CN102950385A

CN102950385A - 一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统及方法

Info

Publication number: CN102950385A
Application number: CN2012104705125A
Authority: CN
Inventors: 李明; 程光华; 杨小君
Original assignee: Zhongke Sino Laser Equipment (fujian) Ltd By Share Ltd
Current assignee: Zhongke Sino Laser Equipment (fujian) Ltd By Share Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明公开了一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统及方法，该系统包括激光发生单元、激光偏转单元、激光旋转单元、锥度控制单元和激光加工单元；所述激光发生单元产生一束短脉冲激光给激光偏转单元的入射端，所述激光偏转单元将短脉冲激光进行偏转后由其出射端发送给激光旋转单元的入射端；所述激光旋转单元使激光光束旋转并由其出射端射向锥度控制单元的入射端，所述锥度控制单元修正激光束与光轴之间的水平距离，然后激光束由锥度控制单元出射端射向激光加工单元上的被加工工件。本发明能够解决传统的机械和电火花加工精细圆孔等加工手段的技术缺陷，彻底改变目前精细圆锥形孔毛刺多，精度难以控制以及可靠性不强等缺点。

Description

一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统及方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其是一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统及方法。

背景技术

现代制造技术是一个国家发展经济的重要手段之一，也是衡量一个国家工业水平高低的重要依据。从目前来看，现代制造技术的发展主要呈现两个趋势：一个是追求制造系统自动化的计算机集成制造技术；另一个就是寻求制造系统微细加工极限的微机械制造技术。

随着国民经济和科学技术的发展，人们对产品小型化和精密化的要求也越来越高，作为现代制造技术发展两大趋势之一的微细加工技术，在航空航天、医学、传感器、精密模具、生物技术、微电子器件制造等方面有着广泛的应用。

例如：随着人类社会不断发展进步，人们的环保意识正越来越强，各国对柴油机排放的废气所造成的环境污染越来越重视，柴油机的排放法规日趋严格，而喷油嘴喷孔加工质量直接影响柴油机的燃油喷射和燃烧性能，所用的喷油嘴喷孔直径也越来越小，目前10μm量级的直径尺寸的小孔，钻削加工喷孔或电火花加工喷孔的方式将越来越难以适应。

激光加工是一门21世纪发展极快的制造新技术,各国政府和工业部门都非常重视激光器和激光加工技术设备的发展。在微细加工领域，激光加工还具备其他任何技术都无法比拟的技术优势，它区别于传统的激光材料加工，它是一个多光子吸收的过程，非线性作用过程占主导地位，因此具有不可比拟的优点。

在制造尺寸很小的孔的方面，已经有一系列非接触、无摩擦的技术，它们使用了紧密聚焦的光束，这些技术已经在微电子制造工艺和发动机零件的制造中建立了一定地位。如果小孔必须是圆锥形，将遇到特别的困难，因为在打孔方向上直径不断在增加。为了进行螺旋式打孔，专门打孔的光学装置能够以可变的旋转直径来对激光光束进行旋转。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统及方法，其采用超短脉冲激光旋转微加工制作精细圆孔，能够解决传统的机械和电火花加工精细圆孔等加工手段的技术缺陷，彻底改变目前精细圆锥形孔毛刺多，精度难以控制以及可靠性不强等缺点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统，包括：激光发生单元、激光偏转单元、激光旋转单元、锥度控制单元和激光加工单元；所述激光发生单元产生一束短脉冲激光给激光偏转单元的入射端，所述激光偏转单元将短脉冲激光进行偏转后由其出射端发送给激光旋转单元的入射端；所述激光旋转单元使激光光束旋转并由其出射端射向锥度控制单元的入射端，所述锥度控制单元修正激光束与光轴之间的水平距离，然后激光束由锥度控制单元出射端射向激光加工单元上的被加工工件。

上述激光偏转单元包括激光全反镜、楔形镜和楔形镜驱动电机，所述激光全反镜将激光发生单元产生的超短脉冲激光反射至楔形镜上；所述楔形镜由楔形镜驱动电机带动能够绕垂直于光轴的轴线旋转。

上述激光旋转单元包括棱镜以及带动所述棱镜绕光轴旋转的空心轴传动电动机。所述棱镜为道威棱镜、阿贝棱镜、V-棱镜、施密特棱镜、双斜方棱镜或双光楔。

上述锥度控制单元包括平板玻璃和平板玻璃驱动电机，所述平板玻璃驱动电机驱动平板玻璃旋转消除出射光线偏离的距离。

上述激光加工单元包括聚焦透镜和三维移动平台；所述聚焦透镜水平设置在三维移动平台的上方，所述三维移动平台上设置有调整样品处于水平位置的调整架。

本发明还提出一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的方法，包括以下步骤：

1）产生一束超短脉冲激光；

2）将超短脉冲激光束通过激光全反镜反射后，通过楔形镜垂直向下射出，以此时超短脉冲激光束所在的直线为激光旋转轴；

3）将超短脉冲激光束通过棱镜后射向平板玻璃，平板玻璃通过偏转来修正激光束与光轴之间的水平距离后，再经过聚焦透镜使激光束射向被加工工件，所述棱镜的入射光束与出射光束的光束方向一致，且入射点与出射点的连线与激光旋转轴平行；此时调整加工工件使超短脉冲激光束与加工工件表面垂直；

