CN109866028B - 一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法，包括B轴工作台、液槽、激光射流耦合装置、平面镜、平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、支架、C轴卡盘，工作时，在超精密数控机床的控制下，B轴工作台和C轴卡盘可实现绕轴转动及沿轴移动，飞秒激光经聚焦后与射流发生耦合作用并到达工件表面，同时化学溶液与工件已加工表面发生微腐蚀作用并去除表面变质层等缺陷，随后在水射流的作用下将加工及化学反应过程产生的碎屑等杂质清除，提高加工表面质量，结合C轴卡盘及B轴工作台五轴联动，从而完成表面为平面、自由曲面等任意形状工件的三维结构化微细加工，拓展飞秒激光加工工件表面的种类，实现宽范围、高效、高质量加工的目的。

Description

一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法

技术领域

本发明涉及一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

近年来，飞秒激光凭借短脉宽、高分辨率和低热输入等特点在生物医疗、光电信息、机械制造和3D打印等多个领域得到了广泛应用。飞秒激光加工尺寸小、热效应小，加工对象范围广，工艺简单且绿色环保，可用于加工一些难加工的半导体材料及硬脆光学晶体，相对于一些传统加工方法，其分辨率高，热影响区小，可无掩膜加工，可实现材料三维高效、高质量的微细加工。但是空气环境下飞秒激光与固体材料相互作用会在材料表面产生烧蚀碎屑及不规则微纳周期条纹结构，使得烧蚀区及部分未烧蚀区难以获得高表面质量及面形精度。

目前，通过对飞秒激光加工后的工件表面进行化学腐蚀以提高表面质量的方法得到了应用，但是腐蚀时间较长，腐蚀效率较低。而且，目前飞秒激光微细加工以工件表面为平面为主，且表面加工的结构多为孔、线槽等简单三维结构，难以在材料表面实现柱面、非球面或自由曲面等复杂曲面三维结构加工。

发明内容

本发明的目的是为解决飞秒激光加工精度相对不高、难以完成具有复杂表面形貌工件的超精密加工问题，提出一种结构简单、设计制造成本低的射流约束飞秒激光加工系统以及一种能够实现平面、自由曲面、微细结构、曲面阵列等多种工件表面形状与结构加工的方法。

本发明的第一发明目的是提供一种射流约束飞秒激光超精密加工系统，为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种射流约束飞秒激光超精密加工系统，包括B轴工作台、液槽、激光射流耦合装置、平面镜、平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、支架和C轴卡盘；

所述的B轴工作台能绕Y轴转动以及沿Z轴移动，所述的液槽用于放置工件，其固定在B轴工作台上，所述的激光射流耦合装置位于液槽上方并固定在支架上，所述的平面镜、平凸透镜位于激光射流耦合装置内部，其中平凸透镜可聚焦激光光线，平面镜可传输光线并将射流与平凸透镜隔开；所述的激光射流耦合装置的侧壁上开设有供液体流入的第一孔,且第一孔在高度方向上的位置低于平凸透镜；

所述的第二反射镜与外部夹持装置连接固定，所述的第一反射镜可反射激光光线并固定在支架上，所述的支架固定在C轴卡盘上，所述的C轴卡盘与机床连接并可以绕Z轴转动以及沿X轴、Y轴移动，从而实现整个加工系统的五轴联动。

本发明的第二发明目的是提供一种利用上述系统进行射流约束飞秒激光超精密加工方法，具体如下：

将激光射流耦合装置固定在支架上、液槽固定在B轴工作台上、支架固定在C轴卡盘上，C轴卡盘、B轴工作台与超精密数控机床连接并实现绕轴转动及沿轴移动，飞秒激光经平凸透镜聚焦后与从外部射流进来的化学反应液发生耦合作用并到达待加工工件表面，同时溶液与飞秒激光加工后的工件表面发生进一步的化学反应，实现微腐蚀并去除表面变质层等缺陷的目的，并在水射流的作用下将飞秒激光加工及溶液化学反应产生的杂质清除以及带走加工过程中产生的部分热量，随后结合C轴卡盘及B轴工作台五轴联动，从而实现平面、自由曲面、曲面阵列结构等多种工件表面形状与结构的射流约束飞秒激光超精密加工。

