CN111299868A - 激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金刚石机械刻划衍射光栅技术领域，具体为一种激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，通过金刚石尖劈式刻刀焊接工艺的创新设计，在不影响原先刀架和刀座结构的情况下，实现原位辅助激光透金刚石尖劈式刻刀刀尖的原位作用，保证对刀面和槽面接触区域的法向入射，激光束在金刚石内部传输过程中无需折射，原位激光辅助能量对“刀面‑材料”接触区域的耦合热力作用更有效、更直接，能量损失少，能够对槽面铝膜滞留区的表面及内部进行有效改性；天然金刚石颗粒的刃磨和相对于刀柄的定位、钎焊、组装更加方便和简洁。

Description

激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统
技术领域
本发明涉及金刚石机械刻划衍射光栅技术领域，具体为一种激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统。
背景技术
激光原位辅助加工可以在不受外围的切削冷却液、润滑液或切屑干扰的情况下，直达刀具与被加工材料内部进行激光能量的辅助作用，这样的能量作用直接有效，损失较小。目前，以天然金刚石刀具中的金刚石颗粒作为光学介质，透过空心导杆进行激光原位辅助的方式已经出现，如透过金刚石车刀导杆进行的激光原位辅助车削、透过金刚石圆锥压头导杆的激光原位辅助印压等。但是这些透过刀具导杆的方式会降低导杆的夹持刚度，给刀具结构设计、光学系统导光设计和具体实现带来诸多不便和挑战，而且具体能否可行要根据具体加工方式和金刚石刀具几何形状的通光特点来决定。有些加工方式和金刚石刀具几何形状则不适宜采用透过导杆的激光原位辅助加工方式，如透过金刚石尖劈式刻刀的激光原位辅助机械刻划会对刀具中钎焊在刀座里面的金刚石颗粒上通光面兼定位安装面提出较高的刃磨质量要求和刀具钎焊组装要求，不易实现。
发明内容
本发明针对金刚石尖劈式刻刀机械刻划中阶梯光栅过程中铝膜槽面、尤其是滞留区的改性需求，根据金刚石尖劈式刻刀(刀尖为三棱锥形)的几何结构特点，提出了一种斜轴输入的激光原位辅助金刚石尖劈式刻刀机械刻划中阶梯光栅的光学系统，在不影响原先刀架和刀座结构的情况下，实现原位辅助激光透金刚石尖劈式刻刀刀尖的原位作用，保证对刀面和槽面接触区域的法向入射，激光束在金刚石内部传输过程中无需折射，原位激光辅助能量对“刀面-材料”接触区域的耦合热力作用更有效、更直接，能量损失少。
解决上述技术问题的技术方案如下：
激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，包括以下步骤：
S1：根据刻划工艺要求，选用透光效果好的优质原石如天然金刚石，刃磨八面体尖劈式刻刀刀头：
首先刃磨定向面、非定向面、倒角面1和倒角面2，刃磨出与定向面平行的A面，定向面和A面间距为非定向面的面长，再刃磨出与非定向面平行的B面，非定向面和B面间距为定向面的面长，在A面和B面两端刃分别磨出与A面、B面交线垂直的三角面，分别为C面和D面，将C面作为刀柄的钎焊面，将D面作为刀柄的安装定位面；
S2：将S1步骤刃磨好的金刚石尖劈式刻刀刀头通过三角面C面和D面与中空槽刀柄实现准确钎焊和安装定位，制作成直线刃刻刀；
S3：激光器光学系统横轴设计：
激光器输出光束首先通过扩束镜组实现扩束，扩束后通过精密可调三角光阑的三角扩束光再由缩束镜组实现缩束，并通过平面可调反射镜实现对光束的角度变换，以获得对金刚石刀头A面的法向入射，通过金刚石尖劈式刻刀刀头的透射，直接法向作用在刻刀刻划的中阶梯光栅槽面上的三角形接触区，所述的三角形接触区为刀面和铝膜材料形成的三角形接触区；同理，获得对金刚石刀头B面的法向入射。
所述的精密可调三角光阑经扩束镜组、缩束镜组和平面可调反射镜的原位辅助激光光束能准确覆盖中阶梯光栅槽面上的三角形接触区形状和大小，相关的调节工艺应符合光学成像原理。
所述的扩束以实现水平传输光路上的精密可调三角光阑便于调制。
所述的刻刀刻划的中阶梯光栅的槽顶角为90°。
所述的法向入射是通过精密可调三角光阑对位置、角度和形状的调节实现对铝膜材料滞留三角区域进行法向入射。
