CN109604817A - 一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，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、聚焦透镜微转动机构和固定架组成，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，所述固定架包括固定架底板，固定架底板上表面中部设置有聚焦透镜微转动机构，所述聚焦透镜微转动机构顶部与变幅杆一端，变幅杆另一端与超声换能器的下盖板螺接，所述固定架底板通过四个连接柱与超声换能器上盖板固定安装。本发明通过控制超声振动振幅和旋转轴套对激光聚焦透镜形成的梯形柱体焦点的大小进行微调，实现可微调焦点外形尺寸的激光加工装置。

Description

一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置

技术领域

本发明属于超声振动复合激光加工技术领域，特别是涉及一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置。

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，通过透镜，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；激光加工中核心要素就是激光聚焦的焦点，现有的技术手段无法准确的对激光焦点位置进行测量，只能估测焦点位置，激光聚焦的焦点处能量最高，因此激光加工一般都要用这个位置来加工，但是这个位置很难被确定，同时由于激光加工中热应力的产生，使加工表面产生裂纹，影响工件表面质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，即是在激光加工装置上嵌入超声振动系统，使聚焦透镜绕着其径向的轴线以一定的振幅发生超声频率的微转动，从而构成一种超声振动透镜微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微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超声振动透镜微转动辅助激光加工，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：

一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，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、聚焦透镜微转动机构和固定架组成，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，所述固定架包括固定架底板，固定架底板上表面中部设置有聚焦透镜微转动机构，所述聚焦透镜微转动机构顶部与变幅杆一端，变幅杆另一端与超声换能器的下盖板螺接，所述固定架底板通过四个连接柱与超声换能器上盖板固定安装。

所述超声换能器包括下盖板和上盖板，下盖板上表面中部设置有压电堆，且压电堆由交替布置的压电陶瓷片和铜电极片组成，下盖板上表面通过六个连接杆和螺栓与上盖板固定安装，其中两组铜电极片分别与两个接线柱一端相连，两个接线柱另一端与超声波发生器相连。

所述聚焦透镜微转动机构包括聚焦透镜固定外壳、内肋板、摩擦块和轴套，所述内肋板位于轴套内，且内肋板凸台与轴套的凹槽配合，内肋板与变幅杆螺纹连接，两个中心对称的摩擦块一端通过销轴与内肋板转动安装，两个摩擦块靠近外圆处与内肋板之间均设置有弹簧，所述轴套下表面设置有振动接触头，所述聚焦透镜固定外壳中心处设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过挡圈固定在聚焦透镜外壳下表面上，所述聚焦透镜固定外壳上表面设置有单面电磁铁，且振动接触头的球形头与单面电磁铁呈点接触，所述单面电磁铁通过底盖板和螺钉固定在聚焦透镜固定外壳上表面上，所述聚焦透镜固定外壳伸出的两个短轴通过高精度无间隙轴承和轴承卡子固定到固定架底板上。

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的。

所述压电陶瓷片和铜电极片都为圆环型，所述上盖板和下盖板上开设有通孔，且通孔的轴线与上盖板和下盖板的轴线重合。

一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，包括以下步骤，

步骤1，激光发生器工作产生激光束，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化为机械振动，通过变幅杆对振幅进行放大，超声振动传递到振动接触头上，振动接触头与单面电磁铁通过磁性作用点接触，将带动聚焦透镜固定外壳从而带动聚焦透镜绕着轴线发生超声频率的微转动，被聚焦的激光光束形成的圆形平面焦点将变为与振幅成正比的梯形柱体立体焦点照射到工件上；

步骤2，通过旋转轴套可以调整振动接触头对聚焦透镜固定外壳的作用位置，从而与超声波发生器振幅进行复合，更加细化精确调整聚焦透镜的微转动量，调节完成后，对机床工作台上的工件进行加工。

本发明的有益效果为：

1、本发明在超声振动的作用下改变了激光聚焦焦点处的能量分布，因此弥补了被加工材料表面缺陷以及其他因素对焦点位置的影响，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、本发明可以通过控制超声振动振幅和旋转轴套对激光聚焦透镜形成的梯形柱体焦点的大小进行微调，实现可微调焦点外形尺寸的激光加工装置。

3、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超声振动透镜微转动辅助激光加工装置。

4、在超声振动透镜微转动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，因此超声振动透镜微转动辅助激光加工可以有效抑制裂纹产生。