进一步的，所述的射流约束飞秒激光加工方法中，通过对数控机床进行加工程序编写，可以控制C轴卡盘及B轴工作台的转动量及移动量，调整加工区域的大小。

进一步的，所述的射流约束飞秒激光加工方法中，激光与射流耦合后到达工件表面并与表面任意一点切平面保持垂直进行加工，即法向加工。

进一步的，通过调节与激光射流耦合装置及液槽开孔相连接的阀门，可以控制液槽内部溶液流动及其深度。

进一步的，加工过程中流入系统的液体为化学试剂溶液，仅在飞秒激光作用下与工件发生反应，即通过该方法，可以实现多种液相环境下平面或自由曲面工件的射流约束飞秒激光超精密加工。

本发明的工作原理和使用方法：

为了解决飞秒激光加工后材料表面由于热影响产生的变质层等缺陷影响表面精度的问题，部分研究者采取了飞秒激光加工工件后进行化学溶液腐蚀的方法提高表面精度，但腐蚀时间长且难以控制腐蚀深度，而且产生的碎屑等杂质会影响溶液与材料的进一步腐蚀作用。

加工方法主要通过飞秒激光加工工件的同时化学溶剂对材料进行微腐蚀作用，并且溶剂通过增压后(未达到材料临界去除压力)对加工过程产生的等离子体气泡施压使其重新作用于工件表面，促进了工件加工表面变质层等缺陷的去除，同时清理了加工及反应过程产生的碎屑等杂质并带走了部分热量，提高了工件的表面质量，结合超精密加工装置C轴卡盘及B轴工作台五轴联动，从而实现平面、自由曲面、曲面阵列结构等多种工件表面形状与形状的射流约束飞秒激光超精密加工。

本发明的有益效果如下：

1在飞秒激光作为入射光线进入加工系统后通过平凸透镜聚焦到工件表面并与表面任一点切平面保持垂直时，利用数控机床编程控制C轴卡盘绕Z轴转动及沿X、Y轴移动和B轴工作台绕Y轴转动及沿Z轴移动，可实现加工系统五轴联动，对平面、自由曲面等多种工件表面形状进行三维结构化微细法向加工，拓展了飞秒激光加工工件表面的种类，实现了宽范围、高效、高质量加工的目的。

2系统加工过程中，飞秒激光作用于工件表面的同时，化学溶剂在激光作用区对加工表面变质层等缺陷产生微腐蚀等作用，减少了后期腐蚀时间，并且溶剂以一定的压力(未达到材料临界去除压力)到达加工表面，促进了变质层等缺陷的去除并清理加工过程产生的碎屑等杂质以及带走部分加工过程中产生的热量，减小热效应对加工过程中的影响，提高工件的表面质量及面形精度，实现射流约束飞秒激光超精密加工。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为射流约束飞秒激光超精密加工系统总体结构图；

图2为射流约束飞秒激光超精密加工系统轴二测视图；

图3为激光射流耦合装置剖视图；

图4为液槽装置剖视图；

图中：1.B轴工作台,2.液槽,3.C轴卡盘,4.支架，5.第一反射镜，6.飞秒激光，7.第二反射镜，8.调整块，9.激光射流耦合装置，10.平凸透镜，11.平面镜，12、工件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

本发明中的“X”“Y”“Z”轴为直线运动轴，“B”“C”轴为旋转运动轴，其旋转轴分别为“Y”“Z”轴。为了方便叙述，本发明中如果出现“X轴”、“Y轴”、“Z轴”“B轴”“C轴”等字样，仅表示与附图本身的所在的坐标一致，并不对结构起限定作用,因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

