CN109604816B - 一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置 - Google Patents

一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109604816B
CN109604816B CN201811504602.5A CN201811504602A CN109604816B CN 109604816 B CN109604816 B CN 109604816B CN 201811504602 A CN201811504602 A CN 201811504602A CN 109604816 B CN109604816 B CN 109604816B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
laser
vibration
focusing
end cover
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201811504602.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109604816A (zh
Inventor
邹平
吴昊
王文杰
康迪
赵海东
沈诚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeastern University China
Original Assignee
Northeastern University China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeastern University China filed Critical Northeastern University China
Priority to CN201811504602.5A priority Critical patent/CN109604816B/zh
Publication of CN109604816A publication Critical patent/CN109604816A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109604816B publication Critical patent/CN109604816B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

一种透镜径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；本发明在聚焦透镜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。

Description

一种透镜径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，特别涉及一种透镜径向低频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径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，使聚焦透镜在径向以一定的振幅发生低频振动，从而构成的一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置，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。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种透镜径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。
所述聚焦透镜机构包括L型支架，聚焦透镜机构通过L型支架与准直镜螺接，所述L型支架长板上开设有方形孔，所述L型支架长板外端面通过螺栓与前端盖静结构部分一端固定安装，前端盖动结构部分一端设置有压电堆，且前端盖静结构部分另一端通过螺栓与后端盖固定安装夹紧压电堆，压电堆通过接线柱与振动发生器输出端相连，所述前端盖动结构部分另一端贯穿方形孔与透镜伸长筒一端螺接，且透镜伸长筒轴线与准直镜轴线重合，所述透镜伸长筒另一端螺接有透镜外壳，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。
一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置，包括以下步骤，
步骤1，激光发生器产生的激光经光纤传递至光纤输出端子并产生激光光束，该激光光束穿过准直镜、L型支架、前端盖、透镜伸长筒以及透镜外壳照射到聚焦透镜上；同时振动发生器产生低频电振荡信号传递至压电堆后，压电堆的压电陶瓷通过逆压电效应产生径向低频机械振动，该振动经前端盖的动结构部分传递至透镜伸长筒，并带动透镜外壳以及其内部的聚焦透镜做径向低频振动，激光光束经径向低频振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，形成聚焦透镜径向低频振动辅助激光工作头。在聚焦透镜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、本发明所选聚焦透镜的径向振动频率属于低频频段(<6kHz)。其有利于与进给速度、振幅以及重叠率等参数配合以实现不同的加工效果。在加工过程中，聚焦焦点随聚焦透镜作低频径向振动，当聚焦焦点径向振幅相比与激光重叠率和聚焦焦点直径较小时，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；当激光聚焦焦点径向振幅相比与激光重叠率与聚焦焦点直径较大时，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连续且深度一致的微沟槽，微沟槽形状为“波浪”形。通过控制激光加工参数(如振动振幅、进给速度等)可调节微沟槽的形状、深度等，使加工后工件表面性能得到提升，如减少摩擦和磨损等。
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径向低频振动辅助激光加工装置。
附图说明
图1为本发明的透镜径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-准直镜，4-夹具，5-机床主轴，6-L型支架，7-方形孔，8-前端盖，9-压电堆，10-后端盖，11-透镜伸长筒，12-透镜外壳，13-聚焦透镜，14-挡圈，15-保护镜片，16-光纤输出端子。
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，一种透镜径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16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，所述激光工作头通过准直镜3、夹具4和螺栓固定安装在机床主轴5上，所述准直镜3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。
所述聚焦透镜机构包括L型支架6，聚焦透镜机构通过L型支架6与准直镜3螺接，所述L型支架6长板上开设有方形孔7，方形孔7使前端盖8与透镜伸长筒11相连的结构可以伸入L型支架6内，与准直镜3同心，确保聚焦透镜13可以准确对焦，所述L型支架6长板外端面通过螺栓与前端盖8静结构部分一端固定安装，前端盖8动结构部分一端设置有压电堆9，且前端盖8静结构部分另一端通过螺栓与后端盖10固定安装夹紧压电堆9，压电堆9通过接线柱与振动发生器2输出端相连，所述前端盖8动结构部分另一端贯穿方形孔7与透镜伸长筒11一端螺接，透镜伸长筒11的作用是确保激光经聚焦透镜13聚焦后的焦点在整个振动辅助激光工作头的下方，防止前端盖8伸出保护镜片15的部分与工件干涉，影响加工过程，且透镜伸长筒11轴线与准直镜3轴线重合，所述透镜伸长筒11另一端螺接有透镜外壳12，透镜外壳12另一端设置有聚焦透镜13，且聚焦透镜13通过挡圈14和保护镜片15固定安装在透镜外壳12上，通过挡圈14和保护镜片15的设置防止聚焦透镜13产生轴向与径向相对位移，前端盖8可以在确保聚焦透镜13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，提高聚焦透镜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发生径向低频振动时激光光束聚焦效果，激光光束通过低频径向振动的聚焦透镜13聚焦后，形成的聚焦焦点可跟随聚焦透镜13做低频径向振动，振动振幅与聚焦透镜13性能参数及其振幅有关。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。
一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种透镜径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产生的激光经光纤传递至光纤输出端子16并产生激光光束，该激光光束穿过准直镜3、L型支架6、前端盖8、透镜伸长筒11以及透镜外壳12照射到聚焦透镜13上；同时振动发生器2产生低频电振荡信号传递至压电堆9后，压电堆9上的压电陶瓷通过逆压电效应产生径向低频机械振动，该振动经前端盖8的动结构部分传递至透镜伸长筒11，并带动透镜外壳12以及其内部的聚焦透镜13做径向低频振动，激光光束经径向低频振动的聚焦透镜13聚焦后照射到工件上，完成工件的加工。

