CN105328331B - 用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统及加工方法。包括准直系统和聚焦系统，其特征是：所述准直系统由三个球面镜构成，所述聚焦系统是由三个球面镜构成的圆形光斑聚焦系统或者是由一个柱面镜和两个球面镜构成的线型光斑聚焦系统。将激光器发射出的单束激光经过强聚焦光学系统聚焦成圆形光斑照射到旋转的工件表面上，工件按照规定的转速旋转，激光束沿轴向按照规定的速度扫描，激光束的光能转化成热能，工件上焦点区域材料被熔化、气化、抛出，车削加工出轴类零件。为提高加工速度、加工精度和表面质量，将激光器发射出的单束脉冲激光聚焦形式转换成线型光斑照射到已车削工件表面上，实现激光超薄磨削加工。

Description

用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统及加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种激光微加工装置，本发明也涉及一种激光微加工方法。特别是一种用激光进行车削、磨削的强聚焦光学系统及方法。

背景技术

机械零件的切削加工工艺包括车削、铣削、刨削、磨削等。传统加工工艺都是利用金属切削机床的成型运动，将电能转化成机械能，利用高硬度的金属切削刀具对工件施加切削力，切除多余的金属将工件加工成型。切削加工的本质，一是依靠刀具材料比工件材料硬，二是依靠切削力切除多余金属。但是，随着尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展。它们所使用的材料越来越难加工，例如钛合金、淬火钢、陶瓷、石英等高强度、高硬度、高脆性、高韧性的金属和非金属材料。这些工件材料的硬度已经达到或超过切削刀具的硬度，因此这些新型材料难以加工。

由于激光本身具有方向性好、相干性好、聚焦能力强等优点，因此激光光束常被用来进行激光加工。将激光光束通过聚焦系统可以使光斑点聚焦，局部产生高热，从而进行激光精密加工，它是传统机械加工最具竞争力的一种替代手段。利用激光替代传统加工方式进行车削、磨削是将激光的光能转化成热能作用于工件表面，产生几千度甚至上万度的高温来熔化和气化金属或非金属材料。加工过程中不使用刀具，因而没有机械切削力，只要设计出合理的加工方法，会使得难加工材料的加工问题迎刃而解。

在激光加工设备中强聚焦光学系统是其重要组成部分，它的特性直接影响激光加工的精度以及效率。它具有将激光束从激光器的输出窗口引导至加工工件表面，并且在加工部位获得所需光斑的尺寸、形状等的作用。因此，利用激光进行微加工时对其强聚焦光学系统的设计就尤为重要。本发明设计了特殊的强聚焦光学系统，实现聚焦光斑大小达到微米量级，同时满足从聚焦圆斑到线型光斑的自由转换，提高加工精度和效率，实现激光切削和磨削加工。

传统的激光器发出光束直接用于激光加工时，其聚焦光斑尺寸较大。公开号为CN101148002A的专利文件中提出了一种激光微加工机光学聚焦系统，但其中只提出系统有较好的聚焦效果，也没能具体给出聚焦光斑的尺寸；Herman等人提出采用旋转棱镜生成光束，结构简单，能量利用率高，但是这种光学系统的不足之处在于旋转棱镜非球面镜光学元件加工精度要求高，并且该系统想得到加工所需光斑斑型和大小都较难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚焦光斑尺寸小、加工效率与加工精度高的用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统。本发明的目的还在于提供一种利用用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统的加工方法。

本发明的用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统包括准直系统和聚焦系统，其特征是：所述准直系统由三个球面镜构成，所述聚焦系统是由三个球面镜构成的圆形光斑聚焦系统或者是由一个柱面镜和两个球面镜构成的线型光斑聚焦系统。

本发明的用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统还可以包括：在旋转盘上方设置一个固定镜筒，在旋转盘下方设置两个旋转镜筒，构成准直系统的三个球面镜置于旋转盘上方的固定镜筒中，在旋转盘下方的一个旋转镜筒中安装构成圆形光斑聚焦系统的三个球面镜，在旋转盘下方的另一个旋转镜筒中安装构成线型光斑聚焦系统的一个柱面镜和两个球面镜。

