CN108241215A - 激光辅助加工系统及其工件预热装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光辅助加工系统包含加工机具及工件预热装置，该加工机具用以加工工件，该工件预热装置具有激光源及调变镜组，该激光源发射激光光束至该调变镜组，该调变镜组调变该激光光束以聚焦形成激光光斑于该工件，使该工件的待加工区预热软化，其中该调变镜组用以调变该激光光斑的形状及/或方向，使该激光光斑的能量密度在该待加工区呈现均匀分布，以避免该待加工区温差过大而造成加工效率不佳及该工件材质产生变异。
Description
技术领域
本发明关于一种激光辅助加工系统及其工件预热装置，特别是一种借由调变光斑形状及/或方向使激光能量呈现均匀分布的激光辅助加工系统及其工件预热装置。
背景技术
请参阅中国台湾发明专利I508810「激光辅助加工装置」，其直接以激光对工件进行切削前的预热软化，然而能量呈高斯分布的该激光会使得该工件产生即热即冷的温度场分布，因此该工件容易因过大的温差导致材质产生变异，而影响该工件的加工效率及品质。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种激光辅助加工系统，利用调变镜组调变激光光束的激光光斑形状及/或方向，使该激光光斑的能量密度均匀分布于工件以进行预热，因此可提高加工效率及避免该工件的材质因温差过大而产生变异。
本发明的一种激光辅助加工系统，其包含加工机具及工件预热装置，该加工机具具有刀具，该刀具用以在工件的待加工区进行加工，该工件预设装置具有激光源及调变镜组，该激光源用以发射激光光束至该调变镜组，该激光光束通过该调变镜组，该调变镜组调变该激光光束以聚焦形成激光光斑于该工件的该待加工区，其中该调变镜组用以调变该激光光斑的形状及/或方向。
前述的激光辅助加工系统，其中该调变镜组具有第一透镜，该激光光束通过该第一透镜，该第一透镜用以调变该激光光斑于第一方向的直径。
前述的激光辅助加工系统，其中该调变镜组另具有第二透镜，该第一透镜位于该激光源及该第二透镜之间，该激光光束依序通过该第一透镜及该第二透镜，该第二透镜用以调变该激光光斑于第二方向的直径。
前述的激光辅助加工系统，其中该第一透镜的短边与该第二透镜的短边互呈一个角度设置。
前述的激光辅助加工系统，其中该第一透镜为平凸透镜或平凹透镜。
前述的激光辅助加工系统，其中该第二透镜为平凸透镜或平凹透镜。
本发明的一种工件预热装置，其包含激光源及调变镜组，该激光源用以发射激光光束，该调变镜组设置于该激光光束的光路上，该激光光束通过该调变镜组，该调变镜组用以调变该激光光束以聚焦形成激光光斑于工件，其中该调变镜组用以调变该激光光斑的形状及/或方向。
前述的工件预热装置，其中该调变镜组具有第一透镜，该激光光束通过该第一透镜，该第一透镜用以调变该激光光斑于第一方向的直径。
前述的工件预热装置，其中该调变镜组另具有第二透镜，该第一透镜位于该激光源及该第二透镜之间，该激光光束依序通过该第一透镜及该第二透镜，该第二透镜用以调变该激光光斑于第二方向的直径。
前述的工件预热装置，其中该第一透镜的短边与该第二透镜的短边互呈一个角度设置。
前述的工件预热装置，其中该第一透镜为平凸透镜或平凹透镜。
前述的工件预热装置，其中该第二透镜为平凸透镜或平凹透镜。
本发明借由该激光光束预热软化该工件的该待加工区，以提高该加工机具的加工效率，并借由该调变镜组使该激光光斑的能量呈现均匀分布，因此可有效控制该激光光斑于该工件上所造成的温度场分布，以形成稳定均匀的温度场，可避免该待加工区的温度与该刀具加工该工件时的温度差异过大，而造成该工件的材质产生变异，进而影响该工件的机械性质，且该调变镜组可针对不同的该工件材质、切削形状及切削路径，选择性地调变该激光光斑的形状大小及/或方向，因此该工件预热装置不受限于该工件的几何外形，可大幅降低设备建置成本。
附图说明
图1：依据本发明的一个实施例，一种激光辅助加工系统的局部剖视图。
