CN111331260A - 用于加工工件的光电机械工具、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于加工工件的光电机械工具、系统和方法。所述工具具有多个面，其包含入射面、前刀面、连接到所述前刀面的后隙面、延伸于所述入射面与所述前刀面之间的前侧面及延伸于所述入射面与所述后隙面之间的后侧面。所述前刀面到所述后隙面的连接界定切削刃。所述前刀面延伸远离所述前侧面以界定前角。所述入射面经配置以接收激光束且将所述激光束折射到所述前刀面、所述后隙面及所述切削刃以引起所述激光束折射到工件中并在压缩区域及拉伸区域处加热所述工件，所述压缩区域接近至少所述前刀面延伸且所述拉伸区域接近所述后隙面处延伸。

Description

用于加工工件的光电机械工具、系统和方法
分案申请
本申请是申请日为2017年7月18日、申请号为“201780006362.3”、发明名称为“激光发射工具”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种激光发射加工工具、一种包含激光发射加工工具的系统及一种利用包含激光发射加工工具的系统来加工工件的方法。
背景技术
本章节提供未必为现有技术的与本发明有关的背景信息。
激光辅助加工工具是已知的。尽管现存激光辅助加工工具足以达成其预期目的，但仍在不断寻求改进激光辅助加工工具来推进相关技术。
发明内容
本发明提供一种激光发射加工工具，其包含前刀面、后隙面及用于加工工件的切削刃。所述激光发射加工工具经配置以接收激光束且将激光折射到所述前刀面、所述后隙面及所述切削刃以引起所述激光束折射到所述工件中并在压缩区域及拉伸区域处加热所述工件，所述压缩区域接近至少所述前刀面延伸且所述拉伸区域接近后隙面延伸。所述前刀面延伸远离所述激光发射加工工具的前侧面以界定前角。所述前角经设定大小以界定以下前角的一者，其包含：负前角、零前角及正前角。所述负前角可包含高度负前角、中级负前角及低级负前角的一或多者。所述高度负前角引起所述工件的所述压缩区域呈最高压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈最低拉伸区域。所述中级负前角引起所述工件的所述压缩区域呈高压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈低拉伸区域。所述低级负前角引起所述工件的所述压缩区域呈中等压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈中等拉伸区域。所述零前角引起所述工件的所述压缩区域呈低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈高拉伸区域。所述正前角引起所述工件的所述压缩区域呈最低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈最高拉伸区域。
本发明的一个方面提供一种用于加工工件的激光发射加工工具。所述激光发射加工工具包含材料体，其具有入射面、前刀面、连接到所述前刀面的后隙面、延伸于所述入射面与所述前刀面之间的前侧面及延伸于所述入射面与所述后隙面之间的后侧面。所述前刀面到所述后隙面的连接界定切削刃。所述入射面经配置以接收激光束且将所述激光束折射到所述前刀面、所述后隙面及所述切削刃以引起所述激光束折射到所述工件中并在压缩区域及拉伸区域处加热所述工件，所述压缩区域接近至少所述前刀面延伸且所述拉伸区域接近所述后隙面延伸。所述前刀面延伸远离所述前侧面以界定前角。所述后隙面延伸远离所述后侧面以界定相对于所述前角的螺腹角。