CN109604815B - 一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种透镜低频往复转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；本发明聚焦透镜的转动振动属于低频频段(<6kHz)。在加工过程中，当激光聚焦焦点的转动距离相比于激光重叠率与焦点直径较小时，其主要作用为调节激光焦点处的能量分布，提高加工后的工件表面质量；当激光聚焦焦点的转动距离相比于激光重叠率与焦点直径较大时，其可实现工件表面微纹理的加工，提升加工后的工件性能。

Description

一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置
技术领域
本发明属于激光复合加工技术领域，特别是涉及一种透镜低频往复转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，也相对增加材料的加工成本，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，本发明提供了一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置，转动频率一般在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转动辅助系统，使聚焦透镜在一定范围内发生低频往复转动，从而构成的一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置，该装置机构简单，易于加工，操作方便。并且由于透镜转动辅助系统被集成到激光头当中形成一个整体的透镜转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转动辅助激光加工，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：
一种透镜低频往复转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、前端盖和透镜托板，聚焦激光机构通过后端盖与准直镜另一端螺接，所述前端盖由静结构部分和动结构部分组成，动结构部分和静结构部分通过铰链连接，所述后端盖与前端盖静结构部分一端通过螺栓相连将压电堆压紧，所述压电堆由环形压电陶瓷片和铜电极片相互交替叠加组成，其中两组铜电极片与两个接线柱一端相连，两个接线柱另一端与振动发生器输出端相连，所述前端盖动结构部分端面凸点上通过磁力吸附有单面磁铁，所述前端盖静结构部分另一端通过螺栓与透镜托板固定相连，所述透镜托板上表面通过透镜外壳夹具和螺栓固定安装有透镜外壳，透镜外壳上表面设置有聚焦透镜，聚焦透镜通过挡圈固定安装在透镜外壳上。
所述前端盖、后端盖和压电堆为中空结构，且中空结构孔径大于激光束直径。
一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置，包括以下步骤：
步骤1，激光发生器产生的激光经过激光光纤输出端子发射出激光光束，激光光束经过激光准直镜、后端盖、压电堆、前端盖照射到激光聚焦透镜上；同时压电堆接收到振动发生器产生的低频电振荡信号后，产生低频轴向机械振动并将其传递给前端盖的动结构部分，并通过前端盖动结构部分端面上的凸点与单面磁铁之间的吸附作用带动挡圈与透镜外壳作低频往复转动，进而带动激光聚焦透镜做低频往复转动，激光光束经过低频往复转动的聚焦透镜聚焦后照射到工件上，完成工件的加工。
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，通过使透镜低频往复转动的方式来改变激光聚焦焦点处能量分布，从而提高加工后的表面质量。同时，在透镜低频往复转动辅助激光加工的条件下，由于转动的作用使焦点位置不断变化，可使工件断续受热，实现边加工边冷却的加工形式。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同时减小热应力，抑制裂纹产生。
2、本发明所选激光聚焦透镜的转动振动属于低频频段(<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往复转动，当激光聚焦焦点的转动距离相比于激光重叠率与焦点直径较小时，其主要作用为调节激光焦点处的能量分布，提高加工后的工件表面质量；当激光聚焦焦点的转动距离相比于激光重叠率与焦点直径较大时，其可实现工件表面微纹理的加工，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深度随聚焦焦点转动变化的微沟槽。同时，通过调节离焦量、聚焦透镜转角等参数，其可完成两种工件表面微织构加工，一种为连续的“波浪形”微沟槽，一种为按一定规律阵列的断续的微凹槽。
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低频往复转动辅助激光加工装置。
附图说明
图1为本发明的透镜低频往复转动辅助激光加工装置的三维结构示意图；
图2为本发明的透镜低频往复转动辅助激光加工装置主视图；
图3为本发明的透镜低频往复转动辅助激光加工装置激光工作头半剖结构示意图；
图4为本发明A处放大结构示意图；
图5为普通激光光束聚焦效果与透镜低频往复转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-准直镜，4-聚焦激光机构，5-夹具，6-机床主轴，7-后端盖，8-前端盖，9-接线柱，10-静结构部分，11-动结构部分，12-环形压电陶瓷片，13-铜电极片，14-单面磁铁，15-透镜托板，16-透镜外壳，17-透镜外壳夹具，18-聚焦透镜，19-挡圈。
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5所示，一种透镜低频往复转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通过光纤与激光工作头的准直镜3一端相连，所述激光工作头包括准直镜3和聚焦激光机构4，所述激光工作头通过准直镜3、夹具5和螺栓固定安装在机床主轴6上，所述准直镜3另一端与聚焦激光机构4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4包括后端盖7、前端盖8和透镜托板15，聚焦激光机构4通过后端盖7与准直镜3另一端螺接，所述前端盖8由静结构部分10和动结构部分11组成，动结构部分11和静结构部分10通过铰链连接，静结构部分10和动结构部分11通过ANSYS有限元仿真优化后的铰链连接，可以在确保聚焦透镜18可靠固持的同时，通过前端盖8柔性铰链的弹性变形来实现前端盖8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，提高振动输出振幅的精度，进而提高聚焦透镜18转动精度；所述后端盖7与前端盖8静结构部分10一端通过螺栓相连将压电堆压紧，所述压电堆由环形压电陶瓷片12和铜电极片13相互交替叠加组成，其中两组铜电极片13与两个接线柱9一端相连，两个接线柱9另一端与振动发生器2输出端相连，所述前端盖8动结构部分11端面凸点上通过磁力吸附有单面磁铁14，所述前端盖8静结构部分10另一端通过螺栓与透镜托板15固定相连，所述透镜托板15上表面通过透镜外壳夹具17和螺栓固定安装有透镜外壳16，透镜外壳16上表面设置有聚焦透镜18，聚焦透镜18通过挡圈19固定安装在透镜外壳16上。
所述前端盖8、后端盖7和压电堆为中空结构，且中空结构孔径大于激光束直径。
其中图5(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5(b)为在低频振动作用下使聚焦透镜18发生低频微转动时激光光束聚焦效果，通过聚焦透镜18的折射率计算可以得到聚焦透镜18微转动对焦点位置的改变。从图5(b)中可以看出，激光光束通过低频微转动的聚焦透镜18所得到的聚焦焦点可跟随聚焦透镜18做低频往复转动，转动角度与振动振幅成正比。通过控制加工参数(如进给速度、焦点转角等)可以实现工件表面微织构的加工、提高激光加工表面质量。
一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置，包括以下步骤：
步骤1，激光发生器1产生的激光经过激光光纤输出端子发射出激光光束，激光光束经过激光准直镜3、后端盖7、压电堆、前端盖8照射到激光聚焦透镜18上；同时压电堆接收到振动发生器2产生的低频电振荡信号后，产生低频轴向机械振动并将其传递给前端盖8的动结构部分11，并通过前端盖8动结构部分11端面上的凸点与单面磁铁14之间的吸附作用带动挡圈19与透镜外壳16作低频往复转动，进而带动激光聚焦透镜18做低频往复转动，激光光束经过低频往复转动的聚焦透镜聚焦18后照射到工件上，完成工件的加工。

