝置理解為組成同步傳動件從而確保兩個主軸之間的連接和從驅動軸(馬達)將機械能傳到從動軸(受動件)同時維持角速度恒定比的構件。
可以考慮不同形式的傳動裝置最基本的形式是所謂的“外部平行式”，除了不存在兩個嚙合齒之間的相對滑動外，其特征在于角速度的比率等于二者數(shù)量的或二者直徑的反比，并且這兩齒輪是沿相反方向進行相對轉動。被稱為“內部平行型”的變型即兩個齒輪沿同一方向運轉。上述的這種具有直齒的內部平行或外部平行的形式，還存在節(jié)距、模數(shù)和變速器傳動比方面的特征。在根據(jù)弧形輪廓的傳動裝置設計中以對稱形式對齒圈的幾何形狀進行了描述。
一種更復雜的形式回答了螺旋齒圈的準則，此螺旋齒圈是由在基本螺旋線上的無窮大的正切形成的“規(guī)則表面”來確定的。也可由沿著螺旋線作卷纏繞運動所形成的表面來確定。
被稱為“齒條-齒輪”的特殊形式其特征在于齒條是一種特殊輪子，它的原始線條是直的，從幾何學角度可以看作是直徑無窮大的輪子。
從螺旋齒圈變換成齒條齒輪在運動學上是可能的。需要確保的是當此傳動裝置的兩個基本槍體無滑動地轉動時，兩條共軛的雙螺旋線仍保持相切，這就意味著兩種情況-兩個螺旋必須沿相反方向轉動，例如，左側齒輪只與右側齒輪形成平行傳動裝置。
-與傳動裝置相關的幾何條件(嚙合條件)也必須要考慮到。
本發(fā)明的方法也可用于生產錐齒輪傳動裝置。首先，必須考慮到的是兩個有相同頂點的圓錐而它們不會從一個滑動到另一個之上的規(guī)則形式。齒形是直的或螺旋形的。在錐齒輪傳動裝置的特殊情況下，必須要注意到傳動裝置連續(xù)性的問題和受到互補傳動方法干擾的問題。這一方法使傳動裝置以充分逼近而只需考慮平行傳動裝置的形式，在錐齒輪傳動裝置中得到了研究。這樣，所有關于傳動裝置連續(xù)性、干擾、相對滑動的問題，都可通過考慮其自身角速度、齒數(shù)、壓力模數(shù)與壓力角下平行的傳動裝置得以解決。
本發(fā)明的方法也可用來制造翹曲的傳動裝置，例如，有環(huán)形螺紋的齒輪。此環(huán)形螺紋與和它共軛且中心距離已知的齒輪相嚙合。在之前的工藝水平下，這些齒輪通常由一個與環(huán)形螺紋恰好對應的工具進行修整(包絡法)，此工具必須與此環(huán)形螺紋相合。使用超短的飛秒脈沖激光器可以擺脫對小尺寸加工的限制，否則這種小尺寸不能通過傳統(tǒng)方法進行加工。在這類型傳動裝置中，主要關注相對滑動及可逆性的概念。
主要由于齒輪之間的點接觸，與螺旋式翹曲傳動裝置有關的精細外形就能使得可以在小的負載下尤其對于極小的機件更為有效。
還要考慮被稱為準雙曲面齒輪的復雜外形，尤其是因為本燒蝕方法可以加工用任何其它已知方法都無法加工的極小尺寸的外形。
與齒輪的外形和尺寸無關，設計時還必須考慮到干擾條件，特別是那些與非對稱外形和機加工相關的條件。
所描述的用于生成曲線和這些翹曲表面的方法使得能夠掌控幾何干擾。而且，利用超短脈沖激光的消蝕技術可以控制機加工干擾。當同時考慮這兩個方面時，本方法對微米級與納米級傳動件確定、制作以及干擾的控制提供了適當?shù)幕卮穑c齒圈形狀和所用的材料無關。
微型模具的制作在先有工藝條件下，皮帶輪、齒輪和張緊導向器是由諸如車削和/或銑削、電蝕、超聲波機加工等傳統(tǒng)方法加工制造的。傳統(tǒng)皮帶主要由模壓制造，而模具是通過電蝕、超聲波或甚至是LIGA方法制作的(光剖、電鍍、ABFORMUNG一種組合了光剖、電鍍和模壓技術的工藝)。