4）以垂直于光轴的轴线为旋转轴转动楔形镜，使楔形镜的出射光线与激光旋转轴产生夹角；同时旋转棱镜，使棱镜的出射光线绕激光旋转轴旋转；棱镜与平板玻璃必须同步旋转，同时偏转的平板玻璃修正光束与光轴之间的水平距离且楔形镜和平板玻璃同步偏转；

5）由平板玻璃射出的激光束通过聚焦透镜后对被加工工件进行螺旋式打孔。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明利用超短脉冲激光加工设备，采取光学系统装置，实现激光光束以旋转的方式来扫描，可以得到锥度可控的微圆孔。

（2）本发明得到圆锥形的小孔具有无毛刺，精度高，效率高、粗糙度高、可靠性高以及飞秒激光无热影响区的优点。

附图说明

图1是本发明激光旋转加工微型孔的示意图；

图2是相对转动的双光楔示意图；

图3是可以实现光束旋转的其他棱镜。

其中，图1中：1-超短脉冲激光器；2-激光光束准直系统；3-光全反镜；4-楔形镜驱动电机；5-楔形镜；6-棱镜；7-棱镜的空心轴传动高速电动机；8-聚焦透镜；9-工控计算机；10-三维移动平台；11-平板玻璃驱动电机；12-待钻孔样品；13-平板玻璃，14-激光光束旋转轴；A-实现激光光束旋转的光电控制部分，A’-实现激光光束偏转的光电控制部分，是激光旋转精细加工微小圆锥孔设备的核心；

图3中：（a）阿贝棱镜，（b）V-棱镜，（c）施密特棱镜，（d）双斜方棱镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提出的激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统包括：激光发生单元、激光偏转单元、激光旋转单元、锥度控制单元和激光加工单元；所述激光发生单元产生一束短脉冲激光给激光偏转单元的入射端，激光偏转单元将短脉冲激光进行偏转后由其出射端发送给激光旋转单元的入射端；激光旋转单元使激光光束旋转并由其出射端射向锥度控制单元的入射端，锥度控制单元修正激光束与光轴之间的水平距离，然后激光束由锥度控制单元出射端射向激光加工单元上的被加工工件。以下详细介绍组成本发明系统的各个单元：

激光发生单元

激光发生单元用于产生一束超短脉冲激光，其包括超短脉冲激光器1和激光光束准直系统2，激光光束准直系统2设置于超短脉冲激光器1的激光束出射端，由超短脉冲激光器1发出一束激光束，进入激光光束准直系统2进行准直后射向激光偏转单元。

激光偏转单元

激光偏转单元包括激光全反镜3、楔形镜5和楔形镜驱动电机4，激光全反镜3将激光发生单元产生的超短脉冲激光反射至楔形镜5上；楔形镜5由楔形镜驱动电机4带动能够绕垂直于光轴的轴线旋转。

激光旋转单元

激光旋转单元包括棱镜6以及带动所述棱镜6绕光轴旋转的空心轴传动电动机7。空心轴传动电动机7可选高速6000rmp电动机。在本发明的方案中，棱镜6可以有多种选择：道威棱镜、阿贝棱镜、V-棱镜、施密特棱镜、双斜方棱镜或双光楔。

锥度控制单元

锥度控制单元包括平板玻璃13和平板玻璃驱动电机11，平板玻璃驱动电机11驱动平板玻璃13旋转消除出射光线偏离的距离。

激光加工单元

激光加工单元包括聚焦透镜8和三维移动平台10；聚焦透镜8水平设置在三维移动平台10的上方，所述三维移动平台10上设置有调整样品处于水平位置的调整架。

本发明结构如图1所示，超短脉冲激光器1输出的激光光束经过光束准直系统2，然后入射到安装有激光全反镜3的金属筒内，调整激光全反镜的角度，当楔形镜5处于初始位置（即其驱动电机4没有工作时）使光束由楔形镜5出射时的光束方向垂直向下，以此时光束所在的直线为激光旋转轴14。设备工作时，道威棱镜6在棱镜空心轴传动高速电机7的带动下，围绕激光光束旋转轴做高速旋转运动，此时由楔形镜5出射的光束入射到道威棱镜表面，由道威棱镜的性质知，其入射光束与出射光束的光束方向一致，且入射点与出射点的连线与光束旋转轴平行。若驱动电机4开始工作，使得楔形镜如图1所示旋转方向旋转一定的角度，将使楔形镜5的出射光线与光束旋转轴产生夹角，并致使道威棱镜的出射光线偏离光束旋转轴，本发明利用由驱动电机11控制的平板玻璃13旋转消除出射光线偏离的距离。聚焦透镜8将经校正的激光光束汇聚到代加工样品12上，通过控制楔形镜旋转的角度并控制光束系统旋转，此激光加工装置能够实现以可变的旋转直径来对激光光束进行旋转，进行螺旋式打孔。