所述前角经设定大小以界定以下前角的一者，其包含：高度负前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈最高压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈最低拉伸区域；中级负前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈高压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈低拉伸区域；低级负前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈中等压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈中等拉伸区域；零前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈高拉伸区域；及正前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈最低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈最高拉伸区域。
本发明的实施方案可包含以下任选特征中的一或多者。在一些实施方案中，所述最高压缩区域、所述高压缩区域、所述中等压缩区域、所述低压缩区域及所述最低压缩区域中的每一者也沿所述切削刃延伸。所述最高拉伸区域、所述高拉伸区域、所述中等拉伸区域、所述低拉伸区域及所述最低拉伸区域中的每一者也沿所述切削刃延伸。
在一些实施方案中，所述高度负前角小于所述中级负前角、所述低级负前角、所述零前角及所述正前角中的每一者。在一些例子中，所述高度负前角大于约90°且小于约135°，其中所述中级前角大于约136°且小于约165°，其中所述低级负前角大于约166°且小于约179°。在一些实例中，所述零前角是约180°。在一些例子中，所述正前角大于约181°且小于约210°。
界定激光发射加工工具的所述本体的所述材料可为发射光(例如(举例来说)激光束)的任何所要材料。所述材料选自由以下各者组成的群组：金刚石、蓝宝石、碳化物、立方氮化硼(CBN)、硅、氮化物、钢、合金、陶瓷、氧化铝、晶体及玻璃复合物。抗反射涂层可任选地安置于所述入射面上。
在一些实施方案中，界定激光发射加工工具的所述本体的所述材料包含金刚石材料。所述前角经设定大小以界定所述高度负前角、所述中级负前角或所述低级负前角的一者。由所述入射面相对于所述激光束界定的离隙角是约5°。
在一些例子中，界定激光发射加工工具的所述本体的所述材料包含蓝宝石材料。所述前角经设定大小以界定所述高度负前角、所述中级负前角或所述低级负前角中的一者。由所述入射面相对于所述激光束界定的离隙角是约7°。
在一些实例中，界定激光发射加工工具的所述本体的所述材料包含金刚石材料。所述前角经设定大小以界定零前角。由所述入射面相对于所述激光束界定的离隙角是约7°。
本发明的另一方面提供一种用于加工工件的系统。所述系统包含具有材料体的激光发射加工工具，所述材料体具有包含前刀面的多个面，所述前刀面连接到后隙面以界定所述激光发射加工工具的切削刃。所述前刀面延伸远离所述多个面的侧面以界定前角。所述前角经设定大小以界定多个前角中的一者，其包含：高度负前角，其引起所述工件的压缩区域呈最高压缩区域且所述工件的拉伸区域呈最低拉伸区域；中级负前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈高压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈低拉伸区域；低级负前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈中等压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈中等拉伸区域；零前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈高拉伸区域；及正前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈最低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈最高拉伸区域。所述多个面界定所述激光发射加工工具的激光束入射端及所述激光发射加工工具的激光束出射端。所述激光束出射端由所述前刀面、所述后隙面及所述切削刃界定。所述系统还包含外壳及激光产生器。所述外壳具有上游端及下游端。所述外壳的所述下游端光学连接到所述激光发射加工工具的所述激光束出射端。所述激光产生器光学连接到所述外壳的所述上游端以使由所述激光产生器产生的激光束从所述外壳的所述上游端光学传送到所述激光束入射端，穿过所述材料体而从所述切削刃及所述前刀面及所述后隙面中的一或两者传出。