Claims (2)

1.一种透镜径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；
聚焦透镜机构包括L型支架，聚焦透镜机构通过L型支架与准直镜螺接，所述L型支架长板上开设有方形孔，所述L型支架长板外端面通过螺栓与前端盖静结构部分一端固定安装，前端盖动结构部分一端设置有压电堆，且前端盖静结构部分另一端通过螺栓与后端盖固定安装夹紧压电堆，压电堆通过接线柱与振动发生器输出端相连，所述前端盖动结构部分另一端贯穿方形孔与透镜伸长筒一端螺接，且透镜伸长筒轴线与准直镜轴线重合，所述透镜伸长筒另一端螺接有透镜外壳，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，通过前端盖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。
2.一种透镜径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所述一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置，其特征在于，包括以下步骤，
激光发生器产生的激光经光纤传递至光纤输出端子并产生激光光束，该激光光束穿过准直镜、L型支架、前端盖、透镜伸长筒以及透镜外壳照射到聚焦透镜上；同时振动发生器产生低频电振荡信号传递至压电堆后，压电堆的压电陶瓷通过逆压电效应产生径向低频机械振动，该振动经前端盖的动结构部分传递至透镜伸长筒，并带动透镜外壳以及其内部的聚焦透镜做径向低频振动，激光光束经径向低频振动的聚焦透镜聚焦后照射到工件上，完成工件的加工。
CN201811504602.5A 2018-12-10 2018-12-10 一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置 Expired - Fee Related CN109604816B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811504602.5A CN109604816B (zh) 2018-12-10 2018-12-10 一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811504602.5A CN109604816B (zh) 2018-12-10 2018-12-10 一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109604816A CN109604816A (zh) 2019-04-12
CN109604816B true CN109604816B (zh) 2020-12-15

Family

ID=66007705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811504602.5A Expired - Fee Related CN109604816B (zh) 2018-12-10 2018-12-10 一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109604816B (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02142693A (ja) * 1988-11-21 1990-05-31 Mitsubishi Electric Corp ビームスキャニング装置
JP2003251484A (ja) * 2002-03-01 2003-09-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置
CN1541800A (zh) * 2003-04-30 2004-11-03 蔡良贤 颤动激光切割装置及方法
CN203679942U (zh) * 2014-01-28 2014-07-02 中国地质大学（武汉） 一种超声辅助抛光加工装置
CN104451673B (zh) * 2015-01-14 2017-02-01 中国石油大学(华东) 一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法
CN105414748B (zh) * 2015-12-09 2017-03-01 北京工业大学 一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109604816A (zh) 2019-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111070433B (zh) 一种多场辅助的金刚石切削设备
CN111069767B (zh) 一种超声振动微激光辅助复合单点金刚石切削加工系统
CN101942547B (zh) 超声椭圆振动挤压装置及用其进行零件表面光整的振动挤压加工方法
CN109648215B (zh) 一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置
CN109530911B (zh) 一种轴向超声振动透镜辅助激光加工装置
CN113649686B (zh) 一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置
Lin et al. Development of a non-resonant 3D elliptical vibration cutting apparatus for diamond turning
CN110802229B (zh) 一种金属增材制造过程中细化组织晶粒的装置与方法
CN110449995B (zh) 一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置及方法
JP2024535394A (ja) レーザ・超音波の同期補助切削システム
CN110625401B (zh) 一种激光诱导材料耦合反应下的加工装置及方法
CN109604814B (zh) 一种透镜轴向低频振动辅助激光加工装置
CN109604817A (zh) 一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置
CN108161052A (zh) 磁场辅助外圆车削设备
CN112024991B (zh) 一种热弹激励-超声冲击协同切削系统及方法
CN113500711B (zh) 一种高精度复合能场辅助切削及光整设备及方法
JP2008510631A (ja) 超音波振動アシスト型加工装置
CN108838747A (zh) 一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统
CN114406463A (zh) 超高强度钢随焊超声辅助激光焊接系统及方法
CN108032222B (zh) 一种砂轮双激光修整装置及修整方法
CN104259288B (zh) 一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置及方法
CN109604816B (zh) 一种透镜径向低频振动辅助激光加工装置
CN109604815B (zh) 一种透镜低频往复转动辅助激光加工装置
CN108381304A (zh) 一种基于球壳压电换能器的超声聚焦流体振动抛光方法
CN208357838U (zh) 一种磁场辅助外圆车削设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20201215

Termination date: 20211210