CN108818983A

CN108818983A - 光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法

Info

Publication number: CN108818983A
Application number: CN201810602374.9A
Authority: CN
Inventors: 许剑锋; 陈肖; 柯金洋
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-11-16

Abstract

本发明属于工件加工相关技术领域，其公开了光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法，所述微激光辅助加工系统包括激光发生器、壳体及加工刀具，所述激光发生器设置于所述壳体的一端，所述加工刀具连接于所述壳体的另一端所述加工刀具包括相连接的前刀面及后刀面，所述前刀面及所述后刀面之间的过渡部分形成有切削刃；所述激光发生器用于发射激光束，所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件。本发明结合了激光及单点车削工艺，降低了成本，提高了效率，延长了刀具使用寿命。

Description

光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法

技术领域

本发明属于工件加工相关技术领域，更具体地，涉及一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法。

背景技术

近年来，非常流行用微激光辅助加工的方法加工传统方法难以加工的材料，相关的研究也越来越多。这些方法主要是通过向工件施加热量以引起工件材料的软化并促进工件的加工，且只有工件材料的待加工部分受到热量的作用，才不会对工件的剩余部分造成损伤。现有的微激光辅助加工方法大都要求将激光器和加工刀具分开放置，即在刀具与待加工区域接触之前用激光辐射加热和软化工件，这使得微激光辅助设备非常复杂，需要的激光器的功率大能耗大，价格昂贵且体积较大，不便于系统化的集成。

如专利US4229640公开了一种通过使用切削刃和与之相邻的前刀面的切削工具加工工件的方法，加工刀具的前刀面从工件材料中提起切屑，其中将要被去除的工件材料的局部区域通过激光器加热，激光器和加工刀具布置在工件的被加热区域与加工刀具相邻的两个不同局部区域。该方法和装置需要大量的能量，因为需要至少大于材料的玻璃化转变温度或者高于多晶材料的热软化点的温度下才能实现材料的宏观变形，所以需要大功率 (kW)的激光源。又如专利CN103567464A公开了激光加热辅助微车削装置及方法，所述激光加热辅助微车削装置包括旋转滑台、平动滑台、激光器和卡具，平动滑台固定在Y向滑台上，旋转滑台固定在平动滑台上，激光器通过卡具固定于旋转滑台上，激光器枪头轴线与机床刀具的刀尖所在铅直面共面，该方法将激光器与微车削装置结合，通过激光器的光线作用于微型刀尖前端，实现激光对待加工工件进行局部预热。一方面，该系统由于是特制的微车削装置，无法使之与现有的数控机床进行有效集成，适用范围较窄，且可加工的零件尺寸较小，待加工工件直径的取值范围为 0.1mm～10mm；另一方面，激光器发出的光线作用在刀尖前端距刀尖一个光斑半径处的车削路径上，未能将激光和刀具进行有效耦合，能量利用效率不高。

为了满足特定的几何形状、精度、表面完整性等要求，制造加工金属及其合金、陶瓷、玻璃、半导体和复合材料的需求日益凸显，一方面，金属及其合金材料由于其高断裂韧性，低硬度，无定向性，低孔隙率，高断裂应变和高冲击能量而更容易加工；另一方面，非金属，如陶瓷、半导体和光学晶体等材料的加工更具挑战性。例如，单晶硅具有坚硬、坚固、化学惰性和重量轻等特性，更重要的是其具有良好的光学性能，宽能带隙和较高的最大电流密度，这种性能的组合使其成为光学和光电行业的理想材料。由于单晶硅的高硬度、脆性特性和较差的机械加工性，加工硅而不引起表面和次表面损伤是非常难的，硅的加工主要受较高的加工成本和较低的产品可靠性限制，其中成本高主要是由于刀具昂贵，刀具磨损快，加工时间长，生产效率低及难以加工较高表面粗糙度和表面形貌造成的。相应地，本领域存在着发展一种经济高效的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法，其基于现有硬脆性材料的加工特点，研究及设计了一种经济高效的适用于脆硬性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法。所述微激光辅助加工系统的激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，如此增加了工件材料去除率的同时减小了加工过程中的切削力，结合了激光和单点车削工艺，结构简单，成本较低，延长了刀具使用寿命。此外，通过旋转所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮中的一个或者多个来控制所述激光束在所述加工刀具上的入射位置，使得激光束聚焦到切削刃或者偏向后刀面，以促进材料的塑性变形及热软化作用，提高材料去除率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，所述微激光辅助加工系统包括激光发生器、壳体及加工刀具，所述激光发生器设置于所述壳体的一端，所述加工刀具连接于所述壳体的另一端所述加工刀具包括相连接的前刀面及后刀面，所述前刀面及所述后刀面之间的过渡部分形成有切削刃；