本发明的实施方案可包含以下任选特征中的一或多者。在一些实施方案中，所述外壳包含光学器件及光学器件接口。所述光学器件包含至少一准直透镜及一系列聚焦透镜。所述准直透镜光学连接到所述激光产生器以使所述激光束在由所述激光发射加工工具的所述激光束入射端接收之前准直。所述系列聚焦透镜光学连接到所述准直透镜以使所述激光束在由所述激光发射加工工具的所述激光束入射端接收之前聚焦。所述光学器件接口包含连接到所述系列聚焦透镜的聚焦旋钮，其调整所述激光束的焦平面及直径以使所述激光束的射线选择性地偏向所述前刀面或所述后隙面。所述光学器件接口包含连接到所述系列聚焦透镜的一或多个光束定位台，其在所述激光束离开所述准直透镜时改变激光束的角度。
在一些实施方案中，所述系统任选地包含X轴微调旋钮、Y轴微调旋钮及Z轴微调旋钮。所述X轴微调旋钮、所述Y轴微调旋钮及所述Z轴微调旋钮中的每一者连接到所述光学器件以使所述激光束的射线选择性地偏向所述前刀面或所述后隙面。
在一些例子中，所述系统任选地包含含于所述外壳内的光学子外壳。所述光学子外壳使用空间调整装置来连接到所述外壳，所述空间调整装置用于在三维XYZ坐标系的X方向、Y方向或Z方向中的任何者上调整含于所述光学子外壳内的所述光学器件，以将所述激光束的输入调整到所述激光发射加工工具的所述激光束入射端中。
在一些实例中，所述系统任选地包含含于供应器或贮存器内的热活化或激光活化切削流体、浆液或蚀刻剂，其从喷嘴传送到所述激光发射切削工具的所述激光束出射端。所述系统还可包含致动器，其包含泵及阀的一或多者，所述致动器流体连接到所述供应器或贮存器以取得对所述热活化或激光活化切削流体、浆液或蚀刻剂的量的控制，所述致动器将安置于所述激光发射切削工具的所述激光束出射端上。
在一些实施方案中，所述系统任选地包含第二激光产生器，其光学连接到所述外壳的所述上游端以使由所述第二激光产生器产生的第二激光束从所述外壳的所述上游端光学传送到所述激光束入射端，穿过所述材料体而从所述切削刃及所述前刀面及所述后隙面中的一或两者传出。
在一些例子中，所述系统任选地包含具有光束对准软件的可见光束成像摄像机及连接到所述可见光束成像摄像机的计算机工作站。所述可见光束成像摄像机使通过激光发射加工工具传播的可见校准光束成像且将通过所述激光发射加工工具传播的所述可见校准光束的图像传送到所述光束对准软件。在所述光束对准软件确定穿过所述激光发射加工工具的所述可见校准光束未对准之后，所述光束对准软件提供指令到所述计算机工作站以在显示器上显示与所述X轴微调旋钮、所述Y轴微调旋钮及所述Z轴微调旋钮中的一或多者的调整或旋转相关联的指令或建议优化值。
在一些实例中，所述系统任选地包含能量计或功率计。所述能量计或功率计连接到所述计算机工作站以测量穿过所述激光发射加工工具的所述切削刃的所述激光束的输出功率。
在一些实施方案中，所述系统任选地包含连接到所述计算机工作站的光束测绘器。所述光束测绘器及计算机工作站检测所述激光发射加工工具的定向角或几何形状以对准穿过所述激光发射加工工具的所述激光束。
在一些例子中，所述系统任选地包含精密工具高度调整器。所述精密工具高度调整器连接到所述外壳。
在一些例子中，所述系统任选地包含智能型回转系统。所述智能型回转系统连接到所述外壳。
在一些实例中，所述系统任选地包含连接到所述外壳的隔离旋转轴承系统及安置于所述外壳内且布置成靠近所述外壳的所述下游端的分束器。所述分束器将所述激光束输送到所述激光束入射面的多个位置。
