CN109604818B - 一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，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，所述超声换能器与超声波发生器相连；本发明在普通激光加工装置基础上，通过控制超声振动透镜来改变激光聚焦焦点处能量分布，使激光聚焦的焦点由一个平面圆形变为与超声振动振幅成正比，且具有一定弧度的圆角矩形的立体焦点。在超声振动的作用下改变了激光聚焦焦点处的能量分布，弥补被加工材料表面缺陷以及其他因素对焦点位置的影响，从未提高工件表面加工质量。

Description

一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置

技术领域

本发明属于超声振动复合激光加工技术领域，特别是涉及一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置。

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。激光焦点是激光加工技术中的关键参数，在很大程度上，影响工件的加工质量和加工效率。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。激光光束经聚焦透镜聚焦后焦点半径很小，在较高精度的激光加工中对激光重叠率要求较高，从而影响加工效率，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，本发明提供了一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置。特指一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，即是在激光加工装置上嵌入超声振动系统，使聚焦透镜在径向以一定的振幅发生超声振动，从而构成一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，该装置结构简单，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：

一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，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连接板，固定架连接板水平板一端通过螺纹与准直镜另一端固定安装，且固定架连接板与准直镜垂直设置，固定架连接板另一端竖直板通过螺栓与超声换能器一端固定安装，超声换能器通过两个接线柱与超声波发生器相连，所述超声换能器另一端与变幅杆一端相连，变幅杆另一端与聚焦透镜机构相连，且聚焦透镜机构固定在固定架连接板水平板上，所述固定架连接板长度方向对称设置有肋板，且肋板与固定架连接板的竖直板垂直设置。

所述聚焦透镜机构包括聚焦透镜固定底座，聚焦透镜固定底座通过螺栓固定安装在固定架连接板水平板一端，且聚焦透镜固定底座位于准直镜的正下方，所述聚焦透镜固定座上表面对称设置有导轨，导轨上滑动安装有聚焦透镜固定外壳，聚焦透镜固定外壳中部设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过聚焦透镜固定外壳底部的挡圈固定安装在聚焦透镜固定外壳上。

超声换能器包括后端盖和前端盖，所述后端盖与前端盖之间设置有压电堆，压电堆由交替设置的压电陶瓷片和铜电极片组成，所述后端盖和前端盖通过连接柱和螺栓固定安装压紧压电堆，两组铜电极片终端设置有接线柱，所述超声换能器输入端通过两个接线柱与超声波发生器相连。

一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置的使用方法，采用一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，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，激光束通过准直镜后穿过固定架连接板水平板上的圆孔照射到聚焦透镜上；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，超声振动通过变幅杆传递到聚焦透镜固定外壳上，带动聚焦透镜在聚焦透镜固定底座的导轨上以一定的振幅进行超声频率的往复滑动，被聚焦的激光光束形成的焦点由一个平面圆形变为与超声振动振幅成正比且具有一定弧度的圆角矩形的立体焦点照射到工件上，完成工件加工。

本发明的有益效果为：

1、本发明在普通激光加工装置基础上，通过控制超声振动透镜来改变激光聚焦焦点处能量分布，使激光聚焦的焦点由一个平面圆形变为与超声振动振幅成正比，且具有一定弧度的圆角矩形的立体焦点。在超声振动的作用下改变了激光聚焦焦点处的能量分布，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、本发明在普通激光加工装置通过聚焦透镜径向施加超声振动作用使焦点被放大，由于振动频率为超声频率20KHz以上，因此在加工过程中被放大的焦点各处的能量与原焦点处的能量相同。因此可以有效降低激光加工的激光重叠率，可以大幅提高激光抛光加工、激光切割加工、激光焊接等的加工效率。

3、在超声振动透镜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，因此超声振动透镜辅助激光加工可以有效抑制裂纹产生。

4、本专利发明结构简单，易于加工，操作方便，可以集成到任何激光加工装置上，具有极高的复合性能。比各类激光加工具有明显优势。

附图说明

图1为本发明径向超声振动透镜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为普通激光光束聚焦效果与透镜径向超声频率振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-聚焦透镜机构，7-卡子，8-固定架连接板，9-肋板，10-聚焦透镜固定底座，11-导轨，12-聚焦透镜固定外壳，13-聚焦透镜，14-挡圈，15-机床主轴，16-后端盖，17-前端盖，18-压电堆，19-连接柱，20-接线柱。

