CN108161230B - 一种准3d加工球冠栅网的装置及其方法 - Google Patents

一种准3d加工球冠栅网的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种准3D加工球冠栅网的装置及方法，激光器输出光束，第一反射单元将从激光器输出的光束射入光束整形单元，光束整形单元对光束进行扩束并改变扩束光斑的大小，且对扩束之后激光光束进行过滤；第二反射单元将整形后激光光束入射至加工单元，加工单元将第二反射单元反射的光束进行聚焦，包含依光路方向依次布置的振镜和聚焦镜，由聚焦镜聚焦至加工产品上；摆动旋转运动单元，承载加工产品，并带动加工产品旋转和摆动，使激光在指定位置加工；A‑B轴运动单元安装于X‑Y轴运动平台上，驱动摆动旋转运动单元沿X轴、Y轴向运动。该激光加工方式不存在耗材损耗，表面不存在重铸层，改善栅网的加工精细度和品质，提高效率。

Description

一种准3D加工球冠栅网的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种准3D加工球冠栅网的装置及其方法。
背景技术
目前，金属钼片球冠加工大多采用电火花方式加工，基于电极和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀来去除金属，以达到对零件的尺寸、形状以及表面质量预定的加工要求。电火花放电时，火花通道中瞬时产生10000℃以上的高温，使金属材料局部熔化、气化而被去除，形成放电凹坑。
电火花切割加工难以解决以下几个关键问题：第一，微孔加工要求较高的尺寸精度和表面质量，所以需要改造脉冲电源及加工控制系统实现微量加工；第二，电火花微孔加工中存在电极损耗。第三，电火花加工带来的重铸层问题，电火花加工是在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，切割表面存在一定厚度的重铸层。
电火花打孔出现重铸层，为了实现对重铸层的去除，可以抛光方法去除重铸层的效果，然而，这种方法在微细加工中存在一定的问题。
由于电火花加工自身的特点，也使得其在加工过程中存在一定的局限性：1)加工速度较慢，所以在较厚的材料上打孔非常昂贵；2)存在电极的损耗，并往往集中在电极某一局部，影响成形精度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种准3D加工球冠栅网的装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种准3D加工球冠栅网的装置，特点是：依光路方向设置有：
激光器，输出光束；
第一反射单元，将从激光器输出的光束射入光束整形单元；
光束整形单元，对光束进行扩束并改变扩束光斑的大小，且对扩束之后激光光束进行过滤；
第二反射单元，将整形后激光光束入射至加工单元；
加工单元，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，包含依光路方向依次布置的振镜和聚焦镜，由聚焦镜聚焦至加工产品上；
摆动旋转运动单元，承载加工产品，并带动加工产品旋转和摆动，使激光在指定位置加工；
X-Y轴运动平台，将A-B轴运动单元安装于X-Y轴运动平台上，驱动摆动旋转运动单元沿X轴、Y轴向运动。
进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的装置，其中，所述激光器的输出光路上布置有光阑。
进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的装置，其中，所述第一反射单元包含依光路方向布置的第一反射镜。
进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的装置，其中，所述光束整形单元为扩束镜。
进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的装置，其中，所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜。
进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的装置，其中，所述振镜和聚焦镜安装于大理石龙门架上。
进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的装置，其中，所述摆动旋转运动单元包含摆动运动机构和旋转运动机构，旋转运动机构安装于摆动运动机构上，由其带动摆动运动，旋转运动机构的旋转轴上安装有用于承载加工产品的载物治具。
本发明一种准3D加工球冠栅网的方法，激光器输出的光经过第一反射单元的反射后进入光束整形单元；
光束进入光束整形单元进行扩束和过滤，整形后的光束由第二反射单元将其入射至加工单元；
光束经过加工单元的振镜和聚焦镜对摆动旋转运动单元上的加工产品进行加工；
加工产品球冠置于摆动旋转运动单元上，摆动旋转运动单元包含摆动运动机构和旋转运动机构，旋转运动机构安装于摆动运动机构上，由其带动摆动运动，旋转运动机构的旋转轴上安装有用于承载加工产品的载物治具。
更进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的方法，调节摆动运动机构的摆臂轴的高度，使摆臂轴的轴心穿过球冠的球心；调节旋转运动机构的旋转轴，使旋转轴的旋转轴心穿过球冠的球心；调节振镜的高度，使激光的焦点位置定在球冠的顶部中心；