本发明的又另一方面包含一种用于加工工件的方法。所述方法包含：从激光产生器发射激光束。所述方法还包含：在光学连接到所述激光产生器的外壳的上游端处接收所述激光束。所述方法进一步包含：在光学连接到外壳的下游端的激光束入射面处接收所述激光束，所述激光束入射面界定激光发射加工工具的激光束入射端。所述方法进一步包含：使所述激光束发射穿过所述激光发射加工工具的材料体，所述材料体延伸于所述激光发射加工工具的所述激光束入射端与所述激光发射加工工具的激光束出射端之间。所述方法还包含：将所述激光束从所述激光发射加工工具的切削刃及所述激光发射加工工具的前刀面及所述激光发射加工工具的后隙面中的一或两者选择性地引导出。所述切削刃、所述前刀面及所述后隙面界定所述激光发射加工工具的所述激光束出射端。所述前刀面延伸远离所述激光发射加工工具的侧面以界定前角。所述前角经设定大小以界定多个前角中的一者，其包含：高度负前角，其引起所述工件的压缩区域呈最高压缩区域且所述工件的拉伸区域呈最低拉伸区域；中级负前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈高压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈低拉伸区域；低级负前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈中等压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈中等拉伸区域；零前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈高拉伸区域；及正前角，其引起所述工件的所述压缩区域呈最低压缩区域且所述工件的所述拉伸区域呈最高拉伸区域。
本发明的实施方案可包含以下任选特征中的一或多者。在一些实施方案中，所述激光束由直径界定，所述直径具有：中心射线，其沿所述激光束的中心轴延伸；第一圆周射线阵列，其布置成与所述激光束的所述中心轴相距第一径向距离；及至少一个第二圆周射线阵列，其布置成与所述激光束的所述中心轴相距第二径向距离，借此所述第二径向距离大于所述第一径向距离。选择性地引导所述激光束的步骤可包含：将所述激光束的所述中心射线从所述激光发射加工工具的所述切削刃引导出及使所述激光束的所述第一圆周射线阵列及所述激光束的所述第二圆周射线阵列中的一或两者偏向所述前刀面及所述后隙面中的一者。
在一些实施方案中，使所述激光束的所述第一圆周射线阵列及所述激光束的所述第二圆周射线阵列中的一或两者偏向所述前刀面及所述后隙面中的一者的步骤包含：调整连接到安置于所述外壳内的一系列聚焦透镜的聚焦旋钮，所述聚焦旋钮调整所述激光束的焦平面及所述直径。
在一些例子中，使所述激光束的所述第一圆周射线阵列及所述激光束的所述第二圆周射线阵列中的一或两者偏向所述前刀面及所述后隙面中的一者的步骤包含：调整连接到安置于所述外壳内的一系列聚焦透镜的一或多个光束定位台以在所述激光束离开安置于所述外壳内的准直透镜时改变激光束的角度。
在一些实例中，使所述激光束的所述第一圆周射线阵列及所述激光束的所述第二圆周射线阵列中的一或两者偏向所述前刀面及所述后隙面中的一者的步骤包含：调整X轴微调旋钮、连接到光学器件的Y轴微调旋钮及连接到安置于所述外壳内的一系列聚焦透镜的Z轴微调旋钮中的一或多者。
附图及以下描述中陈述本发明的一或多个实施方案的细节。将从描述及图式及权利要求书明白其它方面、特征及优点。
附图说明
图1是示范性激光发射加工工具的平面图。
图2A是示范性激光束的透视图。
图2B是图2A的激光束的端视图。
图3是发射图2A到2B的激光束的图1的激光发射加工工具的侧视图。
图4是啮合工件且发射图2A到2B的激光束的激光发射加工工具的视图。
图5A是相对于工件所布置的图1的激光发射加工工具的侧视图，所述工件具有沿激光发射加工工具的至少一前刀面延伸的最高压缩区域及跨越激光发射加工工具的后隙面延伸的最低拉伸区域。
图5B是相对于工件所布置的图1的激光发射加工工具的侧视图，所述工件具有沿激光发射加工工具的至少一前刀面延伸的高压缩区域及跨越激光发射加工工具的后隙面延伸的低拉伸区域。
图5C是相对于工件所布置的图1的激光发射加工工具的侧视图，所述工件具有沿激光发射加工工具的至少一前刀面延伸的中等压缩区域及跨越激光发射加工工具的后隙面延伸的中等拉伸区域。
图5D是相对于工件所布置的图1的激光发射加工工具的侧视图，所述工件具有沿激光发射加工工具的至少一前刀面延伸的低压缩区域及跨越激光发射加工工具的后隙面延伸的高拉伸区域。