所述激光发生器用于发射激光束，所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，实现了工件软化与加工的同时进行。

进一步地，所述加工刀具包括激光束入射面，所述激光束入射面与所述切削刃分别位于所述加工刀具相背的两端；所述激光束自所述激光束入射面入射到所述加工刀具，且所述激光入射面上还设置有增透膜。

进一步地，所述加工刀具包括连接于所述前刀面远离所述后刀面的一端的上表面，所述前刀面与所述上表面之间形成的夹角为前角，所述前角为大于90°且小于135°的大值负前角；或者为大于136°且小于165°的中度负前角；或者为大于166°且小于179°的小值负前角；或者为等于180°的零度前角；或者为大于181°且小于210°的正前角。

进一步地，所述激光束折射到所述切削刃的入射角大于5°。

进一步地，所述激光束折射到所述切削刃的入射角为7°。

进一步地，所述入射角为32°，所述加工刀具的后角为5°。

进一步地，所述微激光辅助加工系统还包括准直透镜、聚焦透镜、聚焦旋钮、刀具高度调节机构及旋转机构，所述准直透镜收容于所述壳体内，其通过光纤连接于所述激光发生器；所述聚焦透镜收容于所述壳体内，其位于所述加工刀具与所述准直透镜之间；所述聚焦旋钮连接于所述聚焦透镜，通过旋转所述聚焦旋钮来移动所述聚焦透镜，以调节光路焦点的位置；所述刀具高度调节机构连接于所述壳体，其用于调节所述加工刀具相对于所述工件及光路中心的位置；所述旋转机构连接于所述壳体，其用于带动所述切削刃以任意的角度旋转。

进一步地，所述微激光辅助加工系统还包括光束定位台，所述光束定位台连接于所述聚焦透镜，其用于将所述激光束定位到所述切削刃；所述微激光辅助加工系统还包括收容于所述壳体内的X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮及Z轴调节旋钮，所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮分别与所述准直透镜及多个所述聚焦透镜相连接，通过旋转所述X 轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮中的一个或者多个来控制所述激光束在所述加工刀具上的入射位置。

按照本发明的另一个方面，提供了一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

判断待加工的工件材料的抗拉强度与抗压强度的大小，并根据判断结果来选择所述加工刀具的前角的角度值，以对待加工工件进行加工。

进一步地，当工件材料的抗压强度大于抗拉强度时，选用的加工刀具的前刀面与上表面之间形成的前角的角度值为90°～165°；当工件材料的抗拉强度大于抗压强度时，选用的加工刀具的前刀面与上表面之间形成的前角的角度值为180°～210°。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于硬磁性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法主要具有以下有益效果：

1.所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，如此增加了工件材料去除率的同时减小了加工过程中的切削力，结合了激光和单点车削工艺，结构简单，成本较低，延长了刀具使用寿命。

2.通过旋转所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮中的一个或者多个来控制所述激光束在所述加工刀具上的入射位置，使得激光束聚焦到切削刃或者偏向后刀面，以促进材料的塑性变形及热软化作用，提高材料去除率及能量转化效率。