图2a至图2d：依据本发明的一个实施例，一种工件预热装置的示意图。
图3a至图3d：依据本发明的一个实施例，一种工件预热装置的示意图。
【主要元件符号说明】
100：激光辅助加工系统 110：加工机具
111：刀具 112：本体
113：中空轴体 113a：通道
114：分光镜组 114a：分光镜
114b：第一反射镜 114c：第二反射镜
114d：第三反射镜 120：工件预热装置
121：激光源 122：调变镜组
122a：第一透镜 122b：第二透镜
200：工件 210：待加工区
F：短边 L：激光光束
L1：第一激光次光束 L2：第二激光次光束
S：激光光形 S’：激光光斑
具体实施方式
请参阅图1，本发明的一种激光辅助加工系统100包含加工机具110及工件预热装置120，该加工机具110具有刀具111，该刀具111用以在工件200的待加工区210进行加工(如车削或铣削加工)，该工件预热装置120具有激光源121及调变镜组122，该激光源121用以发射激光光束L至该调变镜组122，该激光光束L通过该调变镜组122(即该调变镜组122设置于该激光光束L的光路上)，该调变镜组122用以调变该激光光束L的激光光形S，以聚焦形成激光光斑S’于该工件200的该待加工区210(请参阅图2a至图2d及图3a至图3d)，该激光光斑S’用以预热软化该待加工区210，较佳地，沿着该刀具111的切削方向，该激光光斑S’聚焦于该刀具111前方。
请参阅图1，该调变镜组122用以调变该激光光斑S’的形状及/或方向，使该激光光斑S’能量密度由高斯分布转换成均匀分布，而在该待加工区210形成稳定均匀的温度场，避免该待加工区210的温度与该刀具111加工该工件200时的温度差异过大而影响加工效率及该工件200的机械性质。
请参阅图1，较佳地，该加工机具110另具有本体112、中空轴体113及分光镜组114，该工件预热装置120设置于该本体112，该中空轴体113设置于该本体112及该刀具111之间，该刀具111固定于该中空轴体113，该加工机具110借由驱动件(图未绘出)驱动该中空轴体113旋转，该中空轴体113带动该刀具111同步旋转以切削该待加工区210，该中空轴体113具有通道113a，该分光镜组114设置于该通道113a内，当经调变的该激光光束L通过该通道113a并进入该分光镜组114后，该分光镜组114将该激光光束L分光成第一激光次光束L1及第二激光次光束L2，并使该第一激光次光束L1及该第二激光次光束L2分别射向该待加工区210的相同或不同位置，其中，该第一激光次光束L1及该第二激光次光束L2分别聚焦于该待加工区210相同或不同位置的同一平面上，以均匀地预热软化该待加工区210。
请参阅图1，该分光镜组114具有分光镜114a、第一反射镜114b、第二反射镜114c及第三反射镜114d，该分光镜114a及该第二反射镜114c位于该激光光束L的光路上，该第一反射镜114b及该第三反射镜114d分别设置于该分光镜114a的两侧，该分光镜114a用以将调变后的该激光光束L分光成该第一激光次光束L1及该第二激光次光束L2，该第一激光次光束L1由该分光镜114a反射至该第一反射镜114b，再由该第一反射镜114b反射至该待加工区210，该第二激光次光束L2穿射该分光镜114a后射向该第二反射镜114c，该第二激光次光束L2由该第二反射镜114c反射至该第三反射镜114d，再由该第三反射镜114d反射至该待加工区210，较佳地，该第一反射镜114b、该第二反射镜114c及该第三反射镜114d皆为全反射镜。
请参阅图2a至图2d，较佳地，该调变镜组122具有第一透镜122a，该激光光束L通过该第一透镜122a，该第一透镜122a用以改变该激光光束L的该激光光形S，以调变该激光光斑S’于第一方向的直径，较佳地，该第一透镜122a为柱形平凸透镜或柱形平凹透镜，可压缩或延展该激光光斑S’于该第一方向的直径，以调变该激光光斑S’的形状及/或方向，较佳地，该第一透镜122a的平面部与该激光光束L的光路正交。