保持摆动运动机构的摆臂轴不动，旋转运动机构的旋转轴不动，振镜进行扫描加工，完成顶部一圆形的加工；
保持摆动运动机构的摆臂轴不动，旋转运动机构的旋转轴转动120°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第1层扇形的加工；
摆动运动机构的摆臂轴摆动8°，旋转运动机构的旋转轴转动60°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第2层扇形的加工；
摆动运动机构的摆臂轴摆动10°，旋转运动机构的旋转轴转动15°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第3层扇形的加工；
摆动运动机构的摆臂轴摆动15°，旋转运动机构的旋转轴转动10°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第4层扇形的加工。
更进一步地，上述的一种准3D加工球冠栅网的方法，采用焦距为100mm的聚焦镜，使聚焦光斑大小控制在12μm以内，同时对20mm×20mm扫描范围内的定位精度为±3μm以内；调节激光频率为50KHZ，激光功率为3W，扫描速度为300mm/S，扫描次数为80次。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明由X-Y轴运动平台定位加工产品球冠的中心位置，其定位精度和重复定位精度达到±1μm；由摆动旋转运动单元使加工产品在空间旋转和摆动，使激光在指定位置加工，摆动精度和旋转精度达到0.01°；
②通过调节扩束镜倍率，使激光扩束后垂直入射至振镜入瞳中心；采用焦距为100mm的聚焦镜，使聚焦光斑大小控制在12μm以内，对20mm×20mm扫描范围内的定位精度为±3μm以内；
③本发明激光加工方式不存在耗材损耗，表面不存在重铸层，超短脉冲紫外激光单脉冲能量高，材料吸收率强，加工效率是电火花效率的10倍以上；
④显著改善栅网的加工精细度和品质，同时提高了效率，对不同的栅网结构，只需修改CAD图形即可实现加工。
附图说明
图1：毛坯产品的主视示意图；
图2：加工后的产品的俯视示意图；
图3：本发明装置的激光光路结构示意图；
图4：摆动旋转运动单元的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
待加工产品的毛坯结构，如图1所示；经过激光加工后的产品的结构，如图2所示。
针对产品的球冠栅网加工，提供一种准3D加工球冠栅网的激光加工装置，如图3所示，依光路方向设置有：
激光器1，输出光束；激光器1的输出光路上布置有光阑2；
第一反射单元，包含依光路方向布置的第一反射镜3，将从激光器1输出的光束射入光束整形单元4；
光束整形单元4，为扩束镜，对光束进行扩束并改变扩束光斑的大小，且对扩束之后激光光束进行过滤；
第二反射单元，包含依光路方向依次布置的第二反射镜5、第三反射镜6和第四反射镜7，将整形后激光光束入射至加工单元；
加工单元，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，包含依光路方向依次布置的振镜8和聚焦镜9，振镜8和聚焦镜9安装于大理石龙门架12上，由聚焦镜9聚焦至加工产品上；
摆动旋转运动单元10，承载加工产品，并带动加工产品旋转和摆动，使激光在指定位置加工；如图4所示，摆动旋转运动单元10包含摆动运动机构101和旋转运动机构102，旋转运动机构102安装于摆动运动机构101上，由其带动摆动运动，旋转运动机构102的旋转轴上安装有用于承载加工产品的载物治具；
X-Y轴运动平台11，将A-B轴运动单元10安装于X-Y轴运动平台11上，驱动摆动旋转运动单元10沿X轴、Y轴向运动。
其中，大理石龙门架12的作用是稳定系统光路，使加工时的机械振动降到最低。
光阑2的作用是遮挡激光器可能的漏光，起到安全保护的作用。
反射镜的作用是折转光路，使用发射率大于99.6％的高反紫外镜片，使激光进入振镜扫描聚焦系统内。
扩束镜4的作用是准直和扩大束腰，使聚焦光斑更小。
采用高精度数字式的振镜，实现精度图形扫描，扫描定位度小于±2μm。
X-Y轴运动平台11的作用是定位球冠的中心位置，其定位精度达到±1μm，重复定位精度达到±1μm。
摆动旋转运动单元10的作用是使加工产品在空间旋转和摆动，使激光在指定位置加工，其中调节摆动运动机构101的摆臂轴的摆动精度达到0.01°，旋转运动机构102的旋转轴的旋转精度达到0.01°。
具体应用时，激光器1输出的光经过第一反射单元的反射后进入光束整形单元4；
光束进入光束整形单元4进行扩束和过滤，整形后的光束由第二反射单元将其入射至加工单元；
光束经过加工单元的振镜8和聚焦镜9对摆动旋转运动单元10上的加工产品进行加工；
加工产品球冠置于摆动旋转运动单元10上，摆动旋转运动单元10包含摆动运动机构101和旋转运动机构102，旋转运动机构102安装于摆动运动机构101上，由其带动摆动运动，旋转运动机构102的旋转轴上安装有用于承载加工产品的载物治具；
调节摆动运动机构101的摆臂轴的高度，使摆臂轴的轴心穿过球冠的球心；调节旋转运动机构102的旋转轴，使旋转轴的旋转轴心穿过球冠的球心；调节振镜8的高度，使激光的焦点位置定在球冠的顶部中心；
保持摆动运动机构101的摆臂轴不动，旋转运动机构102的旋转轴不动，振镜进行扫描加工，完成顶部一圆形的加工；