3.限定所述激光束折射到所述切削刃的入射角的大小，保证了激光束能够准确地折射到切削刃，提高了利用效率，灵活性较高。

4.所述光束定位台连接于所述聚焦透镜，其用于将所述激光束定位到所述切削刃；所述旋转机构连接于所述壳体，其用于带动所述切削刃以任意的角度旋，使得切削刃在整个弧长范围内均匀磨损，提高了刀具使用寿命。

5.所述聚焦透镜在减小光斑尺寸的同时将激光束聚焦到焦平面；通过旋转所述聚焦旋钮来移动所述聚焦透镜，进而可选择性地调节激光束直径和焦平面的位置，提高了灵活性。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的结构示意图。

图2是图1中的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的加工刀具的平面示意图。

图3A是图1中的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统涉及的激光束的示意图。

图3B是图3A中的激光束的横截面示意图。

图4是图2中的加工刀具的沿一个角度的侧视图。

图5是图2中的加工刀具中传输的激光束同时接触工件时的示意图。

图6A、图6B、图6C、图6D及图6E分别是图2中的加工刀具采用不同的前角加工工件时的示意图。

图7是图2中的加工刀具的俯视图。

图8是本发明第一实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的示意图。

图9是本发明第二实施方式提供的适用于硬脆性材料的微激光辅助加工的系统的示意图。

图10A、10B、10C分别是图9中的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统调节后的透过加工刀具切削刃的激光束的示意图。

图11是本发明第三实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的示意图。

图12是本发明第四实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的示意图。

图13是本发明第五实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的示意图。

图14是本发明第六实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的示意图。

图15是本发明第七实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的示意图。

图16是本发明第八实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10/10d/10f/10h/10i-加工刀具，12-激光束入射面，121-第一端，122-第二端， 14-前刀面，141-第三端，142-第四端，16-后刀面，161-第五端，162-第六端，18-上表面，181-第七端，182-第八端，20-下表面，201-第九端，202- 第十端，22-切削刃，上侧28，30-下侧，24-激光束入口端，26-激光束出口端，32-增透膜，137-切削液，104-激光发生器，W-工件，W_T-拉伸区域， W_C-压缩区域，100/100d/100f/100g/100h/100i-微激光辅助加工系统，101-子壳体，102-壳体，102U-上端，102D-下端，106-光纤，1061-第一光纤，1062- 第二光纤，106U-第一连接端，106D-第二连接端，108-准直透镜，110-聚焦透镜，111-空间调节机构，112-聚焦旋钮，L-激光束，114-光束定位台，116- 刀具高度调节机构，118-旋转机构，124-X轴调节旋钮，126-Y轴调节旋钮， 128-Z轴调节旋钮，130-可见光束成像照相机，132-计算机工作站，134-功率计，136-光束分析仪，137-切削液，139-软管，142-喷嘴，143-执行器， 146-光学分束器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100，所述微激光辅助加工系统100包括有激光发生器及微激光加工刀具，其可以加工陶瓷、半导体、光学晶体、玻璃、金属合金、塑料、复合材料等材料的工件，且增加了切深，减小了切削力，提高了材料去除率，同时改善了工件表面的光洁度，提高了工件的整体机加工质量性能。加工过程中，加工刀具接触工件之后将来自激光发生器的激光束辐射传输到工件，以破坏工件材料的化学键进而软化工件材料。

所述微激光辅助加工系统100包括激光发生器104、壳体102及加工刀具10，所述激光发生器104位于所述壳体102的外部，其连接于所述壳体 102的一端。所述加工刀具10的连接于所述壳体102的另一端，其能够将来自所述激光发生器104的激光束辐射到工件上，以用于软化工件。所述激光器104用于发生激光束L，其发射的激光束L穿过所述壳体102后进入所述加工刀具10。所述加工刀具10加工工件的同时传输所述激光束L 到所述工件以软化所述工件，结构简单，且提高了集成度。本实施方式中，所述壳体102包括相背的上端102U及下端102D，为了能够夹持所述加工刀具10，所述下端102D可以设计成开口类结构，其便于连接所述加工刀具10；所述上端102U通过光纤106连接于所述激光发生器104。所述光纤 106包括相背的第一连接端106U及第二连接端106D，所述激光束L自所述第一连接端106U进入所述光纤106并自所述第二连接端106D出来后，再自所述上端102U进入所述壳体102并光学传输到所述下端102D，然后入射到所述加工刀具10上。

