CN108817674B - 一种双光束五轴数控激光抛光方法 - Google Patents

一种双光束五轴数控激光抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双光束五轴数控激光抛光方法，包含以下步骤：A、首先在激光抛光设备上安装两个能进行三个数控移动轴
Figure DDA0001707681190000011
的三维振镜系统，构成双光束的三维振镜系统，光纤红外连续激光通过第一个三维振镜系统，将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上，多波段脉冲激光通过第二个三维振镜系统，也将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上，本发明的有益效果是：1.可应用于塑料注塑模具型腔和吹塑模具型腔的激光抛光；2.可对手机3D玻璃外壳进行激光抛光；3.可对光学玻璃进行精密激光抛光。4.可对增材制造(3D打印)加工的零件三维曲面进行抛光；5.可对其他产品零件的三维异形曲面进行激光抛光。

Description

一种双光束五轴数控激光抛光方法
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体是一种双光束五轴数控激光抛光方法。
背景技术
现代制造业需要对金属和非金属(玻璃、陶瓷和石英等)等产品零部件表面进行抛光，有些甚至要求抛光达到最高等级的镜面程度，如工艺品、艺术品、装饰品和塑料模具型腔等表面；通过SLM等技术3D打印的金属零件，其表面都相当粗糙，往往也需要后续抛光。而这项抛光工作目前大多数还严重依赖手工作业，抛光精度差、效率低、抛光质量缺乏一致性和稳定性。更严重的是，手工抛光工作，极其单调枯燥，随着制造工艺自动化集成度越来越高的发展趋势，愿意从事这种手工作业的工人已越来越少，许多制造企业正面临抛光技师流失，后续乏人的困境。这种现象，在模具制造的抛光工序。尤其突出。激光抛光技术是提高传统抛光工艺效率的有效途径之一，但目前的应用，也仅局限于零件平面的抛光，三维曲面或异形曲面的技术抛光技术，目前还处于技术攻关阶段。
激光抛光为非接触加工过程，可控性强，与计算机连接可以实现加工过程的自动化。而且可以精确地控制熔深，限制被加工材料的温度以及为将要加工的区域提供高度的选择性(能对选定的小区域进行局部抛光，也可以利用多脉冲扫描，对选定区域内进行大面积抛光)。在激光抛光过程中，材料要么被熔化，要么被蒸发，所以最后加工表面不留任何抛光渣滓，清洁，无污染，是一种环保性加工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双光束五轴数控激光抛光方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双光束五轴数控激光抛光方法，包含以下步骤：
A、首先在激光抛光设备上安装两个能进行三个数控移动轴
Figure BDA0001707681170000011
的三维振镜系统，构成双光束的三维振镜系统，光纤红外连续激光通过第一个三维振镜系统，将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上，多波段脉冲激光通过第二个三维振镜系统，也将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上；
B、在激光抛光设备上安装二轴的数控回转工作台，数控二回转轴分别是
Figure BDA0001707681170000021
或
Figure BDA0001707681170000022
或
Figure BDA0001707681170000023
C、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑和通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑，产生了重叠，当重叠度Δ值＝0时，两光斑完全重叠；当重叠度Δ值>(D+d)/2时，两光斑已完全分离，D为第一个三维振镜系统的连续激光光斑直径，d为第二个三维振镜系统的连续激光光斑；
D、三维振镜系统控制光斑的X、Y、Z的3个轴向的移动运动，二轴数控回转台则控制被抛光零件的两个轴的转动，形成五轴数控激光抛光系统，通过五轴数控系统软件，控制五轴的联动，达到激光光斑在任意三维曲面进行加工的目的；
E、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑首先扫描加工被抛光工件，在延时0.1-1.0秒后，通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑才开始扫描被抛光工件，其滞后的时间，决定了两光斑的重叠度Δ值；