图5E是相对于工件所布置的图1的激光发射加工工具的侧视图，所述工件具有沿激光发射加工工具的至少一前刀面延伸的最低压缩区域及跨越激光发射加工工具的后隙面延伸的最高拉伸区域。
图6是示范性激光发射镗削/分割半径工具的俯视图。
图7是包含激光发射加工工具的示范性系统的示意图。
图8是包含激光发射钻削/铣削工具的示范性系统的示意图。
图9是包含激光发射刻划/刻痕工具的示范性系统的示意图。
图10是包含激光发射切割工具的示范性系统的示意图。
图10'是包含激光发射抛光工具的示范性系统的示意图。
图11是包含激光发射加工工具的示范性系统的示意图。
图12是包含激光发射加工工具的示范性系统的另一示意图。
图13A到13C说明通过激光发射加工工具的切削刃所发射的示范性新月形光束。
图14是包含激光发射加工工具的示范性系统的另一示意图。
图15是说明自基于单晶金刚石的激光发射加工工具获得的示范性测试数据的曲线图。
图16是包含激光发射加工工具的示范性系统的另一示意图。
图17是包含激光发射加工工具的示范性系统的示意图。
图18是包含激光发射加工工具的示范性系统的示意图。
图19是包含激光发射加工工具的示范性系统的示意图。
图20是包含激光发射加工工具的示范性系统的示意图。
图21是包含激光发射磨削工具的示范性系统的示意图。
图22是包含透明工件及非激光发射磨削工具的示范性系统的示意图。
图23是包含激光发射刻压工具(其刻压工件W)的示范性材料特性测试系统的示意图。
图24是包含激光发射刻压工具(其刻压工件W)的示范性材料特性测试系统的示意图。
各种图式中的相同元件符号指示相同元件。
具体实施方式
本发明的一方面涉及一种系统，其包含激光产生器及激光发射加工工具。所述激光发射加工工具可加工由材料(例如陶瓷、半导体、光学晶体、玻璃、金属合金、塑料、复合物、骨头、牙齿及其类似物)界定的工件，所述材料最小化工具加工力，同时改进所述工件的表面光洁度、美感、形式可重复性及总体可加工性。
本发明的另一方面包含一种利用包含所述激光发射加工工具的所述系统来加工所述工件的方法。在实例中，在使所述工件与所述激光发射加工工具直接啮合之后，所述激光发射加工工具将激光辐射从所述激光产生器发射到所述工件以削弱所述工件的接合且因此软化所述工件以最终使所述工件塑性变形及/或热软化。
参考图1，大体上以10展示示范性激光发射加工工具。激光发射加工工具10界定多个表面或面12到20。多个表面或面12到20的表面12可指称激光束入射面。多个表面或面12到20的表面14可指称前刀面。多个表面或面12到20的表面16可指称后隙面或间隙面。多个表面或面12到20的表面18可指称第一侧面或前侧面。多个表面或面12到20的表面20可指称第二侧面或后侧面。
第一侧面18的第一端181延伸远离激光束入射面12的第一端121。第二侧面20的第一端201延伸远离激光束入射面12的第二端122。
前刀面14的第一端141延伸远离第一侧面18的第二端182。后隙面16的第一端161延伸远离第二侧面20的第二端202。前刀面14的第二端142接合到后隙面16的第二端162以界定切削刃22。
此外，前刀面14的第一端141以角度θ14延伸远离第一侧面18的第二端182，且后隙面16的第一端161以角度θ16延伸远离第二侧面20的第二端202。由前刀面14及第一侧面18界定的角度θ14可指称前角。由后隙面16及第二侧面20界定的角度θ16可指称螺腹角或间隙角。如相对于图5A到5E将更详细描述，前角θ14及螺腹角θ16描述于激光发射加工工具10本身的上下文中且无关于与激光发射加工工具10相关的周围环境，例如(举例来说)激光发射加工工具10相对于工件定位的方式(参见(例如)图4中的W)。
多个表面或面12到20的一或多个表面(参见(例如)激光束入射面12)可界定激光发射加工工具10的激光束入射端24。此外，多个表面或面12到20的一或多个表面(参见(例如)前刀面14及后隙面16)可界定激光发射加工工具10的激光束出射端26。
