CN107042364A - 激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法 - Google Patents

Abstract

本发明激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，属于超精密加工领域。包括超精密飞切单元、激光辅助加工单元和温度闭环控制单元；所述超精密飞切单元垂直飞切主轴轴线方向与机床固定平台安装，所述激光辅助加工单元安装位置位于超精密飞切单元中飞刀盘飞切单晶锗二维光学转鼓飞出棱边的方向，所述温度闭环控制单元与激光辅助加工单元同侧安装，实时监测加热温度并进行反馈、调整达到激光辅助加热单晶锗材料的软化效果。本发明优点在于通过激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓切出棱边处局部预热的工艺，降低单晶锗脆性晶体材料切出棱边处的断裂强度，保证超精密飞切工艺的高质量、高效率完成，避免超精密飞切过程切出棱边的破棱现象。

Description

激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法

技术领域

本发明属于超精密加工领域，具体涉及激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法。

背景技术

目前单晶锗二维光学转鼓在二维扫描成像探测器等扫描探测仪器中应用广泛，需求量不断增加。单晶锗二维光学转鼓需要具有较高的面形精度和工作表面间角度精度的要求，通常在超精密机床上采用单点金刚石超精密飞切的方法进行加工。但是由于单晶锗二维光学转鼓材料本身的硬脆特性，需要在脆塑转变临界切削厚度以内进行加工方能实现良好表面质量。而对于超精密飞切不连续的二维转鼓表面，相邻表面切出角的影响会导致切出棱边出现严重的破棱现象，因此导致加工时产品质量不高、成品率低和生产成本高等问题。其根本原因是相邻表面切出角的存在使得脆塑转变临界切削厚度变小，原本平面切削时的脆塑转变临界切削厚度不能保证在切出边的塑性域切削去除，所以以破棱断裂的形式出现而影响加工质量。但是如果实际加工过程中采用缩小临界切削厚度的方法来实现无破棱的塑性域加工，那么对于相同的切削余量，加工时间就会大大增加，不利于产品生产率的保证。所以本发明提出了一种激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，通过加热软化单晶锗二维转鼓切出棱边的局部区域，降低去除材料的断裂强度，从而保证甚至是增大原有的脆塑转变临界切削厚度，抑制破棱现象出现，进而提高飞切切出棱边的加工质量和效率，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，用以解决超精密飞切单晶锗二维光学转鼓过程中切出边破棱问题，保证加工质量和加工效率、降低生产成本。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，包括超精密飞切单元、激光辅助加工单元和温度闭环控制单元；所述超精密飞切单元由飞切主轴、飞刀盘、单晶锗二维光学转鼓、粘接基底夹具、垂直转台和水平转台组成，其中飞刀盘安装在飞切主轴上，通过飞切主轴带动飞刀盘做高速旋转运动，使飞刀盘的飞刀接触单晶锗二维光学转鼓进行超精密飞切加工，单晶锗二维光学转鼓的轴向端面基准面与粘接基底夹具通过粘接固定，粘接基底夹具与垂直转台的台面进行螺钉紧固连接，垂直转台安装在水平转台上，垂直转台和水平转台都具有高精度旋转定位功能，通过垂直转台的精确转动定位能满足相邻两个面之间的转角精度，通过水平转台的精确转动定位能满足每个侧面的倾角精度，两者组成的二维数控转台可实现精确的角度定位从而达到单晶锗二维光学转鼓不同侧面的超精密飞切加工；所述激光辅助加工单元由激光器调整平台、激光器夹具、激光器和激光束组成，其中激光器夹具安装在激光器调整平台上，对激光器进行夹紧固定，激光器发射的激光束垂直作用在单晶锗二维光学转鼓飞切面的切出棱边上，通过激光器调整平台的转动和线性调整可使激光束流沿切出棱边线性加热；所述温度闭环控制单元由非接触式温度传感器和上位机组成，其中非接触式温度传感器与激光辅助加工单元同侧安装，且非接触式温度传感器监测视野为激光束线性加热的整个棱边，通过非接触式温度传感器监测激光器发射的激光束加热单晶锗二维光学转鼓切出棱边的温度形态和大小，将采集的温度信息实时传送到与非接触式温度传感器输出端口连接的上位机上，通过上位机显示功能将温度信息以数值的形式显示，并调节激光器输出工艺参数，闭环控制加热温度的极值不超过二维转鼓单晶锗材料的临界许用温度，最终实现单晶锗二维转鼓飞切切出边局部区域的选择性软化效果，当超精密飞切完成单晶锗二维光学转鼓时可以通过上位机控制激光器的关闭并退回初始位置，准备下道工序加工。