附图说明

图1为本发明的超声振动透镜微转动辅助激光加工装置的三维结构示意图；

图2为激光工作头结构三维示意图；

图3为激光工作头结构主视图；

图4为聚焦透镜微转动机构示意图；

图5为聚焦透镜微转动机构仰视图；

图6为变幅杆结构剖视图；

图7为内肋板三维结构示意图；

图8为普通激光光束聚焦效果与超声振动透镜微转动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-聚焦透镜微转动机构，7-轴承卡子，8-卡子，9-机床主轴，10-固定架底板，11-连接柱，12-下盖板，13-上盖板，14-压电堆，15-压电陶瓷片，16-铜电极片，17-连接杆，18-接线柱，19-聚焦透镜固定外壳，20-内肋板，21-摩擦块，22-轴套，23-弹簧，24-振动接触头，25-聚焦透镜，26-挡圈，27-单面电磁铁，28-底盖板，29-高精度无间隙轴承。

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2和图8所示，一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，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，所述激光工作头包括准直镜3、超声换能器4、变幅杆5、聚焦透镜微转动机构6和固定架组成，所述激光工作头通过准直镜3、卡子8和内六角螺栓固定在机床主轴9上，所述固定架包括固定架底板10，固定架底板10上表面中部设置有聚焦透镜微转动机构6，所述聚焦透镜微转动机构6顶部与变幅杆5一端，变幅杆5另一端与超声换能器4的下盖板12螺接，所述固定架底板10通过四个连接柱11与超声换能器4的上盖板13固定安装。

如图3所示，所述超声换能器4包括下盖板12和上盖板13，下盖板12上表面中部设置有压电堆14，且压电堆14由交替布置的压电陶瓷片15和铜电极片16组成，下盖板12上表面通过六个连接杆17和螺栓与上盖板13固定安装，其中两组铜电极片16分别与两个接线柱18一端相连，两个接线柱18另一端与超声波发生器2相连。

如图4、图5和图7所示，所述聚焦透镜微转动机构6包括聚焦透镜固定外壳19、内肋板20、摩擦块21和轴套22，所述内肋板20位于轴套22内，且内肋板20凸台与轴套22的凹槽配合，内肋板20与变幅杆5输出端螺纹连接，两个中心对称的摩擦块21一端通过销轴与内肋板20转动安装，两个摩擦块21靠近外圆处与内肋板20之间均设置有弹簧23，在弹簧23的作用下使摩擦块21与轴套22的内壁之间产生摩擦实现固定，摩擦块21设置为斜扇形，便于实现轴套22沿一个方向连续可调的旋转，所述轴套22下表面设置有振动接触头24，振动接触头24的末端为球形头，材料为导磁性材料45号钢，所述聚焦透镜固定外壳19中心处设置有聚焦透镜25，且聚焦透镜25通过挡圈26固定在聚焦透镜外壳19下表面上，所述聚焦透镜固定外壳19上表面设置有单面电磁铁27，且振动接触头24的球形头与单面电磁铁27通过磁力呈点接触连接，点接触连接在进行超声振动微转动时，聚焦透镜25的转动不会与振动接触头24和单面电磁铁27之间的点接触产生干涉，所述单面电磁铁27通过底盖板28和螺钉固定在聚焦透镜固定外壳19上表面上，所述聚焦透镜固定外壳19伸出的两个短轴通过高精度无间隙轴承29和轴承卡子7固定到固定架底板10上，单面电磁铁27具有一面磁力超强另一面磁力很弱的特性，并且聚焦透镜固定外壳19通过高精度无间隙轴承29与固定架底板10相连，通过磁力连接的聚焦透镜25在超声振动作用下会一直保持可靠连接；聚焦透镜固定外壳19上部分结构采用摩擦力制动的方式，使振动接触头24在圆周上的位置可以进行连续可调的机构，从而与调整超声波发生器2振幅进行复合，更加细化精确调整聚焦透镜24的微转动量，且聚焦透镜24产生绕轴线发生超声频率的微转动时，激光光束通过聚焦透镜24聚焦后将不再是一个平面上的圆形焦点，而是形成立体的焦点，其外形为与超声振动振幅成正比的梯形柱体。