一种利用用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统的加工方法为：将激光器11发射出的单束激光经过用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统聚焦成圆形光斑照射到旋转的工件表面上，工件按照设定转速旋转，激光束沿工件轴向按照设定的速度扫描，激光束的光能转化成热能，工件上焦点区域材料被熔化、气化、抛出，车削加工出轴类零件。

本发明的利用用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统的加工方法还可以包括：

1、将用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统转换成聚焦成线型光斑照射到已车削工件表面上，实现激光磨削加工。

2、在加工过程中检测工件表面的几何形状与设计要求之间的差异，具体包括：将楔形参考板和工件沿激光传播方向留有距离，在垂直入射光方向上，楔形参考板与工件边缘构成间距为d单缝，在激光加工光路中放置一块平晶或半反半透镜将部分激光反射，当反射激光光线传播到工件边缘与楔形参考板的位置时，将发生衍射，衍射条纹宽度与工件边缘与楔形参考板之间的垂直距离成反比，再经过焦距为f的透镜后，在接收板上观察间距为x的条纹，通过接收板观察条纹间距x的变化Δx，检测出工件表面的平整度。

本发明提供了一种用激光进行车削并能进行磨削的强聚焦光学系统。本发明所用的技术方案是：设计一种强聚焦光学系统，只利用简单的球面镜与柱面镜进行组合，使得聚焦光斑小，聚焦形状自由切换。强聚焦光学系统的设计由两部分组成，第一部分是对激光器的出射光斑进行准直的光路设计，第二部分是针对光束进行聚焦的设计。将激光器出射的激光光束首先经过准直光路，使得出射光束为准平行光束。已经得到的准平行激光光束再通过不同的聚焦光路部分，获得达到设计指标的微小光斑或条形光斑。这样就在一台激光装置上，实现了强聚焦激光圆形光斑和线型光斑两种聚焦形式，并且聚焦效果较好，系统的可靠性强。上述激光聚焦装置，包括六个球面镜和一个柱面镜，其中六个球面镜构成了准直系统与圆形光斑聚焦系统。若需要改变聚焦光斑的形状改为线型光斑，则需要将聚焦系统中的一个球面镜改为一个柱面镜即可。在强聚焦光学系统中，光学系统成完美对称结构，制作镜片较简洁，装卡镜片方便美观。

本发明的利用用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统的加工方法，将激光器11发射出的单束激光经过强聚焦光学系统聚焦成圆形光斑照射到旋转的工件10表面上，工件按照规定的转速旋转，激光束沿轴向按照规定的速度扫描，激光束的光能转化成热能，工件上焦点区域材料被熔化、气化、抛出，车削加工出轴类零件。为提高加工速度、加工精度和表面质量，将激光器发射出的单束脉冲激光聚焦形式转换成线型光斑照射到已车削工件表面上，实现激光超薄磨削加工。该工艺方法特别适合于加工金属、非金属等微小型轴类零件。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的强聚焦光学系统改变光学系统，通过改变系统中的一面透镜就实现了强聚焦激光圆形光斑和线型光斑的自由转换，实现了聚焦光斑尺寸小，聚焦光斑形状可改变的目标。

2、本发明的强聚焦光学系统，通过最简单的球面镜进行光路组合可以实现直径10μm的聚焦圆形光斑；通过柱面镜进行聚焦可以得到宽度10μm、长度1-10mm的线型光斑，保证了强聚焦激光的加工效率与加工精度。

3、本发明的强聚焦光学系统，在进行聚焦减小光斑尺寸的同时能量损耗较小，使得加工效果较以往好，解决了利用激光进行机械零件的切削加工中的重要问题。

4、本发明操作简单，成本低廉，且易于实现，适合推广使用。

附图说明

图1为激光强聚焦光学系统的示意图。

图2为不同光斑光路切换装置示意图。

图3为检验工件平整度的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明：

图1显示了本发明中激光强聚焦光学系统的设计图，图2展示了聚焦光路切换装置，通过旋转装置镜筒可以实现圆形光斑和线型光斑的自由转换。图3显示了在实际加工中对工件表面平整度的衍射测量方法。