保持摆动运动机构101的摆臂轴不动，旋转运动机构102的旋转轴转动120°，振镜进行扫描加工，循环这一过程4次，完成第1层4个扇形的加工；
摆动运动机构101的摆臂轴摆动8°，旋转运动机构102的旋转轴转动60°，振镜进行扫描加工，循环这一过程6次，完成第2层6个扇形的加工；
摆动运动机构101的摆臂轴摆动10°，旋转运动机构(102)的旋转轴转动15°，振镜进行扫描加工，循环这一过程24次，完成第3层24个扇形的加工；
摆动运动机构101的摆臂轴摆动15°，旋转运动机构102的旋转轴转动10°，振镜进行扫描加工，循环这一过程36次，完成第4层36个扇形的加工。
调节扩束镜倍率至5倍，使激光扩束后垂直入射至振镜入瞳中心。采用焦距为100mm的聚焦镜，使聚焦光斑大小控制在12μm以内，同时对20mm×20mm扫描范围内的定位精度为±3μm以内。调节激光频率为50KHZ，激光功率为3W，扫描速度为300mm/S，扫描次数为80次。
综上所述，本发明的激光加工方式不存在耗材损耗，表面不存在重铸层，超短脉冲紫外激光单脉冲能量高，材料吸收率强，加工效率是电火花效率的10倍以上；不仅显著改善栅网的加工精细度和品质，还同时提高了加工效率，对不同的栅网结构，只需修改CAD图形即可实现加工，值得在业内广泛推广应用。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims (7)

1.一种准3D加工球冠栅网的方法，其特征在于：利用准3D加工球冠栅网的装置，依光路方向设置有：激光器（1），输出光束；第一反射单元，将从激光器（1）输出的光束射入光束整形单元（4）；光束整形单元（4），对光束进行扩束并改变扩束光斑的大小，且对扩束之后激光光束进行过滤；第二反射单元，将整形后激光光束入射至加工单元；加工单元，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，包含依光路方向依次布置的振镜（8）和聚焦镜（9），由聚焦镜（9）聚焦至加工产品上；摆动旋转运动单元（10），承载加工产品，并带动加工产品旋转和摆动，使激光在指定位置加工；X-Y轴运动平台（11），将A-B轴运动单元安装于X-Y轴运动平台（11）上，驱动摆动旋转运动单元（10）沿X轴、Y轴向运动；
激光器（1）输出的光经过第一反射单元的反射后进入光束整形单元（4）；光束进入光束整形单元（4）进行扩束和过滤，整形后的光束由第二反射单元将其入射至加工单元；光束经过加工单元的振镜（8）和聚焦镜（9）对摆动旋转运动单元（10）上的加工产品进行加工；加工产品球冠置于摆动旋转运动单元（10）上，摆动旋转运动单元（10）包含摆动运动机构（101）和旋转运动机构（102），旋转运动机构（102）安装于摆动运动机构（101）上，由其带动摆动运动，旋转运动机构（102）的旋转轴上安装有用于承载加工产品的载物治具；
调节摆动运动机构（101）的摆臂轴的高度，使摆臂轴的轴心穿过球冠的球心；调节旋转运动机构（102）的旋转轴，使旋转轴的旋转轴心穿过球冠的球心；调节振镜（8）的高度，使激光的焦点位置定在球冠的顶部中心；
保持摆动运动机构（101）的摆臂轴不动，旋转运动机构（102）的旋转轴不动，振镜进行扫描加工，完成顶部一圆形的加工；
保持摆动运动机构（101）的摆臂轴不动，旋转运动机构（102）的旋转轴转动120°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第1层扇形的加工；
摆动运动机构（101）的摆臂轴摆动8°，旋转运动机构（102）的旋转轴转动60°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第2层扇形的加工；
摆动运动机构（101）的摆臂轴摆动10°，旋转运动机构（102）的旋转轴转动15°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第3层扇形的加工；
摆动运动机构（101）的摆臂轴摆动15°，旋转运动机构（102）的旋转轴转动10°，振镜进行扫描加工，循环这一过程，完成第4层扇形的加工。
2.根据权利要求1所述的一种准3D加工球冠栅网的方法，其特征在于：采用焦距为100mm的聚焦镜，使聚焦光斑大小控制在12μm以内，同时对20mm×20mm扫描范围内的定位精度为±3μm以内；调节激光频率为50KHZ，激光功率为3W，扫描速度为300mm/S ，扫描次数为80次。
3.根据权利要求1所述的一种准3D加工球冠栅网的方法，其特征在于：所述激光器（1）的输出光路上布置有光阑（2）。
4.根据权利要求1所述的一种准3D加工球冠栅网的方法，其特征在于：所述第一反射单元包含依光路方向布置的第一反射镜（3）。
5.根据权利要求1所述的一种准3D加工球冠栅网的方法，其特征在于：所述光束整形单元（4）为扩束镜。
6.根据权利要求1所述的一种准3D加工球冠栅网的方法，其特征在于：所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第二反射镜（5）、第三反射镜（6）和第四反射镜（7）。
7.根据权利要求1所述的一种准3D加工球冠栅网的方法，其特征在于：所述振镜（8）和聚焦镜（9）安装于大理石龙门架（12）上。
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