为解决飞秒激光加工精度相对不高、难以完成具有复杂表面形貌工件的超精密加工问题，提出一种结构简单，设计制造成本低并且能够实现具有任意表面形貌工件加工的射流约束飞秒激光超精密加工系统与方法，利用数控机床编程控制加工系统五轴联动，实现平面、自由曲面、微细结构、曲面结构等多种工件表面形状与结构的射流约束飞秒激光超精密加工。

本发明的工作原理及方法：

当高功率飞秒激光作用液相层下的固体材料时，材料表面及激光束焦点附近的液体介质吸收激光能量，当材料内部晶格达到热力学临界温度时发生爆炸性的破裂，产生高温高压的等离子体而从材料表面脱离，材料发生改性，同时等离子体与在其前沿接触区的液体中发生相变产生空化气泡并在液体的限制下产生冲击波。在液相环境下进行材料的飞秒激光超精密加工，较高的等离子体压力和较长的冲击波持续时间有利于激光脉冲加工，材料结构和应力状态的变化导致材料的表面硬度、疲劳强度等性能得到改善。

同时，在一定的化学溶剂中加工工件时，由于飞秒激光诱导的微爆，将导致工件材料内部微观结构发生改变，当该材料与化学溶剂反应时，这些结构变形比起非致密的工件材料具有更好的化学活性，因而腐蚀速率更高。而且在溶液中加工材料时，样品表面可以被液体冷却，由激光产生的烧蚀物也可以被气泡除去，因此热效应不明显，结构表面更加平滑整洁。

以上述液相环境下飞秒激光加工及化学溶剂腐蚀原理为基础，搭建射流约束飞秒激光超精密加工系统，利用数控机床编程控制加工系统五轴联动，实现平面、自由曲面、微细结构、曲面结构等多种工件表面形状与结构的射流约束飞秒激光超精密加工。

实施例1

本实施例是本发明提供的一种定型实施方式，如图1、图2所示，包括B轴工作台1、液槽2、激光射流耦合装置9、平面镜11、平凸透镜10、调整块8、第一反射镜5、第二反射镜7、支架4和C轴卡盘3。

所述的B轴工作台1与机床连接并可以绕Y轴转动以及沿Z轴移动，所述的液槽2固定在B轴工作台1上，所述的激光射流耦合装置9位于液槽2上方并固定在支架4上。

平面镜11、平凸透镜10位于激光射流耦合装置9内部，并通过调整块8在激光射流耦合装置9内部阶梯型结构固定，其中平凸透镜10可聚焦飞秒激光光线，平面镜11可传输光线并将射流与平凸透镜10隔开；平凸透镜10位于平面镜11的上方，具体的结构可以参见图3；在图3中，平面镜11固定在激光射流耦合装置9内部侧壁的凸台上，且通过下方的调节块8压紧；平凸透镜10直接黏贴在上方的调节块8底部，调节块8固定在激光射流耦合装置9的侧壁上。

所述的第二反射镜7与外部夹持装置连接固定，所述的第一反射镜5可反射飞秒激光6光线并固定在支架4上，所述的支架4固定在C轴卡盘3上，所述的C轴卡盘3与机床、激光射流耦合装置9连接，C轴卡盘3并可以绕Z轴转动以及沿X、Y轴移动；一般情况下，绕Z轴的转动角度在±30°范围之内。

本发明在飞秒激光作为入射光线进入加工系统并通过平凸透镜聚焦到工件表面法线方向时，通过数控机床编程控制C轴卡盘绕Z轴转动及沿X、Y轴移动和B轴工作台绕Y轴转动及沿Z轴移动，可实现加工系统五轴联动，对平面、自由曲面等多种工件表面形状进行三维结构化微细加工，拓展了飞秒激光加工工件表面的种类，实现了宽范围、高效、高质量加工的目的。