此外，多个表面或面12到20的一或多个表面(参见(例如)前刀面14及第一侧面18)可界定激光发射加工工具10的第一侧28。此外，多个表面或面12到20的一或多个表面(参见(例如)激光束入射面12、后隙面16及及第二侧面20)可界定激光发射加工工具10的第二侧30。
激光发射加工工具10界定工具长度l。在实例中，工具长度l由第一侧面18的第一端181及切削刃22界限。
此外，激光发射加工工具10还可包含施加于激光发射加工工具10的多个表面或面12到20中的至少一者的抗反射涂层32。在实例中，抗反射涂层32可施加于激光束入射面12。
在切削刃22、前刀面14及后隙面16中的一或两者上包含热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137准许激光发射加工工具10在激光束L离开激光发射加工工具10的出射端26时响应于经受激光束L的热或曝光而发生化学反应。在热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137发生反应且将激光发射加工工具10布置成邻近于工件W之后，从工件W移除材料的速率增大，同时还使用从激光发射加工工具10赋予的较小加工力。
如图1中所见，发射激光束L穿过激光发射加工工具10。将激光束L从激光产生器(参见(例如)图7中的104)引导向激光发射加工工具10的激光束入射端24。激光束L在激光束入射面12处以相对于垂直于激光束入射面12的线R的离隙角θi进入激光发射加工工具10。接着，激光束L在激光发射加工工具10内以角度θr内部折射且从激光发射加工工具10的激光束入射端24沿激光发射加工工具10的长度l行进到激光发射加工工具10的激光束出射端26。
参考图2A及2B，激光束L界定激光束直径Φ。激光束直径Φ可进一步界定：中心射线ΦA，其沿激光束L的中心轴LA-LA(参见(例如)图2A)延伸；第一圆周射线阵列ΦR1，其布置成与激光束L的中心轴LA-LA相距第一径向距离；及至少一个第二圆周射线阵列ΦR2，其布置成与激光束L的中心轴LA-LA相距第二径向距离，借此所述第二径向距离大于所述第一径向距离。
参考图3，根据光的折射原理，如果激光束L以小于当从较高折射率n2的第一介质(例如金刚石材料)进入较低折射率n1的第二介质(例如空气)时的临界角撞击激光束入射面12，那么激光束L将在离开激光发射加工工具10时经历另一折射。控制关系给出如下：
Figure BDA0002421350410000091
在实例中，对于从金刚石过渡到空气的激光束L，金刚石材料可具有24.4°的临界角；以大于此角度撞击表面的任何入射激光束L将在金刚石中内部反射。在实例中，图3说明离开激光束出射端26的示范性反射射线ΦR1、ΦR2，其从激光束入射面12引导到前刀面14。
参考图4，激光发射加工工具10的激光束出射端26的至少一部分在加工过程期间接触工件W，安置成邻近于或浸入到工件W中。界定工件W的材料可包含(但不限于)陶瓷、半导体、光学晶体、玻璃、金属合金、塑料、复合物、骨头、牙齿及其类似物。由于工件W的折射率n3高于空气的折射率n1(其导致内反射的临界角增大)，所以将激光发射加工工具10布置成邻近于工件W或将激光发射加工工具10浸入到工件W的容积中允许激光束L的射线ΦA、ΦR1、ΦR2发射到工件W的所选择部分中且由工件W的所选择部分吸收。
在实例中，由硅构成的示范性激光发射加工工具10可由等于3.4的折射率n2界定，使得由于受加工工件W具有相较于由金刚石构成的示范性激光发射加工工具10的折射率n2的较高折射率n3，所以内反射不受限制。激光束L的射线ΦA、ΦR1、ΦR2将进入工件W的浸渍区域，从而允许激光束L有效处理经历压缩应力的工件W的所选择区域。相应地，如图4中所见，允许离开前刀面14的激光束L的射线ΦR1、ΦR2传播到类似或较高折射率的工件W，而离开后隙面16的激光束L的射线ΦR1、ΦR2表示影响已由后隙面16及切削刃22加工(即，当后隙面16接触工件W时，后隙面16使工件W退火)的工件W的激光束L的一部分。