本激光加工设备的原理就是利用激光光束偏转后，使用特殊的光学装置进行激光光束旋转，实现螺旋式打孔。其中实现激光光束偏转的光电控制部分A’，是激光旋转精细加工微小圆锥孔设备的核心,可以使用不同的方法来或得偏转的光束，图1中所示的是用电机控制楔形镜在围绕垂直于光束旋转轴的轴向转动来或得偏转角；第二种方法是精密控制激光全反镜3在初始位置左右小角度来回摆动实现光束偏转；第三种方法是使用两个相同规格的双光楔，它们绕共同的入射光轴产生相对转动时，产生光束偏转并旋转，如图2所示。

产生光束旋转的部分，也可以根据不同的需求，更换实现激光光束旋转的光电控制部分A的旋转棱镜，如图3所示：

图1装置中的道威棱镜，可以用图3中的每种棱镜替代，可以产生同样的激光光束旋转，实现螺旋式打孔。

在设备钻孔过程中当旋转棱镜一次的时候，激光就旋转两次。若相对于旋转轴将激光光束倾斜，通过聚焦透镜后，光束将在激光光束旋转的方向上刻画出一个圆形。在与旋转轴平行的方向上移动激光光束，激光光束将以一定的入射角来刻画圆形。双锥型旋转光束深入到材料内部较深处，像螺旋式的阶梯，在底部变得更宽。得到了质量很高的小孔。使用这项技术，可以得到圆锥形的小孔。

本发明工作过程：

激光脉冲经过上述的光学系统，使得激光脉冲聚焦到待加工样品表面。待加工样品被固定在与调整架相连的样品夹中，调整架与三维移动平台相连，调整架用来保证入射光线与样品间相互垂直。计算机控制的三维移动平台控制样品位置，并使其上表面初始位置在激光焦面上。设备工作过程中，通过光束准直系统微调激光聚焦面，并在各电机共同控制下，实现螺旋式打孔。各电机控制及光束准直系统在计算机控制下共同协作。

Claims

1.一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统，其特征在于，包括：激光发生单元、激光偏转单元、激光旋转单元、锥度控制单元和激光加工单元；所述激光发生单元产生一束短脉冲激光给激光偏转单元的入射端，所述激光偏转单元将短脉冲激光进行偏转后由其出射端发送给激光旋转单元的入射端；所述激光旋转单元使激光光束旋转并由其出射端射向锥度控制单元的入射端，所述锥度控制单元修正激光束与光轴之间的水平距离，然后激光束由锥度控制单元出射端射向激光加工单元上的被加工工件。

2.根据权利要求1所述的激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统，其特征在于，所述激光偏转单元包括激光全反镜（3）、楔形镜（5）和楔形镜驱动电机（4），所述激光全反镜（3）将激光发生单元产生的超短脉冲激光反射至楔形镜（5）上；所述楔形镜（5）由楔形镜驱动电机（4）带动能够绕垂直于光轴的轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统，其特征在于，所述激光旋转单元包括棱镜（6）以及带动所述棱镜（6）绕光轴旋转的空心轴传动电动机（7）。

4.根据权利要求3所述的激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统，其特征在于，所述棱镜（6）为道威棱镜、阿贝棱镜、V-棱镜、施密特棱镜、双斜方棱镜或双光楔。

5.根据权利要求1所述的激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统，其特征在于，所述锥度控制单元包括平板玻璃（13）和平板玻璃驱动电机（11），所述平板玻璃驱动电机（11）驱动平板玻璃（13）旋转消除出射光线偏离的距离。

6.根据权利要求1所述的激光束旋转加工微小圆锥形孔的系统，其特征在于，所述激光加工单元包括聚焦透镜（8）和三维移动平台（10）；所述聚焦透镜（8）水平设置在三维移动平台（10）的上方，所述三维移动平台（10）上设置有调整样品处于水平位置的调整架。

7.一种激光束旋转加工微小圆锥形孔的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）产生一束超短脉冲激光；

2）将超短脉冲激光束通过激光全反镜（3）反射后，通过楔形镜（5）垂直向下射出，以此时超短脉冲激光束所在的直线为激光旋转轴（14）；

3）将超短脉冲激光束通过棱镜（6）后射向平板玻璃（13），平板玻璃（13）通过偏转来修正激光束与光轴之间的水平距离后，再经过聚焦透镜（8）使激光束射向被加工工件，所述棱镜（6）的入射光束与出射光束的光束方向一致，且入射点与出射点的连线与激光旋转轴（14）平行；此时调整加工工件使超短脉冲激光束与加工工件表面垂直；

4）以垂直于光轴的轴线为旋转轴转动楔形镜（5），使楔形镜（5）的出射光线与激光旋转轴（14）产生夹角；同时旋转棱镜（6），使棱镜（6）的出射光线绕激光旋转轴（14）旋转；棱镜（6）与平板玻璃（13）必须同步旋转，同时偏转的平板玻璃（13）修正光束与光轴之间的水平距离且楔形镜（5）和平板玻璃（13）同步偏转；

5）由平板玻璃（13）射出的激光束通过聚焦透镜（8）后对被加工工件进行螺旋式打孔。