上述方法適合于加工尺寸在毫米以上的微型模具。它們需要使用可注射的塑性材料，而不適合制造采用了諸如金屬、復合材料或異質多層材料等的零件。溫度或動力粘滯度限制了這些微型模具的使用，即使是用于制造合成材料的零件。
即使可以采用上述模具，但先有工藝技術要求這類模具有足夠的精度。而本發(fā)明的目的便在于使用這種微型模具用于制造傳動件或被注射成型的、或有夾層的或有復合結構的傳動裝置或傳動件。例如，通過采用本發(fā)明方法制造的微型模具進行模壓或注射成型，就能根據(jù)所需尺寸很好地制造出圖5中具有多層結構的分層皮帶。
通常，使用本發(fā)明上述方法機加工出的模具，不論其類型如何都需要一定數(shù)量的功能性附屬裝置-造型件凹腔(沖頭和原模)-功能件支架、電源、用來釋除和脫出已注射成型的機械裝置、模具的溫度調節(jié)裝置-輔助件緊固和裝卸裝置、定心系統(tǒng)、用于安裝插入物和取出模制品的自動機械、安全控制和脫?？刂蒲b置。
使用超短脈沖激光的機加工方法適用于制作模具中的凹腔，在此模具中通過沖頭和原模兩個部件限定出加工對象的三維負性表示(包括所有校正的尺寸在內)。
只要是采用模制技術和所使用的材料的粘度允許(非常小的尺寸)，本發(fā)明的方法就能模制出任何微米級或納米級零件。模制成的表面狀態(tài)是極好的，這對于制造摩擦用零件尤為重要。
可機加工的材料取決于擬機加工的零件，本發(fā)明的方法可以用于機加工大量不同材料，尤其是適用于加工各項同性材料、多形態(tài)材料(如疊層式的，……)或硬的復合材料，特別是塑料、金屬、礦質或復合材料。
塑料即所謂主要成分為“高聚合物”的任何材料，其定義在國際標準ISO472和ISO471(2002年1月)中給出。“高聚合物”或更普遍的“聚合物”是由分子構成的產物，其特征在于有一種或幾種原子或原子團(結構因子)的大量重復，以足夠的數(shù)量鏈接而引導出一組性質，這組性質實際上不隨單個或少數(shù)結構因子的增減而變化，它同時也是由高分子物質的聚合分子所組成的產物(ISO472)。
以下塑料和/或聚合物材料尤其可以用本發(fā)明的方法進行機加工-聚烯烴，例如聚乙烯PE，聚丙烯PP，聚異丁烯P-IB，聚甲基戊烯P-MP。
-根據(jù)ISO標準1043-1/458-2/4575/1264 1060-2/2898-1，6401，有氯乙烯聚合物PVC和它們的衍生物，特別是氯化乙烯聚合物PVCC，聚偏二氯乙烯PVDC，氯乙烯和丙烯共聚物VC/P，氯乙烯和氯化聚乙烯化合物PVC/E，聚氯乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯化合物PVC/ABS，氯乙烯的連枝聚合物和PVC/A，氯乙烯和醋酸乙烯共聚物PVC/AC-聚乙酸乙烯酯PVAc及其衍生物，主要是聚乙酸乙烯酯PVAC，聚乙烯乙醇化合物PVAL，聚乙烯丁酸鹽PVB，聚乙烯甲醛化合物PVFM。