Claims (2)

1.一种透镜低频往复转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、前端盖和透镜托板，聚焦激光机构通过后端盖与准直镜另一端螺接，所述前端盖由静结构部分和动结构部分组成，动结构部分和静结构部分通过铰链连接，所述后端盖与前端盖静结构部分一端通过螺栓相连将压电堆压紧，所述压电堆由环形压电陶瓷片和铜电极片相互交替叠加组成，其中两组铜电极片与两个接线柱一端相连，两个接线柱另一端与振动发生器输出端相连，所述前端盖动结构部分端面凸点上通过磁力吸附有单面磁铁，所述前端盖静结构部分另一端通过螺栓与透镜托板固定相连，所述透镜托板上表面通过透镜外壳夹具和螺栓固定安装有透镜外壳，透镜外壳上表面设置有聚焦透镜，聚焦透镜通过挡圈固定安装在透镜外壳上；
所述前端盖、后端盖和压电堆为中空结构，且中空结构孔径大于激光束直径。
2.一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置的使用方法，采用权利要求1所述的一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，激光发生器产生的激光经过激光光纤输出端子发射出激光光束，激光光束经过激光准直镜、后端盖、压电堆、前端盖照射到激光聚焦透镜上；同时压电堆接收到振动发生器产生的低频电振荡信号后，产生低频轴向机械振动并将其传递给前端盖的动结构部分，
并通过前端盖动结构部分端面上的凸点与单面磁铁之间的吸附作用带动挡圈与透镜外壳作低频往复转动，进而带动激光聚焦透镜做低频往复转动，激光光束经过低频往复转动的聚焦透镜聚焦后照射到工件上，完成工件的加工。
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