请参阅图2，所述加工刀具10包括激光束入射面12、前刀面14、后刀面16、上表面18及下表面20，所述前刀面14连接所述上表面18及所述后刀面16。所述下表面20连接所述后刀面16及所述激光束入射面12。所述上表面18连接所述激光束入射面12及所述前刀面14。本实施方式中，所述前刀面14与所述上表面18之间形成夹角θ₁₄，θ₁₄为刀具前角；所述后刀面16与所述下表面20之间形成夹角θ₁₆，θ₁₆为刀具后角；前角θ₁₄和后角θ₁₆是在所述加工刀具10本身的背景下而不是相对于周围环境来限定的。所述前刀面14与所述后刀面16之间的过渡部分为切削刃22。

所述激光束入射面12的相背的两端分别为第一端121及第二端122，所述前刀面14相背的两端分别为第三端141及第四端142，所述后刀面16 相背的两端分别为第五端161及第六端162，所述上表面18相背的两端分别为第七端181及第八端182，所述下表面20包括相背的第九端201及第十端202。所述第四端142与所述第六端162之间的过渡部分为所述切削刃 22。所述第三端141连接于所述第八端182；所述第七端181连接于所述第一端121；所述第二端122连接于所述第九端201；所述第十端202连接于所述第五端161。

所述加工刀具10与所述激光束入射面12所在端相背的一端为激光束出口端26，所述出口端26位于所述后刀面16一侧。所述加工刀具与所述激光束出口端26相背的一端为激光束入射面24，所述激光束入口端24邻近所述激光束入射面12设置。本实施方式中，所述激光束入口端24是由所述激光束入射面12限定的；所述激光束出口端26是由所述前刀面14及所述后刀面16限定的；所述前刀面14与所述上表面18限定了所述加工刀具10的上侧28，所述激光束入射面12、所述后刀面16及所述下表面20 可限定所述加工刀具10的下侧30。所述切削刃22与所述第八端182之间的距离即为所述加工刀具10的长度l。

所述激光束入射面12上设置有增透膜32。当然在其他实施方式中，所述增透膜32还可以设置在其他表面上，如前刀面14上。所述激光束L从所述激光发生器104被引导向所述加工刀具10的激光束入口端24，其相对于激光束入射面12的法线R以入射角θi在所述激光束入射面12处射入所述加工刀具10，然后所述激光束L在所述加工工具10内以角θr折射并且沿着所述加工工具10的长度l从所述激光束入口端24传输到所述激光束出口端26。

请参阅图3A及图3B，所述激光束L的尺寸由激光束直径Φ确定；激光束直径Φ可以进一步分为：沿着所述激光束L的中心轴线LA-LA延伸的中心光线Φ_A；布置在距中心轴线LA-LA第一径向距离处的第一圈环形射线阵列光线Φ_R1；布置在距中心轴线LA-LA第二径向距离处的第二圈环形射线阵列光线Φ_R2，其中所述第二径向距离大于所述第一径向距离。

请参阅图4，如果所述激光束L以小于临界角的入射角从所述激光束入射面12入射，当所述激光束L从第一个较高折射率n2的材料(如钻石材料)进入第二个较低折射率n1的材料(如空气)时，所述激光束L会发生第二次折射，临界角可由下式得到：其中，金刚石材料的临界角为24.4°；任何入射角度大于该角度的入射激光束L将在钻石内部发生全反射，所述激光束L离开所述激光束出口端26时的光线Φ_R1与 Φ_R2发生了全反射。

请参阅图5，至少一部分所述激光束出口端26的接触区域在加工过程中需要非常接近或浸入工件W中，所述工件W的材料可以为以下材料中的任一种：陶瓷、半导体、光学晶体、玻璃、金属合金、塑料、复合材料。其中，所述激光束L的光线Φ_A、Φ_R1、Φ_R2被传输到所述工件W的特定部分并被其吸收；工件W的折射率n3高于空气的折射率n1。