-基于ISO標準1043-1/2580-1/2897-1/4894-1/6402-1的苯乙烯(乙烯基苯)，主要是苯乙烯-丁二烯樹脂SB，苯乙烯-丙烯腈樹脂SAN，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS，丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈ASA，3-(……)丙基異丁烯酸鹽(酯)MSMA，按照ISO7823-1/7823-2/8257-1，基于聚苯乙烯PS，特別是PC/ABS，ABS/PA，PS/聚苯醚PPE，PS/PP和PS/PE，聚苯烯腈(聚甲基丙烯酸甲酯異丁烯酸鹽)PMMA的化合物，聚丙烯腈PAN，共聚物A/MMA丙烯腈/甲基異丁烯酸鹽，丙烯腈/丁二烯共聚物，苯乙烯丙烯腈/丁二烯苯乙烯丙烯腈共聚物SAN，丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物ABS，甲基異丁烯酸鹽/丙烯腈共聚物，丁二烯/苯乙烯共聚物MBS等。
-PMMA/AES化合物或合成物-根據(jù)ISO1043-1/1628-5/7792-1標準的，飽和聚酯-聚亞烷基類-聚丁烯對苯二酸酯PET及PBT。
-根據(jù)ISO1043-1/1874-1/599/3451-4/7628-1/7628-2/7375-1/7375-2標準的，聚酰胺PA，尤其是尼龍PA6.6，PA6.10，PA6.12，PA4.6，PA6，PA11，PA12等。
-根據(jù)ISO1043-1標準的聚甲醛(POM)，根據(jù)ISO10943-1的含氟聚合物，聚四氟乙烯PTFE，聚三氟氯乙烯PCTFE，聚偏二乙烯氟化物PVDF，乙烯-丙烯氟化物FEP，乙烯共聚物PTFE ETFE，根據(jù)ISO1043-1的硝酸鹽，硝酸纖維素或硝化纖維CN，乙基纖維素EC和甲基纖維素MC，醋酸纖維素CA和三乙酸纖維素CTA。
-根據(jù)ISO1043-1標準的芳香族綱目的聚合物，主要為ISO1043-1/1628-4/7391-1/7391-2標準中的聚碳酸酯PC，聚苯硫醚PPS，聚苯醚PPE，聚(2，6-二甲基-1，4-亞苯基氧)，聚亞苯醚，聚醚醚酮PEEK，聚芳醚酮PAEK，聚醚酮，芳香聚砜PSU，聚醚砜PESU，聚苯砜PPSU，芳香族聚酰胺，聚丙烯酸PAA，聚鄰苯二甲酰亞胺PPA，半芳香族非晶態(tài)聚酰胺PA6-3T，聚酰胺酰亞胺PAI，雙酚A聚對苯二甲酸酯(聚丙烯酸酯)，聚醚酰亞胺PEI，丙酸纖維素CP和醋酸丙酸纖維素CAP，醋酸-丁酸纖維素CAB，液晶聚合物(Vectra，Sumika，Zenite)，根據(jù)ISO1043-1標準的熱塑彈性體，Hytrel或Pebax類型的序列共聚物，Surlyn類型的離聚物，S(BASF)PBT+ASA，cycoloy(G B塑料)Lastilac(Lati)PC+ABS，Xenoy(GE塑料)PC+PET，orgalloyRS6000(ATO)PA6/PP，STAPPONN(DSM)ABS/PA6，lastiflexAR-V0(Lati)，PVC+三元共聚物塑料-按照ISO1043-1標準，聚胺酯主要是為獲得鑄塑人造橡膠或熱塑性塑料或聚胺酯-聚脲(熱硬化)或多孔聚胺酯，由以下成分構成的微孔人造橡膠聚胺酯PUR，異氰酸酯+氫供應器，異氰酸酯，聚胺酯和主要是甲苯二異氰酸酯甲苯TDI，多羥基化合物(聚酯和聚醚)，MDA胺和MOCA胺，硅樹脂SI(按照ISO1043-1)，硅樹脂聚硅醚SI，酚醛樹脂PF(石碳酸-甲醛)和主要是PF2E1，PF2C1，PF2C3，PF2A1-2A2，PF1A-1A2，PF2DA，PF2D4，根據(jù)ISO4614和1043-1的氨基塑料(三聚氰胺-甲醛樹脂MF，脲-甲醛樹脂UF)，三聚氰胺甲醛MF，脲甲醛樹脂UF，熱硬化不飽和聚酯。
