CN109551335A - 一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺，该方法采用激光从透明材料一侧穿透待加工材料，并将激光焦点聚焦于待加工表面，对其待加工表面进行预加热。砂轮和激光光路控制系统安装于同一直线轴，并保持砂轮的磨削点距离激光聚焦斑点特定距离处，然后采用超硬磨料砂轮进行磨削去除材料。该方法的磨削轨迹路线为Z字形，以保证加工整个表面的过程中，都是激光预先加热材料，砂轮随后磨削去除软化后的材料。在一定的离焦量范围内，激光对待加工表面的软化效应具有一定深度，与砂轮单颗磨粒切屑厚度分布具有一定的一致性，从而可促进光学玻璃等透明材料的高质量加工。本发明用于透明材料的精密磨削领域。

Description

一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺

技术领域

本发明涉及磨削领域，尤其涉及一种激光辅助高效磨削透明材料加工技术。

背景技术

光学玻璃等透明材料兼具有优异的机械性能和光学性能，包括高硬度、高强度以及耐高温、抗氧化性能和光学透过率。但是，光学玻璃的高脆性也对其加工制造工艺提出了更高要求，并且由于会导致快速、严重的刀具磨损，难以直接通过切削、铣削等工艺进行加工。为了获得亚微米级面形精度及纳米级表面粗糙度以满足航空航天及光学成像等领域对光学元器件质量要求，实现光学玻璃高效率超精密加工并改善其表面质量具有重要意义。目前，磨削仍然是加工陶瓷及光学玻璃等硬脆材料的主要方法，其作为一种冷加工技术，具有可加工材料范围广并且可加工复杂形状等其他加工方法所不具备的优势，为硬脆材料的加工提供了切实可行的手段。对光学玻璃、工程陶瓷等材料而言，因其具有非常高的硬度和强度，采用超硬磨料砂轮对其进行磨削成了最常用的加工方式。但是，光学玻璃磨削加工过程中超硬磨粒所施加的力及摩擦产生的热所诱发的工件表面变形、亚表面断裂、残余应力及其他形式的损伤依然不能得到彻底消除。然而，硬脆材料的超精密和高效率加工仍难以兼得。如何在保证加工效率的前提下加工出精度和表面完整性满足要求的元件是人们广泛关注和研究的项目。

激光具有高能量密度并且加热区域可控等优点。采用激光预先加热软化材料并采用切削刀具随后去除材料的激光辅助切削加工技术已被广泛应用于难加工材料的高效、精密加工，包括光学玻璃、陶瓷材料、合金材料及复合材料等，该过程可以明显改善难加工材料的加工表面质量、提高刀具使用寿命。

为了消除和控制光学磨削表面的损伤，结合激光及磨削加工各自的优点，才能提出有效的方法，从而降低后续抛光工艺所需时间，提高整个加工工艺链的效率，以改善光学玻璃材料的加工表面质量及加工效率具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种激光辅助高效磨削透明材料的工艺，改善透明材料(光学玻璃等)磨削表面质量，并提高加工效率。

为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

工作原理：激光光束控制的聚焦系统和砂轮加工系统分别安装于透明工件的两侧，砂轮和激光头(扫描振镜或物镜)安装于同一直线轴上，采用单向仅给、多次磨削的Z字形加工路径以加工整个工件表面，采用激光从被加工透明材料一侧入射，激光束穿过透明材料聚焦于待加工表面且位于砂轮磨削位置前缘，利用激光预先加热软化透明材料，降低材料的脆性，降低磨削诱发表面断裂的发生概率及裂纹的深度，改善磨削工件表面完整性。

所述透明材料是激光各个波段可以透过的其他透光材料，如半透明金刚石、光学玻璃等。

激光包括时间尺度飞秒到纳秒、波长范围红外到紫外所有可以满足本申请条件的激光类型，例如波长为1064nm的红外纳秒光纤激光。

具体的技术方案如下：

一种激光辅助高效磨削透明材料的工艺，步骤如下：

步骤一、将透明待加工工件安装于加工装备的工作台，加工装备配备一个磨削轴用于安装砂轮、2～3个直线轴以实现砂轮的进给运动。

步骤二、将砂轮及激光探头分别安装于透明工件材料的两侧，并调整激光焦点的位置使其处于砂轮磨削未加工表面上；

其中，激光离焦量与光斑大小关系如式(1)所示：

其中，z是离焦量，f＝L/2为镜的焦距，L为共焦腔长，ω₀为高斯光束的基模腰斑半径，ω_z为基模光斑半径。

由于激光热量分布与金刚石磨削切屑厚度分布规律一致，在离焦量z范围激光产生的热影响深度为h，当磨削深度a_p＜h时，激光热影响深度大于磨削深度，此时可有效软化待去除透明材料，促进透明硬脆性材料的韧性域去除，提高加工表面质量。

步骤三、将砂轮及激光光束安装于同一根直线运动轴上，以保证激光聚焦点与砂轮磨削待加工表面始终保持一致，根据工件的实际厚度，可通过微调装置调整激光头与砂轮之间的相对位置。

步骤四、为了加工整个工件表面，透明材料激光辅助磨削加工采用单向进给、多道磨削的Z字形路径进行磨削，以保证激光预加热之后，砂轮磨削再将材料去除。

附图说明

图1是本发明激光辅助高效磨削透明材料的加工布置示意图；

图2是本发明工作原理示意图；

图3是图2中A部分的放大图；

图4是磨削轨迹示意图；为了加工整个工件表面，透明材料激光辅助磨削加工采用单向进给、多道磨削的Z字形路径进行磨削；

图5是激光光束能量分布曲线，将激光束近似为理想的高斯光束，透明材料激光辐照形成的能量密度可以表示为：其中A为透明材料对激光的吸收率，与激光波长，材料性能、工件表面状态以及几何形貌有关；P为激光平均功率；f_l为激光重复频率；r为激光辐照范围内任一点距光斑中心的半径。为降低激光辐照面积，提高单位面积激光能量，采用激光光束垂直待加工面进行入射。

图中：1-连接板，2-旋转轴，3-透明工件，4-超硬磨料砂轮，5-计算机，6-激光束，7-激光头，8-夹具，9-磨粒，10-磨屑，11-热影响区，12-磨削区，13-磨削进给路径，14-磨削返程路径。

具体实施方式

实施例1

该实施例中的透明工件光学玻璃，采用的超硬磨料砂轮4是金刚石或CBN；该实施例中，采用的激光种类是波长为1064nm的纳秒激光。

参照图1所示，将透明工件3安装于加工装备的工作台，加工装备配备一个旋转轴2用于安装超硬磨料砂轮4、三个直线轴(X、Y、Z三个方向)以实现超硬磨料砂轮4的进给运动；将超硬磨料砂轮4及激光光路控制系统分别安装于透明工件3的两侧，激光光束6从工件材料3的一侧穿透透明工件并调整激光焦点的位置使其处于透明工件3另一侧待加工表面上；将超硬磨料砂轮4及激光光束控制光路安装于同一根z直线运动轴上，以保证激光聚焦点与砂轮磨削时运动轨迹始终保持一致；为了加工整个工件表面，透明材料激光辅助磨削加工采用单向进给、多道磨削的Z字形路径进行磨削，以保证激光预加热之后，砂轮磨削将材料去除。

参照图4、5所示，当磨削深度a_p＜h时，激光热影响深度大于磨削深度，其热量分布与金刚石磨削切屑厚度分布规律一致，可有效软化待去除透明材料，促进透明硬脆性材料的韧性域去除，提高加工表面质量。

其中，离焦量z与光斑大小关系如式(1)所示：

其中，f＝L/2为镜的焦距，L为共焦腔长，ω₀为高斯光束的基模腰斑半径，ω_z为基模光斑半径。

根据所加工的透明材料的对光的传输特性及激光光源的特征确定激光焦距及材料热软化效应的有效离焦量，选取该深度为磨削加工深度a_p，通过调控激光光束输出方式使之与砂轮的磨削宽度一致，从而促进透明材料的高效率及均匀化去除。

Claims (5)

1.一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一、将透明待加工工件安装于加工装备的工作台，加工装备配备一个磨削轴用于安装砂轮、2～3个直线轴以实现砂轮的进给运动；

步骤二、将砂轮及激光探头分别安装于透明工件材料的两侧，并调整激光焦点的位置使其处于砂轮磨削未加工表面上，磨削深度为a_p；

步骤三、将砂轮及激光光束安装于同一根直线运动轴上，根据工件的实际厚度，通过微调装置调整激光头与砂轮之间的相对位置；

步骤四、为了加工整个工件表面，透明材料激光辅助磨削加工采用单向进给、多道磨削的Z字形路径进行磨削，激光预加热之后，砂轮磨削再将材料去除，。

2.权利要求1所述的激光辅助精密磨削透明材料的工艺，其特征在于，所述透明材料是激光各个波段可以透过的透光材料。

3.权利要求2所述的激光辅助精密磨削透明材料的工艺，其特征在于所述透明材料是半透明金刚石、光学玻璃，采用的砂轮是金刚石或CBN。

4.权利要求1所述的激光辅助精密磨削透明材料的工艺，其特征在于，步骤二中，磨削深度a_p满足以下条件：

a_p＜h

离焦量z范围激光产生的热影响深度为h；

其中，激光离焦量与光斑大小关系如下所示：

其中，z是离焦量，f＝L/2为镜的焦距，L为共焦腔长，ω₀为高斯光束的基模腰斑半径，ω_z为基模光斑半径。

5.权利要求1所述的一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺，其特征在于，步骤二中，采用激光光束垂直待加工面进行入射。