请参阅图2a，当该第一透镜122a为柱形平凸透镜，且该第一透镜122a的短边F位于x轴方向时(即垂直于图面的方向)，该第一透镜122a会压缩该激光光斑S’于x轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为x轴方向。
请参阅图2b，当该第一透镜122a为柱形平凸透镜，且该第一透镜122a的该短边F位于y轴方向时(即平行于图面的方向)，该第一透镜122a会压缩该激光光斑S’于y轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为y轴方向。
请参阅图2c，当该第一透镜122a为柱形平凹透镜，且该第一透镜122a的该短边F位于x轴方向时(即垂直于图面的方向)，该第一透镜122a会延展该激光光斑S’于x轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为x轴方向。
请参阅图2d，当该第一透镜122a为柱形平凹透镜，且该第一透镜122a的该短边F位于y轴方向时(即平行于图面的方向)，该第一透镜122a会延展该激光光斑S’于y轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为y轴方向。
在图2a至图2d所揭示的实施例中，该第一透镜122a的该短边F可选择沿x轴或沿y轴方向设置，唯本发明并不以此为限。本发明的该调变镜组122可针对不同的切削形状及切削路径选择不同的该第一透镜122a，并可调整该第一透镜122a的设置方向，以选择性地调变该激光光斑S’的形状及/或方向，使该待加工区210形成稳定温度场。
请参阅图3a至图3d，较佳地，该调变镜组122另具有第二透镜122b，该第一透镜122a位于该激光源121及该第二透镜122b之间，该激光光束L依序通过该第一透镜122a及该第二透镜122b，该第二透镜122b用以改变该激光光束L的该激光光形S，以调变该激光光斑S’于第二方向的直径，该第二方向与该第一方向实质上垂直，其中，该第二透镜122b为柱形平凸透镜或柱形平凹透镜，可压缩或延展该激光光斑S’于该第二方向的直径，较佳地，该第二透镜122b的平面部与该激光光束L的光路正交，该第一透镜122a及该第二透镜122b可共同调变该激光光斑S’的形状及/或方向。
请参阅图3a，当该第一透镜122a及该第二透镜122b皆为柱形平凸透镜，且该第一透镜122a及该第二透镜122b的该短边F分别位于x轴及y轴方向时(即分别位于垂直图面与平行图面的方向)，该第一透镜122a及该第二透镜122b会分别压缩该激光光斑S’于x轴及y轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为x轴方向(即垂直于图面的方向)，该第二方向为y轴方向(即平行于图面的方向)。
请参阅图3b，当该第一透镜122a及该第二透镜122b分别为柱形平凸透镜及柱形平凹透镜，且该第一透镜122a及该第二透镜122b的该短边F分别位于x轴及y轴方向时(即分别位于垂直图面与平行图面的方向)，该第一透镜122a会压缩该激光光斑S’于x轴方向的直径，且该第二透镜122b会延展该激光光斑S’于y轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为x轴方向(即垂直于图面的方向)，该第二方向为y轴方向(即平行于图面的方向)。
请参阅图3c，当该第一透镜122a及该第二透镜122b分别为柱形平凸透镜及柱形平凹透镜，且该第一透镜122a及该第二透镜122b的该短边F分别位于y轴及x轴方向时(即分别位于平行图面与垂直图面的方向)，该第一透镜122a会压缩该激光光斑S’位于y轴方向的直径，且该第二透镜122b会延展该激光光斑S’于x轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为y轴方向(即平行于图面的方向)，该第二方向为x轴方向(即垂直于图面的方向)。