进一步的，在数控机床的作用下，B轴工作台4可以绕Y轴转动以及沿Z轴移动和C轴卡盘3可以绕Z轴转动以及沿X、Y轴移动，从而实现整个加工系统的五轴联动。

进一步的，所述的激光射流耦合装置9一侧开有供液体流入的第一孔，此处的液体为化学试剂溶液，第一孔与相关管路及阀门连接，通过控制阀门的大小，可以控制液体的流速，且第一孔在侧壁上的位置低于平面镜所在的位置。

进一步的，所述的液槽2两侧开有供液体流出的第二孔，两个第二孔均与相关管路及阀门连接；当然不难理解的，在其他实施例中，这里的第二孔的个数不限于两个，还可以是一个、三个、四个、五个或者更多，具体的数量根据实际需要进行设置。

进一步的，所述的第一反射镜5、第二反射镜7与X轴所在的平面成45°夹角放置，第一反射镜5、第二反射镜7的作用主要是将飞秒激光进行反射后，进入到激光射流耦合装置内。

实施例2

本实施例提供了一种射流约束飞秒激光超精密加工方法，将激光射流耦合装置9固定在支架4上、液槽2固定在B轴工作台1上、支架4固定在C轴卡盘3上，C轴卡盘3、B轴工作台1与超精密数控机床连接并实现绕轴转动及沿轴移动，飞秒激光经平凸透镜10聚焦后与射流发生耦合作用并到达待加工工件12表面，同时溶液与飞秒激光6加工后的工件12表面发生进一步的化学反应，实现微腐蚀并去除表面变质层等缺陷的目的，并在水射流的作用下将飞秒激光加工及溶液化学反应产生的碎屑等杂质清除以及带走加工过程中产生的部分热量，随后结合C轴卡盘3及B轴工作台1五轴联动，实现平面、自由曲面、微细结构、曲面阵列结构等多种工件表面形状与结构的射流约束飞秒激光超精密加工。

进一步的，所述的射流约束飞秒激光加工方法中，通过对数控机床进行加工程序编写，可以控制C轴卡盘3及B轴工作台1的转动量及移动量，调整加工区域的大小。

进一步的，所述的射流约束飞秒激光加工方法中，激光与射流耦合后到达工件表面并与表面任意一点切平面保持垂直进行加工，即法向加工。

进一步的，通过调节与激光射流耦合装置9的第一开孔相连接的阀门以及液槽2的第二开孔相连接的阀门，可以控制液槽2内部溶液流动及其深度。

进一步的，工件表面可以是平面或者自由曲面，加工过程中流入系统的液体为化学试剂溶液，仅在飞秒激光作用下与工件发生反应，即通过该方法，可以实现多种液相环境下平面或自由曲面工件的射流约束飞秒激光超精密加工。

为了使本发明的射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法描述更加清晰，下面结合具体的工作过程做进一步的叙述：

工作时，首先将平面镜11及平凸透镜10通过调整块8和激光射流耦合装置9内部阶梯形结构固定在激光射流耦合装置9内部，第二反射镜7与外部夹持装置连接固定，第一反射镜5固定在支架上并与X轴所在的平面成45°夹角，将激光射流耦合装置9固定在支架4上，并将支架4及液槽2分别固定在C轴卡盘3及B轴工作台1上，然后将工件12固定在液槽2底部，由激光射流耦合装置9右侧开孔接入液体并在液槽2中保持一定的高度以及处于流动状态，之后飞秒激光6通过平凸透镜10聚焦到工件12的表面并与表面任一点切平面保持垂直，在数控机床的控制下，激光射流耦合装置9可以绕Z轴转动及沿X、Y轴移动并能够带动第一反射镜5、飞秒激光6光线做相同的运动，液槽2可以绕Y轴转动及沿Z轴移动并能带动工件12做相同的运动，实现平面、自由曲面、微细结构、曲面阵列结构等多种工件表面形状与结构的射流约束飞秒激光超精密加工。