进一步地说，所述的精密可调三角光阑包括左档杆、右档杆和横杆，所述的左档杆和右档杆的上端部由铰链连接，左档杆和右档杆的下部分别纵向开设一移动槽，横杆的两端部分别横向开设移动槽，所述的左档杆和横杆的移动槽由第一紧固螺钉连接，实现左档杆和横杆相对位置的移动，所述的右档杆和横杆的移动槽由第二紧固螺钉连接，实现右档杆和横杆相对位置的移动，所述的移动槽的开槽距离和位置与左档杆、右档杆和横杆构成的可调光阑对中阶梯光栅槽面上的三角形接触区或者滞留三角区域的形状和大小相对应。
进一步地说，所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统与刻刀刀座保持一体化运动，为实现入射激光相对于刀面的位置不随刻刀角度发生变化。即不管刻刀如何调整安装角度，都能使入射激光相对刀面保持位置不变，具体结构形式不限。
更进一步地说，所述的平面可调反射镜工作面的安装位置由刻刀定向角决定，设定刻刀定向角为a，则平面可调反射镜工作面安装位置相对水平方向入射光束成角度a’＝(90°+a)/2。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种斜轴输入的激光原位辅助金刚石尖劈式刻刀机械刻划中阶梯光栅的光学系统，可以通过金刚石尖劈式刻刀焊接工艺的创新设计，在不影响原先刀架和刀座结构的情况下，实现原位辅助激光透金刚石尖劈式刻刀刀尖的原位作用，保证对刀面和槽面接触区域的法向入射，激光束在金刚石内部传输过程中无需折射，原位激光辅助能量对“刀面-材料”接触区域的耦合热力作用更有效、更直接，能量损失少，能够对槽面铝膜滞留区的表面及内部进行有效改性；天然金刚石颗粒的刃磨和相对于刀柄的定位、钎焊、组装更加方便和简洁。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的八面体天然金刚石刻刀刀头；
图2为本发明的直线刃刻刀主视图；
图3为图2的左视图；
图4为图3的中间剖视图；
图5为基于图4得出的光学系统示意图；
图6为精密可调三角形光阑的正面图；
其中，图5中，1为中阶梯光栅，2为金刚石刀头，3为刀柄，4为机架，5为平面可调反射镜，6为缩束镜组，7为精密可调三角光阑，8为扩束镜组，9为激光器；
图6中，71为左档杆，72为右档杆，73为横杆，74为铰链，75为移动槽，76为第一紧固螺钉，77为第二紧固螺钉。
具体实施方式
实施例1：
S1：根据刻划工艺要求，刃磨八面体天然金刚石尖劈式刻刀刀头
如图1所示，首先刃磨定向面、非定向面、倒角面1和倒角面2，刃磨出与定向面平行的A面，定向面和A面间距为非定向面的面长，再刃磨出与非定向面平行的B面，非定向面和B面间距为定向面的面长，在A面和B面两端刃分别磨出与A面、B面交线垂直的三角面，分别为C面和D面，将C面作为刀柄的钎焊面，将D面作为刀柄的安装定位面；
S2：将S1步骤刃磨好的金刚石尖劈式刻刀刀头通过三角面C面和D面与中空槽刀柄实现准确钎焊和安装定位，制作成直线刃刻刀(如图2、3、4所示)；
S3：激光器光学系统横轴设计：
如图5所示，其中图5基于图4作出，激光器9输出光束首先通过扩束镜组8实现扩束，扩束后通过精密可调三角光阑7的三角扩束光再由缩束镜组6实现缩束，并通过平面可调反射镜5实现对光束的角度变换，以获得对金刚石刀头A面的法向入射，通过金刚石尖劈式刻刀刀头2的透射，直接法向作用在刻刀刻划的中阶梯光栅1槽面上的三角形接触区，所述的三角形接触区为刀面和铝膜材料形成的三角形接触区；同理，获得对金刚石刀头B面的法向入射。
精密可调三角光阑7经扩束镜组8、缩束镜组6和平面可调反射镜5的原位辅助激光光束能准确覆盖中阶梯光栅1槽面上的三角形接触区形状和大小。
扩束以实现水平传输光路上的精密可调三角光阑7便于调制。
刻刀刻划的中阶梯光栅1的槽顶角为90°。
法向入射是通过精密可调三角光阑7对位置、角度和形状的调节实现对铝膜材料滞留三角区域进行法向入射。
其中，如图6所示，精密可调三角光阑包括左档杆71、右档杆72和横杆73，左档杆71和右档杆72的上端部由铰链74连接，左档杆71和右档杆72的下部分别纵向开设一移动槽75，横杆73的两端部分别横向开设移动槽75，左档杆71和横杆73的移动槽75由第一紧固螺钉76连接，实现左档杆71和横杆73相对位置的移动，右档杆72和横杆73的移动槽75由第二紧固螺钉77连接，实现右档杆72和横杆73相对位置的移动，移动槽75的开槽距离和位置与左档杆71、右档杆72和横杆73构成的可调光阑对中阶梯光栅槽面上的三角形接触区或者滞留三角区域的形状和大小相对应。