本发明激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，包括如下步骤：

S1、利用垂直转台和水平转台组成的二维数控转台对单晶锗二维光学转鼓第一加工表面的位置进行调整，通过超精密机床导轨的进给实现进刀和对刀，使超精密飞刀盘的飞刀切削转鼓第一加工侧表面的切深处于对应棱边位置处的单晶锗脆塑转变临界切削深度范围内，能够通过飞刀的高速旋转和沿转鼓轴线的进给实现整个单晶锗二维光学转鼓第一侧表面的完整飞切加工；

S2、调整激光器，使激光器轴线方向对准单晶锗二维光学转鼓飞切侧面切出棱边的初始位置，且激光器可沿切出棱边线性移动；

S3、开启激光器，利用激光器发射的聚焦激光束对单晶锗二维光学转鼓飞切的切出棱边进行局部选择性移动加热，激光束对切出棱边的加热先于飞切时飞刀对棱边的加工；同步开启非接触式温度传感器，非接触式温度传感器对整个激光束加热的转鼓棱边进行温度的实时监测，并将信息传递到上位机，再通过上位机对激光器输出参数的调整达到闭环控制加热温度的目的，同时将感应到的温度、激光器输出参数等信息实时显示在上位机上；最终实现对单晶锗二维转鼓切出棱边加热软化的效果，降低屈服极限，避免飞切出棱边时破棱现象的产生；

S4、待单晶锗二维光学转鼓的第一侧表面飞切完成时，通过上位机控制关闭激光器使之不再对飞刀切出棱边加热，然后退回原位置；飞刀盘通过机床进给轴也退回初始位置；

S5、调整垂直转台和水平转台将单晶锗二维光学转鼓调整到下一个需要加工的侧表面，调整激光器调整平台使激光器处于S2的状态，然后通过上位机开启激光器对飞刀切出棱边加热软化达到S3的效果并进行飞切加工，最终完成单晶锗二维光学转鼓不同侧面的超精密飞切加工。

本发明具备有益效果：通过激光辅助在超精密飞切单晶锗二维光学转鼓切出棱边处进行局部预热的工艺，降低单晶锗脆性晶体材料在切出棱边处的断裂强度，保证超精密飞切工艺的高质量、高效率完成。本发明提供超精密飞切单元、激光辅助加工单元和温度闭环控制单元，超精密飞切单元可满足单晶锗二维光学转鼓任意转角和倾角的精度从而保证最小飞切厚度，达到飞切面的面形质量和各项指标要求；激光辅助加工单元的激光调整平台具有旋转和平动功能，可满足激光器任意角度的调整，实现激光器发射的激光束沿着超精密飞切单晶锗二维转鼓的切出棱边进行路径化线性加热；温度闭环控制单元使用非接触式温度传感器进行监测，将监测的预热温度反映到上位机显示端口，同时反馈调整激光器的激光输出参数，确保预热温度平衡在单晶锗二维光学转鼓脆性晶体材料临界许用温度。此激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法避免了超精密飞切过程中破棱现象的发生，保证了超精密飞切的加工质量和加工效率，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法的原理示意图；

图2为本发明激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法的流程图；

图中标号为：1、飞切主轴，2、飞刀盘，3、单晶锗二维光学转鼓，4、粘接基底夹具，5、垂直转台，6、水平转台，7、非接触式温度传感器，8、激光器调整平台，9、激光器夹具，10、激光器，11、激光束。

具体实施方式

为进一步说明本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

参阅图1，本发明提供了激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，在本实施方式中，所述激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法包括超精密飞切单元、激光辅助加工单元和温度闭环控制单元；所述超精密飞切单元垂直飞切主轴1轴线方向安装在机床固定平台上，便于超精密飞切过程的加工调整，所述激光辅助加工单元安装位置位于超精密飞切单元中飞刀盘2飞切单晶锗二维光学转鼓3飞出棱边的方向，保证激光器10发射的激光束11加热路径沿单晶锗二维光学转鼓3切出棱边，所述温度闭环控制单元与激光辅助加工单元同侧安装，使非接触式温度传感器7的监测视野覆盖单晶锗二维光学转鼓3的切出棱边，便于实时监测棱边加热温度的情况，根据非接触式温度传感器7实时监测加热温度的数值信息并反馈到上位机从而对激光器10的输出工艺参数进行相应的调整，以达到激光辅助加热单晶锗材料的软化，实现超精密飞切的加工质量和加工效率，避免超精密飞切过程中切出棱边的破棱现象。