通常，在任何可能和需要的時候，上述材料都能夠增強，尤其是可用以下材料增強芳香聚酰胺(Kevlar of Dupont de Nemours)，各種形式的玻璃，包括鈉硅態(tài)，高模數(shù)碳，高抗碳，硼，鋼，云母，硅酸鈣鹽，碳酸鈣，滑石，聚四氟乙烯PTFE，例如Teflon等。
此外，加工后的塑料制品可以或不用礦物、合成物或金屬膜覆蓋。
本發(fā)明的方法也可以用來機加工絕大多數(shù)純金屬及其合金，主要是固態(tài)金屬合金、鋼以及鋁、鎳或鉻、鉬、鎢(鎢錳鐵礦)或錳、金、鉑或銀、鈦或鈷、硼或鈮、鉭的鑄件，同時也可以是純金屬。
包括石英在內的許多礦物材料也可以用本方法進行機加工。最終，本方法也適合于加工合成材料，亦即具有基體材料/有機材料或金屬粘合劑的復合材料，并且主要包括(但并非窮盡全部)苯酚，聚酯，環(huán)氧物，聚酰亞胺，強化纖維/輔助強化材料(主要是纖維素，玻璃E、C、S、R，硼)，毛晶(晶須)AlO3，SiO2，ZrO2，MgO，TiO2，BeO，SiC，低模量芳香物，高模量芳香物，高強力碳，高模量碳，硼，鋼，鋁等，以及加有礦物材料的材料，主要是白堊、硅石、瓷土、鈦氧化物、固態(tài)玻璃球等。
這些合成材料可以包括添加劑，主要是催化劑與加速劑，而在固態(tài)時可以取單層、多層或夾層結構。
尤其要提到以下復合材料，雖然不是全部鋁/銅-金屬基質復合材料Al77.9/SiC17.8/Cu3.3/Mg1.2/Mn0.4；鋁/鋰化合物-金屬基質Al81/SiC15/Li2/Cu1.2/Mg0.8；碳/乙烯基酯-碳化纖維-乙烯基酯基質；碳/聚芳酰胺-碳化纖維-聚芳酰胺纖維；碳/碳纖維化合物-碳化纖維-碳基質；碳/環(huán)氧化合物-碳化纖維-環(huán)氧基質；碳/聚醚醚酮化合物-碳化纖維-PEEK基質；聚芳酰胺/乙烯基酯化合物-聚芳酰胺纖維-乙烯基酯基質；聚乙烯/聚乙烯化合物-聚乙烯纖維-聚乙烯基質；E-玻璃/環(huán)氧-硼硅玻璃/環(huán)氧化合物；聚芳酰胺/聚苯硫醚-聚芳酰胺纖維-PPS基質。
最后，還可以用本發(fā)明的方法機加工很多陶瓷材料。陶瓷是由可以是諸如天然多晶的或多相的或甚至是熔結氧化鋁、硅土、硅鋁酸鹽或硅酸鎂化合物(堇青石，多鋁紅柱石，皂石)和更廣泛的材料如氧氮化物、硅鋁氧氮聚合材料、碳化物等這類材料組成。首選的材料是分散于一個有機基質、金屬基質或陶瓷基質的短的單晶纖維。還有金屬碳化晶須，有機金屬母體如SiC或Si3N4……這些材料可以通過干壓、熱塑模壓和帶狀澆注等方式加工。
我們所指的陶瓷主要(但非全部)是由鋁Al2O3，鋁/硅Al2O380/SiO220，鋁/硅Al2O3，96/SiO24-Saffil，鋁/硅/硼氧化物Al2O370/SiO338/B2O3，鋁/硅硼氧化物Al2O362 SiO224/B2O 14，鉀鋁硅酸鹽白云石云母，碳化硼B(yǎng)4C，碳化硅SiC，反應結合的碳化硅SiC，熱壓碳化硅SiC，碳化鎢/碳化鈷WC94/Co6，可加工的玻璃陶瓷SiO246/Al2O316/MgO17/K2O 10/B2O3 7，可透陶瓷SiO250/ZrSiC 40/Al2O310，二硼化鈦TiB2，二氧化鈦TiO299.6％，氧化鎂MgO，氮化鋁AlN，可機加工的SHAPAL-M，氮化鋁，氮化硼B(yǎng)N，氮化硅Si3N4，反應結合的氮化硅Si3N4，熱壓氮化硅Si3N4，氮化硅/氮化鋁/氧化鋁，硅鋁氧氮聚合物，氧化鋅/氧化鋁ZnO98/Al2O32，氧化釔Y2O3，氧化鈹BeO 99.5，熔融石英SiO2，紅寶石Al2O3/Cr2O3/Si22O3，藍寶石Al2O399.9，水合硅酸鋁SiO253/Al2O347，二氧化硅SiO296，鋁-石英玻璃-氧化鋁-硅酸鹽SiO357/Al2O336/CaOMgO/BaO，不穩(wěn)定的鋯ZrO299，氧化釔-穩(wěn)定鋯ZrO2/Y2O3，氧化鎂-穩(wěn)定的釔ZrO2/MgO等。
