陶瓷材料以其极好的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等特性越来越广泛的被应用于制作精密加工刀具、精密轴承、传动微组件、惯性制导零件等高端军工航天领域,主要包括精密微尺寸钻头、微孔铣刀、传动微齿轮、微丝杆螺杆、微型转子等柱状工件。由于其高硬度的性能特点导致加工难度高、速度慢、成品率低、精度难以保证。特别是柱状、螺旋等曲面工件的精细加工,一直是制造业所面临的巨大挑战。针对陶瓷柱状传动构件的实际需求和加工难点,提出对柱状陶瓷材料进行皮秒激光精细加工的实验研究。首先以氮化铝陶瓷为样本材料,研究了皮秒超短脉冲激光对氮化铝陶瓷材料的去除特性,通过对平面样品的基础研究,寻找合适的皮秒激光波长和加工能量阈值。通过使用单一变量法实验研究,获得了激光功率、加工路径、焦点位置、扫描速度、重复次数等工艺参数的对应关系,以及材料去除速率、加工质量与加工参数的对应关系,建立合理的激光去除材料的数学模型。基于陶瓷柱状传动构件的加工需求,使用计算机辅助设计软件,设计了一套带有主动旋转轴、适用于柱状材料旋转加工的工件夹具,此工件夹具主动旋转轴可以编程控制,夹装工件时可进行校准调整,同时适用于不同尺寸的柱状工件。根据现有皮秒激光加工平台的工作原理和控制方法,将工件夹具集成到了现有的加工平台中,使平面的皮秒激光加工工艺平台适用于柱状工件的加工,将平面加工工艺拓展到立体加工工艺。将数学模型和配备有旋转加工工件夹具的加工平台相结合,针对不同的柱状构件结构,编程设计相应的加工路径和控制程序,应用合理的加工工艺参数,对柱状陶瓷样品进行了柱状传动构件的加工实验,最终得到了具有实际应用价值的陶瓷柱状传动构件。通过本项研究,可以使用波长1064 nm的皮秒超短脉冲激光对直径3 mm的柱状陶瓷样品进行立体加工,可实现微直齿轮、微斜齿轮等陶瓷柱状传动构件的精细制造。加工尺寸精度可以控制在10μm,偏心度优于50μm,使用5 W激光输出功率时,加工深度0.64μm/s,加工一个3 mm直径齿轮样件用时约8分钟。样品加工表面粗糙度可达到2μm。此加工方法和加工结果具有在航天、军工等高端领域的实际应用价值。由于去除材料的理论数学模型与立体加工方法之间具有关联性和相对独立性,配合不同材料的数学模型和适当的加工工艺参数,可以将此加工方法拓展到其他可以使用皮秒激光去除的硬质陶瓷材料上,以至于应用于其他可以使用激光去除加工的材料上。具有良好的可拓展性,对柱状传动构件的激光精细加工提供了良好的研究基础。