如图4中所见，激光束L的中心射线ΦA聚焦于且离开激光发射加工工具10的激光束出射端26的切削刃22。如上文所解释，除激光束L离开激光发射加工工具10的激光束出射端26的切削刃22之外，激光束L也离开激光发射加工工具10的激光束出射端26的前刀面14及激光发射加工工具10的激光束出射端26的后隙面16中的一或两者。在实例中，第一圆周射线阵列ΦR1及第二圆周射线阵列ΦR2的部分可离开前刀面14且第一圆周射线阵列ΦR1及第二圆周射线阵列ΦR2的部分可离开后隙面16。
继续参考图4，激光发射加工工具10的激光束出射端26可安置成邻近于由激光发射加工工具10塑性变形及/或热软化的工件W。工件W可大体上界定压缩区域WC及拉伸区域WT。
在一些例子中，工件W的压缩区域WC可大体上跨越前刀面14及后隙面16的第二端162附近的后隙面16的一部分延伸(即，工件W的压缩区域WC跨越激光发射加工工具10的切削刃22延伸)。在一些实例中，工件W的拉伸区域WT可大体上跨越后隙面16的第二端162附近的激光发射加工工具10的后隙面16延伸且不会跨越激光发射加工工具10的切削刃22延伸。在其它实例中，工件W的拉伸区域WT可大体上从后隙面16且跨越切削刃22延伸，使得工件W的拉伸区域WT略微跨越前刀面14的第二端142附近的激光发射加工工具10的前刀面14延伸。在一些例子中，拉伸区域WT可略微跨越前刀面14延伸，且在此类例子中，略微跨越前刀面14延伸的拉伸区域WT不受限于激光发射工具10的几何形状、工件W的材料、处理参数及其类似物。
参考图5A到5E，前角θ14及螺腹角θ16中的一或两者可对应于将由激光发射加工工具10加工的工件W的材料的一或多个质量。在实例中，前角θ14可在约91°与约195°之间的范围内且螺腹角θ16可在约93°与约120°之间的范围内。工件W的材料的一或多个质量可与从激光发射加工工具10赋予工件W的压缩区域WC的压缩力及从激光发射加工工具10赋予工件W的拉伸区域WT的拉伸力的不同程度有关。
在实例中，图5A的前角θ14可指称高度负前角且可大于90°小于约135°。图5B的前角θ14可指称中级负前角，其可大于图5A的高度负前角θ14；在实例中，中级负前角θ14可大于约136°且小于约165°。图5C的前角θ14可指称低级负前角，其可大于图5B的中级负前角θ14；在实例中，低级负前角θ14可大于约166°且小于约179°。图5D的前角θ14可指称零前角，其大于图5C的低级负前角θ14；在实例中，零前角可约等于180°。图5E的前角θ14可指称正前角，其可大于图5D的零前角θ14；在实例中，正前角θ14可大于约181°且小于约210°。参考表1，示范性材料及前角θ14的对应示范性范围经展示如下。
Figure BDA0002421350410000111
Figure BDA0002421350410000121
表1
在实例中，当界定工件W的材料是(例如)具有相对于拉伸压缩性(即，加工压缩区域WC所涉及的力相对大于拉伸区域WT)较强的陶瓷或光学晶体材料时，图5A的高度负前角θ14或图5B的中级负前角θ14可为激光发射加工工具10的优选配置。除前角θ14及螺腹角θ16中的一或两者的设计考虑之外，从激光发射加工工具10的激光束出射端26辐射的激光束L也可经选择性地调整以补偿工件W的已知压缩及拉伸质量。
在另一实例中，高度负前角θ14可为约135°到约155°之间的范围内的角度以使用聚焦于切削刃22上但也偏向前刀面14的激光束L来加工源自于硅材料的工件W以促进工件W的压缩区域WC中的材料的塑性变形、热软化及移除。替代地，如果期望，那么激光束L可聚焦于切削刃22上但也偏向后隙面16以最小化对工件W的拉伸区域WT的子表面损坏且促进工件W的退火或“愈合”效应。相应地，使激光束L偏向前刀面14的动作增加材料移除，同时保持激光发射加工工具10的完整性。此外，如果使激光束L偏向后隙面16，那么可最小化或消除工件W的后处理(例如抛光)。
在参考图5D的又另一实例中，可归因于大多数金属(例如(举例来说)铝)具有相对于压缩的较强拉伸性的事实而选择零前角θ14用于加工源自于金属或金属组合物的工件W；因此，可利用正前角θ14(参见(例如)图5E)或接近零度的前角θ14(参见(例如)图5C)来加工金属或聚合材料。然而，复合材料具有许多类型且因此材料组合物也将控制几何形状。相应地，为促进具有强拉伸质量的材料的拉伸区域的可加工性，激光束L可聚焦于切削刃22上但也偏向后隙面16以促进工件W的拉伸区域WT中的材料的塑性变形、热软化及移除。