当待加工的工件W相较于所述加工刀具10(折射率为n2)具有较高的折射率n3时，所述激光束L的光线Φ_A、Φ_R1、Φ_R2将进入工件W的浸没区域，使得所述激光束L可以有效地作用于所述工件W特定的受压缩区域。相应地，从所述前刀面14出射的光线Φ_R1、Φ_R2传输到具有相同或更高折射率的工件W中，而从所述后刀面16出射的激光束L的光线 Φ_R1、Φ_R2可以作用于已经由所述后刀面14和所述切削刃22加工过的部分工件W上(当所述后刀面16接触工件W时，从所述后刀面16出射的激光能量可以对工件施加退火的作用)。

所述激光束L的中心光线Φ_A被聚焦在所述切削刃22上并从所述切削刃22出射，所述激光束L除了从所述切削刃22出射，还可以从所述前刀面14和所述后刀面16中的一个或者两个面出射。工件W通常可以分为压缩区域W_C和拉伸区域W_T；压缩区域Wc可大致从所述前刀面14延伸到靠近所述第六端162的部分区域(即压缩区域Wc穿过所述切削刃22)；拉伸区域W_T可延伸到加工刀具10的靠近所述第六端162且不穿过所述切削刃22。

请参阅图6A至图6E，前角θ₁₄可以为91°到195°之间，后角θ16可为93°到120°之间。所述加工刀具10在加工过程中与压缩区域W_C接触时产生的压力以及与拉伸区域W_T接触时产生的拉力和工件W的材料特性有关，相应地，前角θ14可以为大于90°且小于135°的大值负前角、大于 136°且小于165°的中度负前角、大于166°且小于179°的小值负前角、等于180°的零度前角及大于181°且小于210°的正前角。当工件W是陶瓷或者光学晶体等抗压强度大于抗拉强度的材料时，选用大值负前角θ₁₄或中等值负前角θ₁₄较为合适，如加工Si时可以采用135°～155°的大值负前角θ₁₄，将激光束L聚焦在切削刃22并偏向前刀面14来增加塑性变形、加热软化的作用，提高压缩区域W_C的材料去除率。当工件的抗拉强度大于抗压强度时，选择零度前角θ₁₄或者正前角。另外，为了增加具有较高抗拉强度的材料在拉伸区域的可加工性，所述激光束L在聚焦到切削刃 22时也可以向所述后刀面16偏置，以促进材料的塑性变形、加热软化作用，提高材料去除率。

此外，在给定加工刀具10的长度l和位于所述切削刃22下方的期望位置(见图2中的水平线a1)的情况下可以计算出最小入射角θi。

当光束进入具有较高折射率n2的所述加工刀具10时，光束将向不垂直于所述激光束入射面12的方向折射，光线折射的程度由折射定律确定：假设空气折射率n1＝1，θ2由下式可得：亦即：

参见图2，由角A、角B、角C构成的三角形ABC，角A为90°- θi，角C为θi-θf，角C也可以写成：本实施方式中，hi的值为0.050mm～0.100mm，且lc和l的差值并不大： θi<20°且假设三角形的边长AC的长度lc≌l，可以根据已知的a和l利用下面公式来求解θi:

其中，a为光束在切削刃下方的期望位置a1与激光束之间的间距。

所述激光束L在所述切削刃22下方的期望位置a1与光束直径Φ有关，期望位置a1可由以下公式计算获得：其中R％为安全余量(以保证全部激光束L都在切削刃22以下)。

当将所述激光束L折射到所述加工刀具10的切削刃22、前刀面14 和后刀面16时，为了避免在所述前刀面14和所述后刀面16发生全反射而使所述激光束L无法从前刀面14和后刀面16折射出去，θi、θ14及 θ16之间需要满足一定的数值关系。