本发明中的飞秒激光作用于工件表面的同时，化学溶剂在激光作用区对加工表面变质层等缺陷产生微腐蚀等作用，减少了后期腐蚀时间，并且溶剂以一定的压力(未达到材料临街去除压力)到达加工表面，促进了变质层等缺陷的去除并清理加工过程产生的碎屑等杂质以及带走部分加工过程中产生的热量，减小热效应对加工过程中的影响，提高工件的表面质量及面形精度，实现射流约束飞秒激光超精密加工。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种射流约束飞秒激光超精密加工系统，其特征在于，包括B轴工作台、液槽、激光射流耦合装置、平面镜、平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、支架和C轴卡盘；

所述的B轴工作台能绕Y轴转动以及沿Z轴移动，所述的液槽用于放置工件，其固定在B轴工作台上，所述的激光射流耦合装置位于液槽上方并固定在支架上，所述的平面镜、平凸透镜位于激光射流耦合装置内部，其中平凸透镜可聚焦激光光线，平面镜可传输光线并将射流与平凸透镜隔开；所述的激光射流耦合装置的侧壁上开设有供液体流入的第一孔,且第一孔在高度方向上的位置低于平凸透镜；所述的第二反射镜与外部夹持装置连接固定，所述的第一反射镜可反射激光光线并固定在支架上，所述的支架固定在C轴卡盘上，所述的C轴卡盘可绕Z轴转动以及沿X轴、Y轴移动，从而实现整个加工系统的五轴联动；

所述液槽内承载有化学试剂溶液，仅在飞秒激光作用下与工件发生反应。

2.如权利要求1所述的射流约束飞秒激光超精密加工系统，其特征在于，所述的第一孔与第一管路相连，在所述的第一管路上设有阀门。

3.如权利要求2所述的射流约束飞秒激光超精密加工系统，其特征在于，所述液槽的侧壁上开设有供液体流出的第二孔，所述第二孔与第二管路相连，在所述的第二管路上设有阀门；

所述的第二孔设置两个，对称的设置在所述液槽的侧壁上。

4.如权利要求1所述的射流约束飞秒激光超精密加工系统，其特征在于，所述的第一反射镜、第二反射镜与X轴所在的平面成45°夹角放置。

5.如权利要求1所述的射流约束飞秒激光超精密加工系统，其特征在于，所述的平凸透镜和平面镜均通过调整块和激光射流耦合装置内部阶梯型结构固定。

6.一种射流约束飞秒激光超精密加工方法，利用如权利要求3所述的射流约束飞秒激光超精密加工系统，其特征在于，如下：

步骤1将激光射流耦合装置固定在支架上、工件固定在液槽内、液槽固定在B轴工作台上、支架固定在C轴卡盘上；

步骤2飞秒激光经平凸透镜聚焦后与射流发生耦合作用并到达待加工工件表面，从而达到工件表面材料去除的目的；

步骤3溶液与飞秒激光加工后的工件表面发生进一步的化学反应，实现微腐蚀并去除表面变质层缺陷的目的，并在水射流的作用下将飞秒激光加工及溶液化学反应产生的碎屑杂质清除以及带走加工过程中产生的部分热量；

步骤4结合C轴卡盘及B轴工作台五轴联动，从而实现平面、自由曲面、微细结构、曲面阵列结构多种工件表面形状与结构的射流约束飞秒激光超精密加工；加工过程中流入系统的液体为化学试剂溶液，仅在飞秒激光作用下与工件发生反应。

7.如权利要求6所述的一种射流约束飞秒激光超精密加工方法，其特征在于，通过对数控机床进行加工程序编写，可控制C轴卡盘及B轴工作台的转动量及移动量，调整加工区域的大小。

8.如权利要求6所述的一种射流约束飞秒激光超精密加工方法，其特征在于，通过调节与激光射流耦合装置的第一孔相连接的阀门以及与液槽的第二孔相连接的阀门，可控制液槽内部溶液流动及其深度。

9.如权利要求6所述的一种射流约束飞秒激光超精密加工方法，其特征在于，激光与射流耦合后到达工件表面并与表面任意一点切平面保持垂直进行加工，即法向加工。

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