所述超精密飞切单元由飞切主轴1、飞刀盘2、单晶锗二维光学转鼓3、粘接基底夹具4、垂直转台5和水平转台6组成；所述飞刀盘2安装在飞切主轴1上，通过飞切主轴1调整飞刀盘2的飞刀与单晶锗二维光学转鼓3的位置，并且由飞切主轴1的高转速驱使飞刀盘2做高速旋转运动，使飞刀盘2的飞刀切深处于单晶锗二维光学转鼓3对应棱边处的脆塑转变临界切削深度范围内进行超精密飞切加工，所述单晶锗二维光学转鼓3为多面体形与粘接基底夹具4通过粘接固定，所述粘接基底夹具4与垂直转台5中间位置同轴度安装，粘接基底夹具4为单晶锗二维光学转鼓3提供稳固的装夹平台以保证超精密飞切过程中单晶锗二维光学转鼓3的稳定性，从而保证单晶锗二维光学转鼓3飞切面的质量要求，所述垂直转台5安装在水平转台6上，垂直转台5和水平转台6都具有高精度旋转调整功能，通过垂直转台5的精确转动定位能满足相邻两个面之间的转角精度，通过水平转台6的精确转动定位能满足每个侧面的倾角精度，两者组成的二维数控转台可实现精确的角度定位从而达到单晶锗二维光学转鼓3不同侧面的超精密飞切加工。

所述激光辅助加工单元由激光器调整平台8、激光器夹具9、激光器10和激光束11组成；所述激光器夹具9安装在激光器调整平台8上通过螺栓对激光器10夹紧固定，使激光器10通过激光器调整平台8调整过程中与激光器夹具9不发生位移现象，所述激光器10为可调激光器，且发射的激光束11垂直作用在单晶锗二维光学转鼓3飞切面的切出棱边上，所述激光器调整平台8在水平方向具有0°到360°的转动调整功能，在竖直方向具有0°到360°的转动调整功能，且在方位确定下可带动激光器夹具9和激光器10一定范围内的线性移动功能，通过激光器调整平台8的转动和线性调整可使激光器10发射的激光束11沿飞出棱边线性加热，从而达到超精密飞切单晶锗二维光学转鼓3切出棱边处的材料软化效果。

所述温度闭环控制单元由非接触式温度传感器7和上位机组成；所述非接触式温度传感器7与激光辅助加工单元同侧安装，且非接触式温度传感器7监测视野为激光束11线性加热的整个棱边，通过非接触式温度传感器7监测激光器10发射的激光束11加热单晶锗二维光学转鼓3切出棱边的温度形态和大小，将采集的温度信息实时传送到与非接触式温度传感器7输出端口连接的上位机上，通过上位机显示功能将温度信息以数值的形式显示，并调节激光器10输出频率，闭环控制加热温度的极值不超过单晶锗二维光学转鼓3材料的临界许用温度，以单晶锗脆性晶体材料发生特定软化作用所需的温度(根据晶体各向异性规律通过计算而定)为加热临界许用温度，当单晶锗二维光学转鼓3切出棱边的加热温度没有达到单晶锗晶体材料的临界温度时，上位机便调节激光器10的输出工艺参数大小来快速调节激光束11发射的能量，最终使加热的棱边位置处达到所需的临界温度从而实现对脆性晶体材料适当软化的效果，当超精密飞切完成单晶锗二维光学转鼓3时可以通过上位机控制激光器10的关闭，并退回初始位置准备下道工序加工。

参阅图2，本发明激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，包括以下步骤：

S1、利用垂直转台5和水平转台6组成的二维数控转台对单晶锗二维光学转鼓3第一加工侧表面的位置进行调整，通过超精密机床导轨的进给实现进刀和对刀，使超精密飞刀盘2的飞刀切削转鼓第一加工侧表面的切深处于对应棱边位置处的单晶锗脆塑转变临界切削深度范围内，能够通过飞刀的高速旋转和沿转鼓轴线的进给实现整个单晶锗二维光学转鼓3第一侧表面的完整飞切加工；

S2、通过激光器调整平台8的转动调整功能调整激光器10，使激光器10轴线方向对准单晶锗二维光学转鼓3飞切侧面切出棱边的初始位置，且激光器10可沿切出棱边线性移动；

S3、开启激光器10，利用激光器10发射的激光束11对单晶锗二维光学转鼓3飞切的切出棱边进行局部选择性移动加热，激光束11对切出棱边的加热先于飞切时飞刀对棱边的加工；同步开启非接触式温度传感器7，非接触式温度传感器7对整个激光束加热的转鼓棱边进行温度的实时监测，并将信息传递到上位机，再通过上位机对激光器10输出参数的调整达到闭环控制加热温度的目的，同时感应到的温度、激光输出参数等信息实时显示在上位机上；最终实现对单晶锗二维光学转鼓3飞刀切出棱边的加热软化效果，降低屈服极限，避免切出棱边时破棱现象的产生；

S4、待单晶锗二维光学转鼓3的第一侧表面飞切完成时，通过上位机控制关闭激光器10使之不再对切出棱边加热，然后退回原位置；飞刀盘2通过机床进给轴也退回初始位置；

S5、调整垂直转台5和水平转台6将单晶锗二维光学转鼓3调整到下一个需要加工的侧面，调整激光器调整平台8使激光器10处于S2的状态，然后通过上位机开启激光器10对切出棱边加热软化达到S3的效果并进行飞切加工，最终完成单晶锗二维光学转鼓3不同侧面的超精密飞切加工。