所述前刀面14的角度约束为：

所述后刀面16的角度约束为：

θ_i2＝θ₁₆+θ_i-θ_r；

进一步推导可得：

90°-θ_cri-θ₁₃＜θ_i-θ_r＜θ_cri-θ₁₆(θ₁₃-θ₁₆＞90°-2θ_cri)

选取刀具的材料为金刚石，R％＝20％，l＝2.4mm，n2＝2.417， hi＝0.500mm，通过一系列计算可得θi＝5°，因此将特定位置的光束折射到切削刃22的入射角θi应大于5°。在具体的实施方式中，选定θi为7°，带入公式可得θ₁₃>61.32°，可取θ₁₃为63°；或者，选定θ₁₃＝46°，θ₁₆＝5°，根据公式可得θi取32°比较合适。

图7所示刀具是一种正前角的刀具，为了将激光束L折射到切削刃 22处，加工刀具10需要有足够大的倾角θbi，可以进一步增加激光束入射面12的倾角以将激光束L向上引导至与θi对应的切削刃22。其中，图7所在的平面垂直Y轴，Y轴根据X-Z参考坐标系指向页面外。

所述微激光辅助加工系统100还包括准直透镜108、聚焦透镜110、聚焦旋钮112、刀具高度调节机构116及旋转机构118，所述准直透镜108及所述聚焦透镜110分别收容于所述壳体102内，所述准直透镜108与所述第二连接端106D光学连接，所述聚焦透镜110位于所述准直透镜108与所述加工刀具10之间。所述聚焦旋钮112连接于所述聚焦透镜110，通过旋转所述聚焦旋钮112可以移动所述聚焦透镜110，进而选择性地调节光斑直径和焦平面的位置。所述刀具高度调节机构116连接于所述壳体102，其用于调节所述加工刀具10相对于所述工件W的位置，以提高工件的表面粗糙度及形貌精度。所述旋转机构118连接于所述壳体102，其用于带动所述切削刃22以任意的角度旋转，进而使所述切削刃22在整个弧长范围内均匀磨损。

所述微激光辅助加工系统100还包括光束定位台114，所述光束定位台 114连接于所述聚焦透镜110，所述光束定位台114用于将所述激光束L精确的定位到所述切削刃22。本实施方式中，所述光束定位台114用于改变所述激光束L的角度。

请参阅图8，本发明第一实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d与所述微激光辅助加工系统100基本相同，不同点在于：所述微激光辅助加工系统100d包括收容于所述壳体102内的X轴调节旋钮 124、Y轴调节旋钮126及Z轴调节旋钮128，所述X轴调节旋钮124、所述Y轴调节旋钮126及所述Z轴调节旋钮128分别与所述准直透镜108及多个所述聚焦透镜110相连接，通过旋转所述X轴调节旋钮124、所述Y 轴调节旋钮126及所述Z轴调节旋钮128中的一个或者多个可以精确控制所述激光束L自所述激光数入射面12入射的位置，进而选择性地将所述激光束L自加工刀具10d的切削刃22和所述前刀面14与所述后刀面16中的一个或者多个出射。

请参阅图9、图10A、图10B及图10C，本发明第二实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d与本发明第一实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d基本相同，不同点在于：本发明第二实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d包括相连接的可见光束成像照相机130及计算机工作站132，所述可见光束成像照相机130用于向所述计算机工作站132发送信号，所述计算机工作站132根据接收到的信号在其显示器上显示出调节指令或者与旋转所述X轴调节旋钮124、所述Y轴调节旋钮126及所述Z轴调节旋钮128中的一个或者多个的相关调节值。通过调节所述X轴调节旋钮124、所述Y轴调节旋钮126 及所述Z轴调节旋钮128中的一个或者多个可以使所述激光束L居中(见图10A)或者偏置(见图10B及图10C)。

请参阅图11，本发明第三实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d与本发明第二实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d基本相同，不同点在于：本发明第三实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d包括功率计134且不包括可见光束成像照相机130。所述功率计134连接于所述计算机工作站132，其用于测量激光束L的输出功率并将测量值传输给所述计算机工作站132，所述计算机工作站132根据所述测量值发出指令来控制所述激光束L的对中。