借助對物質作極其局部地加熱，采用超短脈沖激光器時-對于塑料材料，能夠進行切削而不會對切削區(qū)域造成熱損傷；-對于復合材料，能夠不使多層材料解層而進行直接切削。
-能夠機加工所有金屬而不會在激光入射的表面上產生熔化、隆起甚至是呈喇叭狀等現(xiàn)象。
標號清單10機加工的零件，例如皮帶等傳動件11工作面12保持裝置(緊固裝置)13用于執(zhí)行三維建模程序的信息處理器14飛秒激光器15光學頭16激光束17用于執(zhí)行機加工程序的信息處理器X、Y、Z待機加工零件的平動軸A、B、C待機加工零件的轉動軸20皮帶21緊帶惰輪22輔助皮帶輪23主皮帶輪30弧形齒50分層皮帶51增強件
權利要求
1.生產微米級或納米級機械零件的方法，其特征在于此方法包括有激光輔助燒蝕步驟，所利用的激光具有持續(xù)時間小于5×10-13秒和在光-材料界面上的功率大于1012瓦的脈沖。
2.權利要求1的方法，此方法用于制造鐘表零件。
3.權利要求1或2之一的方法，此方法用于皮帶輪和/或皮帶。
4.權利要求1-3之一中的方法，其中所述零件至少有一個尺寸小于或等于2mm或者最好是小于0.5mm，該尺寸被計算總長并且定義為連接零件的沿同一方向兩個最遠的點的線段長度。
5.權利要求1-4之一中的方法，其中所述零件包括深度小于2mm的齒狀件。
6.權利要求1-5之一中的方法，其中所述零件是由微型操作器來保持，以保證相對于激光束的取向零件表面定位和取向進行處理/加工。
7.權利要求1-6之一中的方法，此方法包括以下步驟·描述擬機加工的形狀；·將對應于所述描述的數(shù)據(jù)傳遞給機加工軟件，此機加工軟件尤其最好考慮到翹曲表面的內插；·根據(jù)材料與機加工深度確定激光束的入射角以及零件相對于此激光束進行機加工的位置，以使燒蝕條件最優(yōu)化；·將數(shù)據(jù)輸入運動控制和/或操縱信息處理器(17)；·調節(jié)持續(xù)時間小于5×10-13秒且在光束-物質界面上的功率大于1012瓦的超短脈沖；·啟動機加工程序而由脈沖激光器加工零件(10)
8.權利要求1-7之一中的方法，其中激光束的能量梯度確定成，使得僅僅其橫剖面積不到光束總的橫剖面積50％的中心區(qū)域的強度超過材料的燒蝕閾值。
9.權利要求1-8之一中的方法，其中所述燒蝕只是在激光束的焦平面(16)中進行，此方法包括使所述焦平面相對于所述零件沿垂直于所述激光束方向移動的步驟。
10.權利要求1-9之一中的方法，其中所述擬機加工的零件(10)是為一機加工程序所控制的多軸系統(tǒng)保持，此程序例如是具有間隙補償或更新的微米級的機加工程序。
11.權利要求1-10之一中的方法，其中所述脈沖的功率與持續(xù)時間是根據(jù)零件的材料而選擇的，使得能通過脈沖，燒蝕若干微米材料最好是少于10微米的材料。
12.權利要求1-11之一中的方法，其中所述燒蝕是在真空中于投入中性氣體或受控氣氛下進行，以免在光-材料界面上產生的非線性現(xiàn)象，例如空氣擊穿或材料燒蝕。