F、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑，因功率密度较大，主要发挥预热被抛光零件表面的作用；而通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑，则发挥脉冲能量的作用，把被抛光零件表面的微观波峰熔化，使之流向表面波谷，形成微观表面“熔峰填谷”的效果，也就达到了表面抛光的目的；
G、抛光时，工件被固定在数控回转工作台面上，工件被充满惰性气体的安装盒笼罩，以防止金属工件在抛光过程中被氧化，安装盒上盖则为石英玻璃，以便激光穿透加工工件。为了实现微观表面“熔峰填谷”的效果，必须针对不同的加工材料特征，对激光抛光的工艺参数进行优化。
作为本发明的进一步技术方案：所述光纤红外连续激光的功率为300-1000W。
作为本发明的进一步技术方案：所述多波段脉冲激光的功率小于50W。
作为本发明的进一步技术方案：通过第二激光振镜的多波段脉冲激光并非同时具备多波段激光特征，而是根据被加工工件的材料特征从光纤红外脉冲激光、绿光脉冲激光和紫外脉冲激光中选其一。
作为本发明的进一步技术方案：激光抛光的工艺参数包括连续激光功率、脉冲激光波长、脉冲激光功率、脉冲重复频率、脉冲宽度、激光光斑扫描速度、光斑直径、两光斑重叠度Δ、离焦量、光束入射角和惰性气体种类及密度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.可应用于塑料注塑模具型腔和吹塑模具型腔的激光抛光；2.可对手机3D玻璃外壳进行激光抛光；3.可对光学玻璃进行精密激光抛光。4.可对增材制造(3D打印)加工的零件三维曲面进行抛光；5.可对其他产品零件的三维异形曲面进行激光抛光。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为双光束激光光斑的重叠示意图。
图3为本发明的流程图。
图中：1-抛光三维振镜、2-多波段脉冲激光电源、3-被抛光的工件、4-两轴数控回转工作台、5-预热三维激光振镜、6-连续红外激光电源、7-连续激光光斑、8-脉冲激光光斑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种双光束五轴数控激光抛光方法，
包含以下步骤：
A、首先在激光抛光设备上安装两个能进行三个数控移动轴
Figure BDA0001707681170000041
的三维振镜系统，构成双光束的三维振镜系统。光纤红外连续激光(功率为300-1000W)通过第一个三维振镜系统，将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上。多波段脉冲激光(功率小于50W)通过第二个三维振镜系统，也将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上；
B、通过第二激光振镜的多波段脉冲激光，并非同时具备多波段激光特征，而是根据被加工工件的材料特征，从光纤红外脉冲激光(波长1064nm)、绿光脉冲激光(波长532nm)和紫外脉冲激光(波长355nm)中选其一；
C、在激光抛光设备上安装二轴的数控回转工作台，数控二回转轴分别是，
Figure BDA0001707681170000042
或
Figure BDA0001707681170000043
或
Figure BDA0001707681170000044
数控回转工作台数控二轴是
Figure BDA0001707681170000045
两回转轴；
D、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑和通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑，产生了图2所示的重叠。当Δ＝0时，两光斑完全重叠；当Δ>(D+d)/2时，两光斑已完全分离；
E、三维振镜系统控制光斑的X、Y、Z的3个轴向的移动运动，二轴数控回转台则控制被抛光零件的两个轴的转动，形成五轴数控激光抛光系统。通过五轴数控系统软件，可以控制五轴的联动，达到激光光斑在任意三维曲面进行加工的目的；
F、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑首先扫描加工被抛光工件，在延时0.1-1.0秒后，通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑才开始扫描被抛光工件，其滞后的时间，决定了两光斑的重叠度Δ值；