如图6所示，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。

所述压电陶瓷片15和铜电极片16都为圆环型，所述上盖板13和下盖板12上开设有通孔，且通孔的轴线与上盖板13和下盖板12的轴线重合，压电陶瓷片15、铜电极片16、上盖13和下盖板12的通孔直径可以根据超声振动的输出振型和激光直径大小来确定。

其中图8(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8(b)为在超声振动作用下使聚焦透镜发生超声频率微转动时激光光束聚焦效果，通过聚焦透镜25的折射率计算可以得到聚焦透镜微转动对焦点位置的改变。从图8(b)中可以看出，激光光束通过超声频率微转动的聚焦透镜25所得到的聚焦焦点由原来的圆形平面焦点变为了梯形柱体的立体焦点。该立体焦点的大小与超声振动振幅成正比。通过控制梯形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。

一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置的使用方法，采用一种超声振动透镜微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工作产生激光束，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25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将电信号转化为机械振动，通过变幅杆5对振幅进行放大，超声振动传递到振动接触头24上，振动接触头24与单面电磁铁27通过磁性作用点接触，将带动聚焦透镜固定外壳19从而带动聚焦透镜25绕着轴线发生超声频率的微转动，被聚焦的激光光束形成的焦点将变为与振幅成正比的梯形柱体照射到工件上；

步骤2，通过旋转轴套22可以调整振动接触头24对聚焦透镜固定外壳19的作用位置，从而与超声波发生器2振幅进行复合，更加细化精确调整聚焦透镜25的微转动量，调节完成后，对机床工作台上的工件进行加工。

Claims (6)

1.一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，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、聚焦透镜微转动机构和固定架组成，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，所述固定架包括固定架底板，固定架底板上表面中部设置有聚焦透镜微转动机构，所述聚焦透镜微转动机构顶部与变幅杆一端，变幅杆另一端与超声换能器的下盖板螺接，所述固定架底板通过四个连接柱与超声换能器上盖板固定安装。

2.根据权利要求1所述的一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，其特征在于：所述超声换能器包括下盖板和上盖板，下盖板上表面中部设置有压电堆，且压电堆由交替布置的压电陶瓷片和铜电极片组成，下盖板上表面通过六个连接杆和螺栓与上盖板固定安装，其中两组铜电极片分别与两个接线柱一端相连，两个接线柱另一端与超声波发生器相连。

3.根据权利要求1所述的一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，其特征在于：所述聚焦透镜微转动机构包括聚焦透镜固定外壳、内肋板、摩擦块和轴套，所述内肋板位于轴套内，且内肋板凸台与轴套的凹槽配合，内肋板与变幅杆螺纹连接，两个中心对称的摩擦块一端通过销轴与内肋板转动安装，两个摩擦块靠近外圆处与内肋板之间均设置有弹簧，所述轴套下表面设置有振动接触头，所述聚焦透镜固定外壳中心处设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过挡圈固定在聚焦透镜外壳下表面上，所述聚焦透镜固定外壳上表面设置有单面电磁铁，且振动接触头的球形头与单面电磁铁呈点接触，所述单面电磁铁通过底盖板和螺钉固定在聚焦透镜固定外壳上表面上，所述聚焦透镜固定外壳伸出的两个短轴通过高精度无间隙轴承和轴承卡子固定到固定架底板上。

4.根据权利要求1所述的一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，其特征在于：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的。

5.根据权利要求2所述的一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，其特征在于：所述压电陶瓷片和铜电极片都为圆环型，所述上盖板和下盖板上开设有通孔，且通孔的轴线与上盖板和下盖板的轴线重合。

6.一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置的使用方法，采用权利要求1所述的一种超声振动透镜微转动辅助激光加工装置，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，激光发生器工作产生激光束，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化为机械振动，通过变幅杆对振幅进行放大，超声振动传递到振动接触头上，振动接触头与单面电磁铁通过磁性作用点接触，将带动聚焦透镜固定外壳从而带动聚焦透镜绕着轴线发生超声频率的微转动，被聚焦的激光光束形成的圆形平面焦点将变为与振幅成正比的梯形柱体立体焦点照射到工件上；

步骤2，通过旋转轴套可以调整振动接触头对聚焦透镜固定外壳的作用位置，从而与超声波发生器振幅进行复合，更加细化精确调整聚焦透镜的微转动量，调节完成后，对机床工作台上的工件进行加工。