请参阅图12，本发明第四实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d与本发明第三实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d基本相同，不同点在于：本发明第四实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d采用光束分析仪136替代所述功率计134。所述光束分析仪136与所述计算机工作站132相连接，其用于辅助对准所述激光束L。

请参阅图13，本发明第五实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100f与本发明第四实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d基本相同，不同点在于：所述微激光辅助加工系统100f 没有设置所述计算机工作站132及所述光束分析仪136，而是设置了子壳体 101及空间调节机构111，所述子壳体101设置在所述壳体101内，其用于收容所述准直透镜108、所述聚焦透镜110、所述X轴调节旋钮124、所述 Y轴调节旋钮126及所述Z轴调节旋钮128。所述空间调节机构111连接所述壳体102及所述子壳体101，其用于调节所述准直透镜108及所述聚焦透镜110在三维XYZ坐标系的X方向、Y方向或者Z方向中的任意一个，使得所述激光束L在所述激光束入射面12的入射位置，进而引导和调整所述激光束L在加工刀具10f的切削刃22和所述后刀面16中的一个或者两个的出射位置。

请参阅图14，本发明第六实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100g与本发明第四实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d基本相同，不同点在于：所述微激光辅助加工系统100f 没有设置光束分析仪136，而是设置了执行器143、喷嘴142及连接所述执行器143及所述喷嘴142的软管139，所述执行器143连接于所述计算机工作站132，其还连接于容器，所述容器内收容有切削液137。所述计算机工作站132用于向所述执行器143发送信号以控制所述切削液137的流量恒定或者周期性输出。热活化或者激光活化后的所述切削液137被施加于所述切削刃22及所述前刀面14与所述后刀面16中的一个或者两个上，所述切削液137与激光束的热量发生化学反应，化学反应发生之后，所述加工刀具10g和工件W接触，可以增加工件材料去除率的同时减小加工过程中的切削力。

请参阅图15，本发明第七实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100h与本发明第四实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100d基本相同，不同点在于：所述微激光辅助加工系统100h 没有设置光束分析仪136及计算机工作站132，而是设置了两个加工刀具及光学分束器146。加工刀具10h包括并列设置的第一刀具10_h1及第二刀具 10_h2。所述光学分束器146设置在所述加工刀具10h与所述聚焦透镜110之间，其用于将所述激光束L分为两部分L1和L2，第一部分L1被引导向第一刀具10_h1的激光束入射面12，第二部分L2被引导向第二刀具10_h2的激光束入射面12，所述微激光辅助加工系统100h同时将激光能量引导至所述第一刀具10_h1和所述第二刀具10_h2的激光束入射面12。

请参阅图16，本发明第八实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100i与本发明第七实施方式提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统100h基本相同，不同点在于：所述微激光辅助加工系统100i 的激光发生器104。所述激光发生器104包括第一激光发生器1041及第二激光发生器1042，所述第一激光发生器1041与所述第二激光发生器1042 并列设置。所述光纤106包括第一光纤1061及第二光纤1062，所述第一光纤1061连接所述准直透镜108及所述第一激光发生器1041，所述第二光纤 1062连接所述准直透镜108及所述第二激光发生器1042。所述第一个激光发生器1041产生第一激光束L1，所述第一激光束L1通过所述第一光纤 1061传输到加工刀具10i的激光束入射面12；所述第二个激光发生器1042 产生第二激光束L2，所述第二激光束L2通过所述第二光纤1062传输到所述加工刀具10i的激光束入射面12。所述第一激光束L1和所述第二激光束 L2分别有特定的波长，可以传送到激光束出口端26的不同部分(如所述切削刃22、所述前刀面14和所述后刀面16)，以便向所述工件W提供不同规格的能量。可以理解，在其他实施方式中，所述激光发生器的数量可以根据实际需要增加或者减少。