图1显示了本发明中激光强聚焦光学系统的设计图，在激光强聚焦光学系统中利用了球面镜和柱面镜进行准直聚焦设计。如图1所示球面镜1、2、3为激光准直部分。目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以Nd:YAG激光器为代表；而气体激光器则以CO₂激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。在发明中我们首先设计了激光光束准直部分，使得激光光束调整为准平行光为工业加工更好的使用。聚焦部分则是由4、5、6三个球面镜构成，此时聚焦得到的是圆形光斑，若想得到线型光斑，在实际生产中只需将4球面镜改为柱面镜7即可实现从圆形光斑到线型光斑的自由转换。

在实际执行加工的过程中，将前三个球面镜进行固定，在加工中保持不动。后三个球面镜安装在可以旋转的装置上，根据加工需求的不同进行选择。

图2为光路切换装置，将准直部分光路镜子1、2、3装在旋转盘8上方的镜筒9中，而形成圆形光斑的聚焦镜片4、5、6与形成线型光斑的聚焦镜片7、5、6分别装在旋转盘下方的两个镜筒9中，此时图2所示的装置图可以实现光路的自由切换，本装置图可以利用手动进行切换也可以根据加工需要设计自动转换装置。

为检测加工过程中工件表面的几何形状与设计要求之间的微小差异，设计采用激光衍射图样进行控制和测量。在实例中使用的激光可以是单独的可见光激光器，也可以从聚焦光学系统的激光光源中分出一部分能量，形成图3的装置。

图3实例中，为避免楔形参考板14在测量过程中碰到被加工工件，将楔形参考板14和待测工件13沿激光传播方向留有一定距离；在垂直入射光方向上，楔形参考板与工件边缘构成单缝，单缝间距为d(10-100μm量级)。在激光加工光路中放置一块平晶或半反半透镜12可以将部分激光反射，当反射激光光线传播到工件边缘与楔形参考板的位置时，将发生衍射，衍射条纹宽度与工件边缘与楔形参考板之间的垂直距离(对应单缝宽度)成反比。在经过焦距为f的透镜透镜15后，可以在接收板16上观察条纹宽度。条纹间距公式：

通过接收板观察条纹间距x的变化Δx，可以检测出工件表面的平整度。当x的大小不发生改变时，或改变量在误差允许范围内，则说明工件表面平整度足够高；当条纹间距x的大小发生改变，从接收板上读出条纹出现间距变化Δx，或者条纹出现凸凹变化，则说明工件平整度低或指标未达标，此时可以利用激光对凸出部分进行磨削使得凸出部分逐渐变平整。

Claims (2)

1.一种利用用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统的加工方法，用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统包括准直系统和聚焦系统，所述准直系统由三个球面镜构成，所述聚焦系统是由三个球面镜构成的圆形光斑聚焦系统或者是由一个柱面镜和两个球面镜构成的线型光斑聚焦系统；其特征是：将激光器发射出的单束激光经过用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统聚焦成圆形光斑照射到旋转的工件表面上，工件按照设定转速旋转，激光束沿工件轴向按照设定的速度扫描，激光束的光能转化成热能，工件上焦点区域材料被熔化、气化、抛出，车削加工出轴类零件；在加工过程中检测工件表面的几何形状与设计要求之间的差异，具体包括：将楔形参考板和工件沿激光传播方向留有距离，在垂直入射光方向上，楔形参考板与工件边缘构成间距为d的单缝，在激光加工光路中放置一块平晶或半反半透镜将部分激光反射，当反射激光光线传播到工件边缘与楔形参考板的位置时，将发生衍射，衍射条纹宽度与工件边缘与楔形参考板之间的垂直距离成反比，再经过焦距为f的透镜后，在接收板上观察间距为x的条纹，通过接收板观察条纹间距x的变化Δx，检测出工件表面的平整度。

2.根据权利要求1所述的利用用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统的加工方法，其特征是：将用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统转换成聚焦成线型光斑照射到已车削工件表面上，实现激光磨削加工。