CN109530911B - 一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，包括激光发生器和超声波发生器，所述激光发生器输出端通过光纤终端与激光工作头的准直镜一端相连，所述激光工作头包括准直镜、超声换能器、变幅杆和聚焦透镜机构组成，所述激光工作头通过准直镜、卡子和内六角螺栓固定在机床主轴上，所述准直镜另一端与超声换能器一端相连，超声换能器与超声波发生器相连，超声换能器另一端与变幅杆一端相连，变幅杆另一端与聚焦透镜机构相连，将超声振动作用到激光聚焦透镜的轴向方向，可以将超声振动的振幅最大化的作用到透镜上，使透镜振动范围更广，达到聚焦的柱体焦点高度最大化，更大高度的柱体焦点可以有效提高激光加工质量和加工效率。

Description

一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置

技术领域

本发明属于超声振动复合激光加工技术领域，特别是涉及一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置。

背景技术

随着制造业的飞速发展，对机械零部件的加工精度，加工效率要求都越来越高。在机械加工中，最基本而又常用的精密加工手段为切削加工，其在机械、电子、建筑等各种产业的加工生产中都发挥着重要的作用，决定切削加工精度和效率的因素很多如机床、刀具、工件等，其中刀具对其影响最为明显。刀具材料的机械性能和加工性能直接影响刀具的使用寿命、刀具的生产成本、加工工件表面质量等，因此学者们不断地研发新的刀具材料。但开展先进制造、智能制造、智能装备等研究条件下，新刀具材料的开发往往滞后于当下的加工生产要求。对难加工材料的可加工性要求越来越高，并且对难加工材料的应用需求越来越广，要其具有良好的表面质量、很小的残余应力、很小的加工变形等。

激光加工可以解决这些问题，因为激光加工具有其他加工方式无法比拟的优势。激光加工为无接触加工，无刀具磨损，对工件无直接冲击，无机械变形；可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高脆性、高硬度及高熔点的材料；可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；加工速度快，并且是局部加工，其热影响区小，工件受热变形小，后续加工量小；激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，加工灵活；生产效率高，质量可靠，经济效益好；节约能源和材料，无公害、无污染。基于以上优良特性激光加工在制造业中得到了广泛的应用，如激光打孔、激光切割、激光抛光、激光打标、激光雕刻、激光焊接、激光表面改性技术、激光快速成型技术等。尽管激光加工技术具有以上优点并得到了广泛应用，但是在实际加工过程中仍然存在一些问题。激光加工技术的基本原理是激光器产生的激光经过准直、放大、改变方向，最终，形成一个聚焦的激光束光斑作用在原始工件表面，激光的能量传导到工件上，造成工件被加工处的材料熔化和蒸发，从而实现各种形式的加工。激光焦点位置是激光加工技术中的关键，在很大程度上，影响工件的加工质量。对激光聚焦的焦点位置测量方法主要有电感位移传感器检测法、电容传感器来检测法、打印法、斜板法、蓝色火花法等，但由于被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形等都会造成激光焦点位置发生偏差，因此目前没有一个准确的激光焦点测量方法，导致不能保证高精度的加工质量。激光光束经聚焦透镜聚焦后形成的焦点为一个圆形平面，在焦点平面上下的激光光束都具有一定的发散角，焦点处能量最高，沿焦点上下两个方向激光束能量逐渐降低，因此影响加工精度和加工质量。由于激光加工中热应力的产生，使加工表面产生裂纹，也影响工件表面质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，即是在激光加工装置上嵌入超声振动系统，使聚焦透镜在轴向以一定的振幅发生超声振动，从而构成一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，该装置结构简单，易于加工，操作方便。并且由于超声振动系统被集成到激光头当中形成一个整体的超声振动透镜辅助激光加工工作头模块，因此具有加工灵活的优点，可以对工件进行三维立体的超声振动辅助激光加工，可以实现更高质量的各类激光加工工作。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，包括激光发生器和超声波发生器，所述激光发生器输出端通过光纤终端与激光工作头的准直镜一端相连，所述激光工作头包括准直镜、超声换能器、变幅杆和聚焦透镜机构组成，所述激光工作头通过准直镜、卡子和内六角螺栓固定在机床主轴上，所述准直镜另一端与超声换能器一端相连，超声换能器与超声波发生器相连，超声换能器另一端与变幅杆一端相连，变幅杆另一端与聚焦透镜机构相连。

所述聚焦透镜机构包括螺纹外壳，聚焦透镜机构通过螺纹外壳螺接在变幅杆另一端上，螺纹外壳内壁底端设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过挡圈固定在螺纹外壳上，所述挡圈与螺纹外壳通过螺纹相连。

所述超声换能器包括前端盖和后端盖，所述前端盖和后端盖之间设置有压电堆，所述前端盖和后端盖通过连接柱、双头螺柱和螺栓固定安装夹紧压电堆，压电堆由交替设置的压电陶瓷片和铜电极片组成，且两组铜电极片的终端设置有接线柱，所述超声换能器输入端通过接线柱与超声波发生器输出端相连。