本发明还提供如上所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的使用方法，该使用方法主要包括以下步骤：

步骤一，判断待加工的工件材料的抗拉强度与抗压强度的大小，并根据判断结果来确定所述加工刀具的前角。

步骤二，选定所述加工刀具后，启动所述微激光辅助加工系统对待加工工件进行加工直至加工完成。

具体地，当工件材料的抗压强度大于抗拉强度时，所述加工刀具的前角选用大值负前角或者中等值负前角，角度范围为90°～165°；当工件材料的抗拉强度大于抗压强度时，所述加工刀具的前角选用零度前角及正前角，角度范围为180°～210°。

本发明提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统加工陶瓷或者半导体材料时，通过2～3遍车削即可加工镜面级的光学表面，且加工过程中的刀具寿命是传统单点金刚石车削时的刀具寿命的2倍以上。

本发明提供的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法，所述微激光辅助加工系统的激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，如此增加了工件材料去除率的同时减小了加工过程中的切削力，结合了激光和单点车削工艺，结构简单，成本较低，延长了刀具使用寿命。此外，通过旋转所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮中的一个或者多个来控制所述激光束在所述加工刀具上的入射位置，使得激光束聚焦到切削刃或者偏向后刀面，以促进材料的塑性变形及热软化作用，提高材料去除率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：

所述微激光辅助加工系统包括激光发生器、壳体及加工刀具，所述激光发生器设置于所述壳体的一端，所述加工刀具连接于所述壳体的另一端所述加工刀具包括相连接的前刀面及后刀面，所述前刀面及所述后刀面之间的过渡部分形成有切削刃；

2.如权利要求1所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述加工刀具包括激光束入射面，所述激光束入射面与所述切削刃分别位于所述加工刀具相背的两端；所述激光束自所述激光束入射面入射到所述加工刀具，且所述激光入射面上还设置有增透膜。

3.如权利要求1所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述加工刀具包括连接于所述前刀面远离所述后刀面的一端的上表面，所述前刀面与所述上表面之间形成的夹角为前角，所述前角为大于90°且小于135°的大值负前角；或者为大于136°且小于165°的中度负前角；或者为大于166°且小于179°的小值负前角；或者为等于180°的零度前角；或者为大于181°且小于210°的正前角。

4.如权利要求1-3任一项所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述激光束折射到所述切削刃的入射角大于5°。

5.如权利要求4所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述激光束折射到所述切削刃的入射角为7°。

6.如权利要求4所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述入射角为32°，所述加工刀具的后角为5°。

7.如权利要求1-3任一项所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述微激光辅助加工系统还包括准直透镜、聚焦透镜、聚焦旋钮、刀具高度调节机构及旋转机构，所述准直透镜收容于所述壳体内，其通过光纤连接于所述激光发生器；所述聚焦透镜收容于所述壳体内，其位于所述加工刀具与所述准直透镜之间；所述聚焦旋钮连接于所述聚焦透镜，通过旋转所述聚焦旋钮来移动所述聚焦透镜，以调节光路焦点的位置；所述刀具高度调节机构连接于所述壳体，其用于调节所述加工刀具相对于所述工件及光路中心的位置；所述旋转机构连接于所述壳体，其用于带动所述切削刃以任意的角度旋转。

8.如权利要求7所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述微激光辅助加工系统还包括光束定位台，所述光束定位台连接于所述聚焦透镜，其用于将所述激光束定位到所述切削刃；所述微激光辅助加工系统还包括收容于所述壳体内的X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮及Z轴调节旋钮，所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮分别与所述准直透镜及多个所述聚焦透镜相连接，通过旋转所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮中的一个或者多个来控制所述激光束在所述加工刀具上的入射位置。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的使用方法，其特征在于：当工件材料的抗压强度大于抗拉强度时，选用的加工刀具的前刀面与上表面之间形成的前角的角度值为90°～165°；当工件材料的抗拉强度大于抗压强度时，选用的加工刀具的前刀面与上表面之间形成的前角的角度值为180°～210°。