G、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑，因功率密度较大，主要发挥预热被抛光零件表面的作用；而通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑，则发挥脉冲能量的作用，把被抛光零件表面的微观波峰熔化，使之流向表面波谷，形成微观表面“熔峰填谷”的效果，也就达到了表面抛光的目的；
H、抛光时，工件被固定在数控回转工作台面上，工件被充满惰性气体的安装盒笼罩，以防止金属工件在抛光过程中被氧化。安装盒上盖则为石英玻璃，以便激光穿透加工工件。为了实现微观表面“熔峰填谷”的效果，必须针对不同的加工材料特征，对激光抛光的工艺参数进行优化。激光抛光的工艺参数主要包括连续激光功率、脉冲激光波长、脉冲激光功率、脉冲重复频率、脉冲宽度、激光光斑扫描速度、光斑直径、两光斑重叠度Δ、离焦量、光束入射角、惰性气体种类及密度等10多种工艺参数。可以通过DOE试验设计方法达到工艺参数优化的目的。双光束五轴数控激光抛光的工艺流程如图1所示。
本发明的核心思想在于创建高效高质的激光抛光技术、工艺和设备。为了使本发明的目的、技术方案特性更加清晰明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明实施例中，被抛光工件的表面。可以是三维曲面或其他异型曲面，也可以是平面。被抛光工件的材料，可以是各种金属和合金材料，也可以是非金属，诸如玻璃、陶瓷和石英等材料。
使用双光束系统中的单一三维振镜系统，也能达到一定程度的抛光效果，但获得高质量抛光效果的能力受到限制。
使用双光束系统中的单一三维振镜系统，在降低激光功率的前提下，也能进行常规的三维曲面打标、蚀刻和雕刻的功能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种双光束五轴数控激光抛光方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、首先在激光抛光设备上安装两个能进行三个数控移动轴
Figure FDA0001707681160000011
的三维振镜系统，构成双光束的三维振镜系统，光纤红外连续激光通过第一个三维振镜系统，将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上，多波段脉冲激光通过第二个三维振镜系统，也将聚焦后的光斑作用在被抛光工件的三维曲面上；
B、在激光抛光设备上安装二轴的数控回转工作台，数控二回转轴分别是
Figure FDA0001707681160000012
或
Figure FDA0001707681160000013
或
Figure FDA0001707681160000014
C、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑和通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑，产生了重叠，当重叠度Δ值＝0时，两光斑完全重叠；当重叠度Δ值>(D+d)/2时，两光斑已完全分离，D为第一个三维振镜系统的连续激光光斑直径，d为第二个三维振镜系统的连续激光光斑；
D、三维振镜系统控制光斑的X、Y、Z的3个轴向的移动运动，二轴的 数控回转工作 台则控制被抛光零件的两个轴的转动，形成五轴数控激光抛光系统，通过五轴数控系统软件，控制五轴的联动，达到激光光斑在任意三维曲面进行加工的目的；
E、通过第一个三维振镜系统的连续激光光斑首先扫描加工被抛光工件，在延时0.1-1.0秒后，通过第二个三维振镜系统的脉冲激光光斑才开始扫描被抛光工件，其滞后的时间，决定了两光斑的重叠度Δ值；
F、抛光时，工件被固定在数控回转工作台面上，工件被充满惰性气体的安装盒笼罩，以防止金属工件在抛光过程中被氧化，安装盒上盖则为石英玻璃，以便激光穿透加工工件，为了实现微观表面“熔峰填谷”的效果，必须针对不同的加工材料特征，对激光抛光的工艺参数进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种双光束五轴数控激光抛光方法，其特征在于，所述光纤红外连续激光的功率为300-1000W。
3.根据权利要求1所述的一种双光束五轴数控激光抛光方法，其特征在于，所述多波段脉冲激光的功率小于50W。
4.根据权利要求1所述的一种双光束五轴数控激光抛光方法，其特征在于，通过第二激光振镜的多波段脉冲激光并非同时具备多波段激光特征，而是根据被加工工件的材料特征从光纤红外脉冲激光、绿光脉冲激光和紫外脉冲激光中选其一。
5.根据权利要求1所述的一种双光束五轴数控激光抛光方法，其特征在于，激光抛光的工艺参数包括连续激光功率、脉冲激光波长、脉冲激光功率、脉冲重复频率、脉冲宽度、激光光斑扫描速度、光斑直径、两光斑重叠度Δ、离焦量、光束入射角和惰性气体种类及密度。
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