请参阅图3d，当该第一透镜122a及该第二透镜122b皆为柱形平凹透镜，且该第一透镜122a及该第二透镜122b的该短边F分别位于x轴及y轴方向时(即分别位于垂直图面与平行图面的方向)，该第一透镜122a及该第二透镜122b会分别延展该激光光斑S’于x轴及y轴方向的直径，在本实施例中，该第一方向为x轴方向(即垂直于图面的方向)，该第二方向为y轴方向(即平行于图面的方向)。
在图3a至图3d所揭示的实施例中，该第一透镜122a及该第二透镜122b的所述短边F可分别选择沿x轴方向或沿y轴方向设置，即该第一透镜122a的该短边F与该第二透镜122b的该短边F互呈90度的一个角度设置，唯本发明并不以此为限，该第一透镜122a及该第二透镜122b的所述短边F亦可呈其他角度设置。本发明的该调变镜组122可针对不同的切削形状及切削路径选择不同的该第一透镜122a及该第二透镜122b，并调整该第一透镜122a及该第二透镜122b的设置方向，以选择性地调变该激光光斑S’的形状及/或方向，使该待加工区210形成稳定温度场。
本发明借由该调变镜组122改变该激光光斑S’的能量密度分布，由高斯分布转变成均匀分布，该激光光斑S’在该待加工区210不会造成大幅度的温度差异，可避免该工件200因即热即冷的大幅度温差导致材质变异而影响其机械性质，因此可有效提升加工效率并达到高精度加工品质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (12)
1.一种激光辅助加工系统，其特征在于其包含：
加工机具，具有刀具，该刀具用以在工件的待加工区进行加工；以及
工件预热装置，具有激光源及调变镜组，该激光源用以发射激光光束至该调变镜组，该激光光束通过该调变镜组，该调变镜组调变该激光光束以聚焦形成激光光斑于该工件的该待加工区，其中该调变镜组用以调变该激光光斑的形状及/或方向。
2.根据权利要求1所述的激光辅助加工系统，其特征在于：其中该调变镜组具有第一透镜，该激光光束通过该第一透镜，该第一透镜用以调变该激光光斑于第一方向的直径。
3.根据权利要求2所述的激光辅助加工系统，其特征在于：其中该调变镜组另具有第二透镜，该第一透镜位于该激光源及该第二透镜之间，该激光光束依序通过该第一透镜及该第二透镜，该第二透镜用以调变该激光光斑于第二方向的直径。
4.根据权利要求3所述的激光辅助加工系统，其特征在于：其中该第一透镜的短边与该第二透镜的短边互呈一个角度设置。
5.根据权利要求2所述的激光辅助加工系统，其特征在于：其中该第一透镜为平凸透镜或平凹透镜。
6.根据权利要求3所述的激光辅助加工系统，其特征在于：其中该第二透镜为平凸透镜或平凹透镜。
7.一种工件预热装置，其特征在于其包含：
激光源，用以发射激光光束；以及
调变镜组，设置于该激光光束的光路上，该激光光束通过该调变镜组，该调变镜组用以调变该激光光束以聚焦形成激光光斑于工件，其中该调变镜组用以调变该激光光斑的形状及/或方向。
8.根据权利要求7所述的工件预热装置，其特征在于：其中该调变镜组具有第一透镜，该激光光束通过该第一透镜，该第一透镜用以调变该激光光斑于第一方向的直径。
9.根据权利要求8所述的工件预热装置，其特征在于：其中该调变镜组另具有第二透镜，该第一透镜位于该激光源及该第二透镜之间，该激光光束依序通过该第一透镜及该第二透镜，该第二透镜用以调变该激光光斑于第二方向的直径。
10.根据权利要求9所述的工件预热装置，其特征在于：其中该第一透镜的短边与该第二透镜的短边互呈一个角度设置。
11.根据权利要求8所述的工件预热装置，其特征在于：其中该第一透镜为平凸透镜或平凹透镜。
12.根据权利要求9所述的工件预热装置，其特征在于：其中该第二透镜为平凸透镜或平凹透镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180703 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |