CN109604814A - 一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，包括激光发生器和振动发生器，所述激光发生器通过光纤和光纤输出端子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和聚焦激光机构，所述激光工作头通过准直镜、夹具和螺栓固定安装在机床主轴上，所述准直镜的另一端与聚焦激光机构相连，所述聚焦激光机构与振动发生器相连，本发明将透镜振动与激光加工相结合，将振动辅助系统直接复合到激光头上，形成透镜低频振动辅助激光工作头，在透镜轴向振动辅助激光加工的条件下，由于振动的作用可使工件断续受热，实现边加工边冷却的加工形式，可以在提高加工表面质量的同时减小热应力，抑制裂纹产生。

Description

一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置

技术领域

本发明属于振动辅助激光加工技术领域，特别是涉及一种透镜轴向低频(<6kHz)振动辅助激光加工装置。

背景技术

随着科技的发展，各制造领域(如航空航天、军备医疗以及精密设备等)对材料的性能要求越来越高，使得陶瓷、合金、硅片等材料的应用愈来愈广泛。而这些性能优异的材料大多属于难加工材料，传统机械加工方式很难同时获得良好的加工效率与加工质量。故近些年来，难加工材料的高质量、高效率加工一直是研究的热点。被广泛关注的加工方法有高速切削加工技术、特种加工技术以及复合加工技术等。

激光加工技术作为一种新兴的特种加工技术，其在难加工材料的高质、高效加工领域具有巨大的潜力与优势。首先，激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，故激光加工技术在脆硬材料的加工领域具有显著优势。其次，激光加工过程为非接触加工，激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题。同时，激光可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工，且激光束易于导向、聚焦、实现各方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工，加工过程很灵活。另外，激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，故其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

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。单一的激光加工过程得到的加工表面通常需要再次精密打磨去除附着的熔渣和杂质，这不但增加了光整工序，降低了材料的加工效率，增加了材料的加工成本，而且这导致材料的加工尺寸精度难以把控，降低了材料的加工质量。故寻找合适的加工方式与激光加工技术复合，提高激光加工质量是解决以上问题的有效途径之一。

发明内容

针对现有技术存在的问题，特指一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，振动频率一般在6kHz以下(需根据所选压电陶瓷的性能，振动装置的刚度以及所需输出振幅的大小来确定)。该装置是通过在激光加工装置上嵌入振动辅助系统，使聚焦透镜在轴向以一定的振幅发生低频振动，从而构成的一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置。该装置机构简单，易于加工，操作方便。并且由于振动辅助系统被集成到激光头当中形成一个整体的透镜振动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以及材料表面微织结构的加工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，包括激光发生器和振动发生器，所述激光发生器通过光纤和光纤输出端子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和聚焦激光机构，所述激光工作头通过准直镜、夹具和螺栓固定安装在机床主轴上，所述准直镜的另一端与聚焦激光机构相连，所述聚焦激光机构与振动发生器相连。

所述聚焦激光机构包括后端盖，聚焦激光机构通过后端盖一端与准直镜螺接，后端盖另一端与压电堆一端相连，压电堆另一端与前端盖动结构部分一端相连，且后端盖和前端盖通过螺栓相连固定压电堆，压电堆通过两个接线柱与振动发生器输出端相连，前端盖动结构部分另一端与透镜外壳一端相连，透镜外壳另一端设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过挡圈和保护镜片固定安装在透镜外壳上。

一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，包括以下步骤：

步骤1，激光发生器产生激光，激光传递到激光光纤输出端子发射出激光束，激光束通过准直镜后，穿过后端盖、压电堆、前盖板以及透镜外壳，照射到聚焦透镜上；同时振动发生器产生的低频电振荡信号通过电缆以及压电堆接线柱传递到压电堆，压电堆通过逆压电效应将低频电振荡信号转换为低频轴向机械振动并传递到前盖板的动结构部分，该部分将产生的低频轴向振动传递给透镜外壳，进而带动聚焦透镜产生低频轴向振动，激光光束通过轴向振动的聚焦透镜聚焦后照射到工件上，完成工件加工。

本发明的有益效果为：

1、本发明将透镜振动与激光加工相结合，将振动辅助系统直接复合到激光头上，形成透镜低频振动辅助激光工作头，在透镜轴向振动辅助激光加工的条件下，由于振动的作用可使工件断续受热，实现边加工边冷却的加工形式，可以在提高加工表面质量的同时减小热应力，抑制裂纹产生，既保持了原有激光加工的灵活性，又提升了激光加工的表面质量。

2、本发明所选激光聚焦透镜的轴向振动频率属于低频频段(<6kHz)。其有利于与进给速度、振幅等参数配合以实现不同的加工效果。在加工过程中，激光聚焦焦点随聚焦透镜作低频轴向振动，当激光聚焦焦点的工作区域持续与工件表面接触时为连续性加工过程，其可调节激光焦点处的能量分布，提高加工后的工件表面质量；当激光聚焦焦点的工作区域断续与工件表面接触时为间断性加工过程，其可实现工件表面微织结构的加工，提升加工后的工件性能。