所述变幅杆轴向开设有双曲线形孔，变幅杆设置为两级阶梯型变幅杆，且输入端设置为外螺纹，输出端设置为内螺纹。

所述压电陶瓷片和铜电极片都为圆环型，所述前端盖和后端盖上开设有通孔，且通孔的轴线与前端盖和后端盖的轴线重合。

一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置的使用方法，采用一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，包括以下步骤：

步骤1，激光发生器工作产生激光，激光传递到光纤输出端子发射出激光束，激光束通过准直镜，穿过超声换能器和变幅杆后照射到聚焦透镜上；同时超声波发生器产生超声频率的电振荡信号，传递给超声换能器，超声换能器将电信号转换为超声频率的机械振动，然后经过变幅杆对超声振动进行放大后，超声振动经由螺纹外壳传递到聚焦透镜上，使聚焦透镜产生轴向的超声振动，当激光穿过超声振动的聚焦透镜后，被聚焦的激光光束形成的焦点将变为以振幅为高的柱体照射到工件上，完成工件加工。

本发明的有益效果为：

1、本发明在普通激光加工装置基础上，通过控制超声振动透镜来改变激光聚焦焦点处能量分布，使激光聚焦的焦点由一个平面圆形变为以超声振动振幅为高的柱体，焦点处的能量最高，激光加工时用焦点位置进行加工，当振动频率为超声频率时所形成的整个柱体焦点能量最高，通过这个柱体焦点进行激光加工，可以有效抑制被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形等对激光焦点位置发生偏差造成的加工缺陷。在超声振动的作用下改变了激光聚焦焦点处的能量分布，从而使加工后的工件表面质量比普通激光加工后的工件表面质量更好。

2、将超声振动作用到激光聚焦透镜的轴向方向，可以将超声振动的振幅最大化的作用到透镜上，使透镜振动范围更广，达到聚焦的柱体焦点高度最大化，更大高度的柱体焦点可以有效提高激光加工质量和加工效率。

3、在超声振动透镜辅助激光加工条件下，由于超声振动的作用使工件热影响区更小，并且工件断续受热形成边加工边冷却的加工形式，提高加工表面质量的同时减小热应力。由于热应力会使加工表面产生裂纹，因此超声振动透镜辅助激光加工可以有效抑制裂纹产生。

4、本专利发明结构简单，易于加工，操作方便，可以集成到任何激光加工装置上，具有极高的复合性能。

附图说明

图1为本发明的轴向超声振动透镜辅助激光加工装置的三维结构示意图；

图2为超声振动激光工作头的半剖视图；

图3为普通激光光束聚焦效果与超声振动透镜辅助激光光束聚焦效果对比图。

1-激光发生器，2-超声波发生器，3-准直镜，4-超声换能器，5-变幅杆，6-聚焦透镜机构，7-卡子，8-机床主轴，9-螺纹外壳，10-聚焦透镜，11-挡圈，12-前端盖，13-后端盖，14-压电堆，15-连接柱，16-压电陶瓷片，17-铜电极片，18-接线柱，19-激光工作头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-图3所示，一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，包括激光发生器1和超声波发生器2，所述激光发生器1输出端通过光纤终端与激光工作头的准直镜3一端相连，所述激光工作头19包括准直镜3、超声换能器4、变幅杆5和聚焦透镜机构6组成，所述激光工作头19通过准直镜3、卡子7和内六角螺栓固定在机床主轴8上，所述准直镜3另一端与超声换能器4一端相连，超声换能器4与超声波发生器2相连，超声换能器4另一端与变幅杆5一端相连，变幅杆5另一端与聚焦透镜机构6相连，所述变幅杆5轴向开设有双曲线形孔，变幅杆5设置为两级阶梯型变幅杆，且输入端设置为外螺纹，输出端设置为内螺纹，由于激光产生的高斯光束，沿激光光束传播方向具有特定的发散角，高斯光束的包络线是一个双曲面，因此变幅杆中心开双曲线形孔。根据匹配的超声换能器4计算放大系数和输出振型等参数，确定变幅杆5输入端和输出端内孔直径尺寸，输出端为内孔直径为最小直径，且最小内孔直径应大于8mm，确保激光光束可以完全通过变幅杆5。阶梯型变幅杆具有加工简单、易修正、放大比大等优点。阶梯形变幅杆的变径截面突变处易产生应力集中，加载过程中易发生断裂，本发明中将变径截面突变处增加了过度圆弧，从而解决应力集中现象。其中图3(a)为激光通过普通透镜的聚焦效果，激光光束通过透镜聚焦后，形成的焦点为圆形的平面焦点。图3(b)为使聚焦透镜10发生轴向超声频率的振动时激光光束聚焦效果，通过聚焦透镜10的折射率计算可以得到聚焦透镜10轴向振动对焦点位置的改变。从图3(b)中可以看出，激光光束通过超声频率轴向振动的聚焦透镜10所得到的聚焦焦点由原来的圆形平面焦点变为了柱体的立体焦点，超声振动振幅直接反映到该柱体立体焦点的高度上。柱体焦点在不改变焦点直径的情况下，只通过改变振幅来改变柱体高度，因此能够保证原有的激光加工精度。在超声振动振幅为几十微米的条件下，柱体焦点高度达到几十微米，利用这个柱体焦点进行激光加工，振动频率达到20KHz以上的超声频率时，整个柱体焦点各处的能量与原平面圆形焦点能量相同，因此可以利用这个柱体弥补被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形等引起的加工缺陷，通过控制柱体焦点可以有效提高激光加工表面质量加工精度以及加工效率。