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1-4所述，一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，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、聚焦透镜机构6和固定架组成，所述激光工作头通过准直镜3、卡子7和内六角螺栓固定在机床主轴15上，所述固定架包括固定架连接板8，固定架连接板8水平板一端通过螺纹与准直镜3另一端固定安装，且固定架连接板8与准直镜3垂直设置，固定架连接板8另一端竖直板通过螺栓与超声换能器4一端固定安装，超声换能器4与超声波发生器2相连，所述超声换能器4另一端与变幅杆5一端相连，径向超声振动透镜辅助激光加工装置的变幅杆5为非中空结构，因为激光束不需要穿过变幅杆5，而是直接通过准直镜3照射到聚焦透镜13上，变幅杆5另一端与聚焦透镜机构6相连，且聚焦透镜机构6固定在固定架连接板8水平板上，所述固定架连接板8长度方向对称设置有肋板9，且肋板9与固定架连接板8的竖直板垂直设置。其中图4(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4(b)为在超声振动作用下使聚焦透镜13发生径向超声频率振动时激光光束聚焦效果，通过聚焦透镜13的折射率计算可以得到聚焦透镜13径向振动对焦点大小形貌的改变。从图4(b)中可以看出，激光光束通过超声频率径向振动的聚焦透镜13所得到的聚焦焦点由原来的圆形平面焦点变为了具有一定弧度的圆角矩形的立体焦点。该焦点的外形大小与超声振动振幅成正比。通过控制圆角矩形的立体焦点可以有效减小激光的重叠率，减小激光加工过程中的热应力，从而提高激光加工效率，并且可以提高加工表面质量及加工精度。

所述聚焦透镜机构6包括聚焦透镜固定底座10，聚焦透镜固定底座10通过螺栓固定安装在固定架连接板8水平板一端，且聚焦透镜固定底座10位于准直镜3的正下方，所述聚焦透镜固定座10上表面对称设置有导轨11，导轨11上滑动安装有聚焦透镜固定外壳12，聚焦透镜固定外壳12中部设置有聚焦透镜13，且聚焦透镜13通过聚焦透镜固定外壳12底部的挡圈14固定安装在聚焦透镜固定外壳12上。

超声换能器4包括后端盖16和前端盖17，所述后端盖16与前端盖17之间设置有压电堆18，压电堆18由交替设置的压电陶瓷片和铜电极片组成，所述后端盖16和前端盖17通过连接柱19和螺栓固定安装压紧压电堆18，两组铜电极片终端设置有接线柱20，所述超声换能器4输入端通过两个接线柱20与超声波发生器2相连。

一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置的使用方法，采用一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，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后穿过固定架连接板8水平板上的圆孔照射到聚焦透镜13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，超声振动通过变幅杆5传递到聚焦透镜固定外壳12上，带动聚焦透镜13在聚焦透镜固定底座10的导轨11上以一定的振幅进行超声频率的往复滑动，被聚焦的激光光束形成的焦点由一个平面圆形变为与超声振动振幅成正比且具有一定弧度的圆角矩形的立体焦点照射到工件上，完成工件加工。

Claims (2)

1.一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，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连接板，固定架连接板水平板一端通过螺纹与准直镜另一端固定安装，且固定架连接板与准直镜垂直设置，固定架连接板另一端竖直板通过螺栓与超声换能器一端固定安装，超声换能器通过两个接线柱与超声波发生器相连，所述超声换能器另一端与变幅杆一端相连，变幅杆另一端与聚焦透镜机构相连，且聚焦透镜机构固定在固定架连接板水平板上，所述固定架连接板长度方向对称设置有肋板，且肋板与固定架连接板的竖直板垂直设置；

所述聚焦透镜机构包括聚焦透镜固定底座，聚焦透镜固定底座通过螺栓固定安装在固定架连接板水平板一端，且聚焦透镜固定底座位于准直镜的正下方，所述聚焦透镜固定底座上表面对称设置有导轨，导轨上滑动安装有聚焦透镜固定外壳，聚焦透镜固定外壳中部设置有聚焦透镜，且聚焦透镜通过聚焦透镜固定外壳底部的挡圈固定安装在聚焦透镜固定外壳上；

超声换能器包括后端盖和前端盖，所述后端盖与前端盖之间设置有压电堆，压电堆由交替设置的压电陶瓷片和铜电极片组成，所述后端盖和前端盖通过连接柱和螺栓固定安装压紧压电堆，两组铜电极片终端设置有接线柱，所述超声换能器输入端通过两个接线柱与超声波发生器相连。

2.一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置的使用方法，采用权利要求1所述的一种径向超声振动透镜辅助激光加工装置，其特征在于，包括以下步骤，

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，激光束通过准直镜后穿过固定架连接板水平板上的圆孔照射到聚焦透镜上；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，超声振动通过变幅杆传递到聚焦透镜固定外壳上，带动聚焦透镜在聚焦透镜固定底座的导轨上以一定的振幅进行超声频率的往复滑动，被聚焦的激光光束形成的焦点由一个平面圆形变为与超声振动振幅成正比且具有一定弧度的圆角矩形的立体焦点照射到工件上，完成工件加工。

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