3、本发明加工出的工件表面微织构为按一定规律阵列的微凹坑，各微凹坑深度一致。同时通过控制加工参数(如振动振幅、进给速度等)可以调节微凹坑的阵列间距、深度等，使加工后工件表面性能得到提升，如改善疏水性、降低反射率等。

4、本发明结构简单，操作方便，易形成模块化，可以通过本发明将任意传统激光加工工作头改造为透镜轴向低频振动辅助激光加工装置。

附图说明

图1为本发明的透镜轴向低频振动辅助激光加工装置的三维结构示意图；

图2为振动辅助激光工作头的半剖视图；

图3为普通激光光束聚焦效果与透镜低频振动辅助激光光束聚焦效果对比图。

1-激光发生器，2-振动发生器，3-光纤输出端子，4-准直镜，5-后端盖，6-压电堆，7-前端盖，8-激光工作头，9-透镜外壳，10-聚焦透镜，11-挡圈，12-保护镜片，13-机床主轴。

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，一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，包括激光发生器1和振动发生器2，所述激光发生器1通过光纤和光纤输出端子3与激光工作头8的准直镜4一端相连，所述激光工作头8包括准直镜4和聚焦激光机构，所述激光工作头8通过准直镜4、夹具和螺栓固定安装在机床主轴13上，所述准直镜4的另一端与聚焦激光机构相连，所述聚焦激光机构与振动发生器2相连。

所述聚焦激光机构包括后端盖5，聚焦激光机构通过后端盖5一端与准直镜4螺接，后端盖5另一端与压电堆6一端相连，压电堆6另一端与前端盖7动结构部分一端相连，且后端盖5和前端盖7通过螺栓相连固定压电堆6，压电堆6通过两个接线柱与振动发生器2输出端相连，前端盖7动结构部分另一端与透镜外壳9一端相连，透镜外壳9另一端设置有聚焦透镜10，且聚焦透镜10通过挡圈11和保护镜片12固定安装在透镜外壳9上，前端盖7可以在确保聚焦透镜10可靠固持的同时，通过前端盖7柔性铰链的弹性变形来实现前端盖7动结构与静结构间的相对运动，完成振动传递过程。该方式具有无机械摩擦、无间隙且运动灵敏度高等特点，可极大地降低振动在传递过程中的损耗，提高聚焦透镜10振动输出振幅的精度。

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)为在低频振动作用下使聚焦透镜10发生轴向低频振动时激光光束聚焦效果，激光光束通过低频轴向振动的聚焦透镜10所得到的聚焦焦点可跟随聚焦透镜10做低频轴向振动，振动幅度与聚焦透镜10的振幅相同。通过控制激光加工参数(如进给速度、振幅等)可以实现工件表面微织构的加工、提高激光加工表面质量。

一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，包括以下步骤：

步骤1，激光发生器1产生激光，激光传递到光纤输出端子3发射出激光束，激光束通过准直镜4后，穿过后端盖5、压电堆6、前盖板7以及透镜外壳9，照射到聚焦透镜10上；同时振动发生器2产生的低频电振荡信号通过电缆以及压电堆6接线柱传递到压电堆6，压电堆6通过逆压电效应将低频电振荡信号转换为低频轴向机械振动并传递到前盖板7的动结构部分，该部分将产生的低频轴向振动传递给透镜外壳9，进而带动聚焦透镜10产生低频轴向振动，激光光束通过轴向振动的聚焦透镜10聚焦后照射到工件上，完成工件加工。

Claims (3)

1.一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，其特征在于，包括激光发生器和振动发生器，所述激光发生器通过光纤和光纤输出端子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和聚焦激光机构，所述激光工作头通过准直镜、夹具和螺栓固定安装在机床主轴上，所述准直镜的另一端与聚焦激光机构相连，所述聚焦激光机构与振动发生器相连。

2.根据权利要求1所述的一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，其特征在于：所述聚焦激光机构包括后端盖，聚焦激光机构通过后端盖一端与准直镜螺接，后端盖另一端与压电堆一端相连，压电堆另一端与前端盖动结构部分一端相连，且后端盖和前端盖通过螺栓相连固定压电堆，压电堆通过两个接线柱与振动发生器输出端相连，前端盖动结构部分另一端与透镜外壳一端相连，透镜外壳另一端设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过挡圈和保护镜片固定安装在透镜外壳上。

3.一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置的使用方法，采用权利要求1所述的一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，激光发生器产生激光，激光传递到激光光纤输出端子发射出激光束，激光束通过准直镜后，穿过后端盖、压电堆、前盖板以及透镜外壳，照射到聚焦透镜上；同时振动发生器产生的低频电振荡信号通过电缆以及压电堆接线柱传递到压电堆，压电堆通过逆压电效应将低频电振荡信号转换为低频轴向机械振动并传递到前盖板的动结构部分，该部分将产生的低频轴向振动传递给透镜外壳，进而带动聚焦透镜产生低频轴向振动，激光光束通过轴向振动的聚焦透镜聚焦后照射到工件上，完成工件加工。