所述聚焦透镜机构6包括螺纹外壳9，聚焦透镜机构6通过螺纹外壳9螺接在变幅杆5另一端上，螺纹外壳9内壁底端设置有聚焦透镜10，且聚焦透镜10通过挡圈11固定在螺纹外壳9上，所述挡圈11与螺纹外壳9通过螺纹相连。

所述超声换能器4包括前端盖12和后端盖13，所述前端盖12和后端盖13之间设置有压电堆14，所述前端盖12和后端盖13通过连接柱15、双头螺柱和螺栓固定安装夹紧压电堆14，压电堆14由交替设置的压电陶瓷片16和铜电极片17组成，且两组铜电极片17的终端设置有接线柱18，所述超声换能器4输入端通过接线柱18与超声波发生器2输出端相连。

所述压电陶瓷片16和铜电极片17都为圆环型，所述前端盖12和后端盖13上开设有通孔，且通孔的轴线与前端盖12和后端盖13的轴线重合。

一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置的使用方法，采用一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，包括以下步骤：

步骤1，激光发生器1工作产生激光，激光传递到光纤输出端子发射出激光束，激光束通过准直镜3，穿过超声换能器4和变幅杆5后照射到聚焦透镜10上；同时超声波发生器2产生超声频率的电振荡信号，传递给超声换能器4，超声换能器4将电信号转换为超声频率的机械振动，然后经过变幅杆5对超声振动进行放大后，超声振动经由螺纹外壳9传递到聚焦透镜10上，使聚焦透镜10产生轴向的超声振动，当激光穿过超声振动的聚焦透镜10后，被聚焦的激光光束形成的焦点将变为以振幅为高的柱体照射到工件上，完成工件加工。

Claims (2)

1.一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，其特征在于，包括激光发生器和超声波发生器，所述激光发生器输出端通过光纤终端与激光工作头的准直镜一端相连，所述激光工作头包括准直镜、超声换能器、变幅杆和聚焦透镜机构，所述激光工作头通过准直镜、卡子和内六角螺栓固定在机床主轴上，所述准直镜另一端与超声换能器一端相连，超声换能器与超声波发生器相连，超声换能器另一端与变幅杆一端相连，变幅杆另一端与聚焦透镜机构相连；

所述超声换能器包括前端盖和后端盖，所述前端盖和后端盖之间设置有压电堆，所述前端盖和后端盖通过连接柱、双头螺柱和螺栓固定安装夹紧压电堆，压电堆由交替设置的压电陶瓷片和铜电极片组成，且两组铜电极片的终端设置有接线柱，所述超声换能器输入端通过接线柱与超声波发生器输出端相连；所述压电陶瓷片和铜电极片都为圆环型，所述前端盖和后端盖上开设有通孔，且通孔的轴线与前端盖和后端盖的轴线重合；

所述变幅杆轴向开设有双曲线形孔，变幅杆设置为两级阶梯型变幅杆，且输入端设置为外螺纹，输出端设置为内螺纹；

所述聚焦透镜机构包括螺纹外壳，聚焦透镜机构通过螺纹外壳螺接在变幅杆另一端上，螺纹外壳内壁底端设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过挡圈固定在螺纹外壳上，所述挡圈与螺纹外壳通过螺纹相连。

2.一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置的使用方法，采用权利要求1所述的一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置，其特征在于，包括以下步骤：

激光发生器工作产生激光，激光传递到光纤输出端子发射出激光束，激光束通过准直镜，穿过超声换能器和变幅杆后照射到聚焦透镜上；同时超声波发生器产生超声频率的电振荡信号，传递给超声换能器，超声换能器将电信号转换为超声频率的机械振动，然后经过变幅杆对超声振动进行放大后，超声振动经由螺纹外壳传递到聚焦透镜上，使聚焦透镜产生轴向的超声振动，当激光穿过超声振动的聚焦透镜后，被聚焦的激光光束形成的焦点将变为以振幅为高的柱体照射到工件上，完成工件加工。

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