Claims (5)

1.激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，其特征在于，包括超精密飞切单元、激光辅助加工单元和温度闭环控制单元；所述超精密飞切单元垂直飞切主轴(1)轴线方向安装在机床固定平台上，所述激光辅助加工单元安装位置位于超精密飞切单元中飞刀盘(2)飞切单晶锗二维光学转鼓(3)飞出棱边的方向，所述温度闭环控制单元与激光辅助加工单元同侧安装。

2.根据权利要求1所述的激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，其特征在于，所述超精密飞切单元由飞切主轴(1)、飞刀盘(2)、单晶锗二维光学转鼓(3)、粘接基底夹具(4)、垂直转台(5)和水平转台(6)组成；所述飞刀盘(2)安装在飞切主轴((1))上，所述单晶锗二维光学转鼓(3)为多面体形与粘接基底夹具(4)通过粘接固定，所述粘接基底夹具(4)与垂直转台(5)中间位置同轴度安装，所述垂直转台(5)安装在水平转台(6)上，所述垂直转台(5)和水平转台(6)组成的二维数控转台可实现精确的角度定位。

3.根据权利要求1所述的激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，其特征在于，所述激光辅助加工单元由激光器调整平台(8)、激光器夹具(9)、激光器(10)和激光束(11)组成；所述激光器夹具(9)安装在激光器调整平台(8)上，激光器(10)与激光器夹具(9)通过螺栓夹紧固定，所述激光器(10)为可调激光器，通过激光器调整平台(8)实现激光器(10)的入射角的任意调节，所述激光束(11)与单晶锗二维光学转鼓(3)飞切侧面切出棱边的初始位置垂直，且激光束(11)可沿切出棱边线性移动对单晶锗二维光学转鼓(3)切出棱边飞切前加热。

4.根据权利要求1所述的激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，其特征在于，所述温度闭环控制单元由非接触式温度传感器(7)和上位机组成；所述非接触式温度传感器(7)与激光辅助加工单元同侧安装，所述非接触式温度传感器(7)监测视野为激光束(11)线性加热的整个棱边，所述非接触式温度传感器(7)将采集的温度信息实时传送到与非接触式温度传感器(7)输出端口连接的上位机上，所述上位机可调节激光器(10)输出频率和控制激光器(10)的开启、关闭。

5.根据权利要求1所述的激光辅助超精密飞切单晶锗二维光学转鼓的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用垂直转台(5)和水平转台(6)组成的二维数控转台对单晶锗二维光学转鼓(3)第一加工侧表面的位置进行调整，通过超精密机床导轨的进给实现进刀和对刀，使超精密飞刀盘(2)的飞刀切削转鼓第一加工侧表面的切深处于对应棱边位置处的单晶锗脆塑转变临界切削深度范围内，能够通过飞刀的高速旋转和沿转鼓轴线的进给实现整个单晶锗二维光学转鼓(3)第一侧表面的完整飞切加工；

S2、通过激光器调整平台(8)的转动调整功能调整激光器(10)，使激光器(10)轴线方向对准单晶锗二维光学转鼓(3)飞切侧面切出棱边的初始位置，且激光器(10)可沿切出棱边线性移动；

S3、开启激光器(10)，利用激光器(10)发射的激光束(11)对单晶锗二维光学转鼓(3)飞切的切出棱边进行局部选择性移动加热，激光束(11)对切出棱边的加热先于飞切时飞刀对棱边的加工；同步开启非接触式温度传感器(7)，非接触式温度传感器(7)对整个激光束加热的转鼓棱边进行温度的实时监测，并将信息传递到上位机，再通过上位机对激光器(10)输出参数的调整达到闭环控制加热温度的目的，同时感应到的温度、激光输出参数等信息实时显示在上位机上；最终实现对单晶锗二维光学转鼓(3)飞刀切出棱边的加热软化效果，降低屈服极限，避免切出棱边时破棱现象的产生；

S4、待单晶锗二维光学转鼓(3)的第一侧表面飞切完成时，通过上位机控制关闭激光器(10)使之不再对切出棱边加热，然后退回原位置；飞刀盘(2)通过机床进给轴也退回初始位置；

S5、调整垂直转台(5)和水平转台(6)将单晶锗二维光学转鼓(3)调整到下一个需要加工的侧面，调整激光器调整平台(8)使激光器(10)处于S2的状态，然后通过上位机开启激光器(10)对切出棱边加热软化达到S3的效果并进行飞切加工，最终完成单晶锗二维光学转鼓(3)不同侧面的超精密飞切加工。