13.權利要求1-12之一中的方法，其中采用了激光束的衍射裝置。
14.權利要求1-13之一中的方法，其中需要有使所述零件(10)在平面(E)中定位的步驟。
15.權利要求1-14之一中的方法，其中所述零件具有下述材料中的至少一種塑料；金屬；復合材料；陶瓷；礦物質；絡合有機基質材料；硬的各向同性材料。
16.權利要求7-15之一中的方法，其中所述對擬機加工形狀的描述是根據(jù)三維CAD系統(tǒng)一個平面上所確定的幾何結構進行的；機加工的間距是根據(jù)材料與機加工的深度確定的，以使燒蝕條件最優(yōu)化；所述聚焦區(qū)域通過照明裝置借助裝備或未裝備衍射裝置的光學頭(15)定位。
17.按照權利要求1-16之一中的方法制造的構件。
18.權利要求17的零件，其特征在于此構件的至少一個尺寸小于或等于2mm或是最好小于0.5mm，這一尺寸被計算總長并且定義為連接構件的沿同一方向兩個最遠的點的線段的長度。
19.權利要求17的構件，其特征在于此構件包括齒狀件，這些齒狀件按照小于2mm的節(jié)距分開，和/或者其深度小于2mm。
20.權利要求17-19之一中的構件，其特征在于此構件具有至少一條曲線例如不規(guī)則的曲線，其形成在垂直于構件的平面中，且有至少大于10-9m而小于5mm的曲率半徑。
21.權利要求17-20之一中的構件，此構件供鐘表用。
22.權利要求21的構件，其特征在于此構件是由同步或異步的傳動件組成。
23.權利要求22的構件，其特征在于此構件是由皮帶和/或皮帶輪(22，23)組成。
24.權利要求23的構件，其中所述皮帶具有小于2mm的厚度或寬度。
25.權利要求21的構件，它由下述構件之一組成鐘表擒縱系統(tǒng)的構件；鐘表調節(jié)系統(tǒng)的構件；或者用來在鐘表的動力源與指針之間對能量與運動作運動學傳送的鏈式構件。
26.權利要求25的構件，此構件的最大尺寸小于1mm。
27.權利要求18或19之一中的構件，此構件是用于制造鐘表以外的目的。
28.權利要求17-27之一中的構件，此構件由下述構件中的至少一個組成至少一個齒輪；至少一個張緊的和/或帶齒的工作輪；模具，例如圓形模具；凸緣，例如帶齒的凸緣。
29.權利要求17-28之一中的構件，此構件是由硬的各向同性材料制作。
30.應用權利要求1-16之一中的方法來制造傳動件特別是皮帶的裝置，此裝置包括激光器(14)，它具有持續(xù)時間小于5×10-13秒而在光束-材料界面上的功率大于1012瓦的脈沖；保持裝置(12)，它用于保持待機加工的零件；信息處理器(17)，它用于執(zhí)行機加工程序，而此程序包括使所述脈沖激光器的焦平面相對于上述零件沿幾個軸線移動的步驟。
31.權利要求10的裝置，它還包括一信息處理器(13)，用來根據(jù)待機加工的零件的三維表示來產生上述機加工程序。
全文摘要
生產微米級或納米級機械零件例如用于鐘/表制造中的皮帶輪或皮帶的加工方法，此方法包括借助飛秒激光器進行激光燒蝕的步驟，這種飛秒激光器具有持續(xù)時間小于5×10
文檔編號B23K26/40GK101048256SQ200580026761
公開日2007年10月3日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權日2004年6月8日
發(fā)明者G·塞蒙 申請人:豪雅公司