激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统与刻刀刀座保持一体化运动，刻刀的刀柄3嵌入机架4的底部，为实现入射激光相对于刀面的位置不随刻刀角度发生变化。
平面可调反射镜工作面的安装位置由刻刀定向角决定，设定刻刀定向角为a，则平面可调反射镜工作面安装位置相对水平方向入射光束成角度a’＝(90°+a)/2。同理，适用于刻刀定向角为b的另一侧的情况，如图5中∠a、∠b所示。
相关实施原位辅助作用的激光输入工艺参数视其它加工工艺参数而定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据刻划工艺要求，刃磨八面体天然金刚石尖劈式刻刀刀头
首先刃磨定向面、非定向面、倒角面1和倒角面2，刃磨出与定向面平行的A面，定向面和A面间距为非定向面的面长，再刃磨出与非定向面平行的B面，非定向面和B面间距为定向面的面长，在A面和B面两端刃分别磨出与A面、B面交线垂直的三角面，分别为C面和D面，将C面作为刀柄的钎焊面，将D面作为刀柄的安装定位面；
S2：将S1步骤刃磨好的金刚石尖劈式刻刀刀头通过三角面C面和D面与中空槽刀柄实现准确钎焊和安装定位，制作成直线刃刻刀；
S3：激光器光学系统横轴设计：
激光器输出光束首先通过扩束镜组实现扩束，扩束后通过精密可调三角光阑的三角扩束光再由缩束镜组实现缩束，并通过平面可调反射镜实现对光束的角度变换，以获得对金刚石刀头A面的法向入射，通过金刚石尖劈式刻刀刀头的透射，直接法向作用在刻刀刻划的中阶梯光栅槽面上的三角形接触区，所述的三角形接触区为刀面和铝膜材料形成的三角形接触区；同理，获得对金刚石刀头B面的法向入射。
2.根据权利要求1所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，步骤S3中所述的精密可调三角光阑经扩束镜组、缩束镜组和平面可调反射镜的原位辅助激光光束能准确覆盖中阶梯光栅槽面上的三角形接触区形状和大小。
3.根据权利要求1所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，步骤S3中所述的扩束以实现水平传输光路上的精密可调三角光阑便于调制。
4.根据权利要求1所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，步骤S3中所述的刻刀刻划的中阶梯光栅的槽顶角为90°。
5.根据权利要求1所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，步骤S3中所述的法向入射是通过精密可调三角光阑对位置、角度和形状的调节实现对铝膜材料滞留三角区域进行法向入射。
6.根据权利要求1、2、3、5任一项所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，所述的精密可调三角光阑包括左档杆、右档杆和横杆，所述的左档杆和右档杆的上端部由铰链连接，左档杆和右档杆的下部分别纵向开设一移动槽，横杆的两端部分别横向开设移动槽，所述的左档杆和横杆的移动槽由第一紧固螺钉连接，实现左档杆和横杆相对位置的移动，所述的右档杆和横杆的移动槽由第二紧固螺钉连接，实现右档杆和横杆相对位置的移动，所述的移动槽的开槽距离和位置与左档杆、右档杆和横杆构成的可调光阑对中阶梯光栅槽面上的三角形接触区或者滞留三角区域的形状和大小相对应。
7.根据权利要求1所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统与刻刀刀座保持一体化运动，为实现入射激光相对于刀面的位置不随刻刀角度发生变化。
8.根据权利要求1所述的激光原位辅助金刚石机械刻划中阶梯光栅的光学系统，其特征在于，所述的平面可调反射镜工作面的安装位置由刻刀定向角决定，设定刻刀定向角为a，则平面可调反射镜工作面安装位置相对水平方向入射光束成角度a’＝(90°+a)/2。
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