参考图1，使激光束偏向激光发射加工工具10的激光束出射端26的前刀面14及后隙面16中的一者的动作描述如下。在实例中，图1的激光发射加工工具10可由中级负前角θ14界定，且基于斯奈尔(Snell)定律，可鉴于激光发射加工工具10的已知长度l及切削刃22下方的所要位置(参见(例如)水平线a)来计算最小离隙角θi。
当光(即，激光束L)进入较高折射率n2的介质(即，由激光发射加工工具10界定的介质)时，光束将使入射光束折射成不垂直于激光束入射面12。界定激光发射加工工具10的介质的示范性材料可包含(但不限于)：金刚石、蓝宝石、碳化物、立方氮化硼(CBN)、硅、氮化物、钢、合金、陶瓷、氧化铝、晶体、玻璃复合物及其类似物。光将折射的量是基于斯奈尔定律，其指出：使用以下关系式来约束进入角的正弦：
Figure BDA0002421350410000131
假定空气的n1＝1，θ2可导出如下：
Figure BDA0002421350410000132
Figure BDA0002421350410000133
因此，
Figure BDA0002421350410000134
也改写为
Figure BDA0002421350410000135
对于图1中的角A、B及C处所识别的三角形ABC，当角A是90°-θi且角C是θi–θf时，使用内错角关系。使用斯奈尔定律的改写形式，角C也可改写为：
Figure BDA0002421350410000136
对于切削刃22的线a下方的激光束L的所要位置，如果激光发射加工工具10的折射率n2及激光发射加工工具10的长度l是已知的(应注意，长度lc是补偿归因于后离隙角θi的长度减小的三角形的长度)，那么可使用以下公式依据将激光束向上折射到切削刃22中所需的最小后角来求解三角形ABC。在实例中，基于金刚石的激光发射加工工具10可由0.050mm到0.100mm之间的范围内的初始研光量hi界定。因此，缩短长度l的对应反正切对于以下情况而言是较小的：
θi＜20°且当
Figure BDA0002421350410000137
时 (7)
且可假定：
Figure BDA0002421350410000138
可依据已知值a及l来求解方程式9(其展示如下)以获得θi。
Figure BDA0002421350410000141
(其中0＜θi＜9O°) (9)
其中：
lc≌l＝金刚石的长度
a＝切削刃线下方的光束的所要位置
θi＝用于实现光束折射到切削刃的最小入射角
参考图2A及2B，激光束的所要位置可对应于光(即，激光)束直径Φ。在实例中，根据方程式10(其展示如下)，光束的所要位置可直接对应于激光束直径Φ：
Figure BDA0002421350410000142
其中R％对应于用于确保整个激光束L是在切削刃22的线下方的额外安全边际。
利用以上方程式9及方程式10，以下实例及相关联表表示多个示范性激光发射加工工具10。如下所见，示范性激光发射加工工具10中的每一者可由(例如)界定激光发射加工工具10的介质的不同前角θ14及材料(例如金刚石、蓝宝石、碳化物、立方氮化硼(CBN)、硅、氮化物、钢、合金、陶瓷、氧化铝、晶体、玻璃复合物及其类似物)界定。
以下示范性激光发射加工工具10是针对负前角θ14(参见(例如)图5A、5B或5C)及金刚石材料。
实例1
R％ 20％
l 2.4mm
n<sub>2</sub> 2.417
Φ 0.200mm
h<sub>i</sub> 0.050mm
表2
将表2的变量数据应用于方程式10，a(即，切削刃22下方的光束的所要位置)求解如下：
Figure BDA0002421350410000143
Figure BDA0002421350410000151
a＝0.12mm (13)
借此，激光发射加工工具10的第一侧面18下方的有效光束位置是：(hi+a)＝(0.050mm+0.12mm)＝0.17mm。
接着，将所求解的a(即，切削刃22下方的光束的所要位置)及表2的变量数据应用于方程式1，最小离隙角θi求解如下：
Figure BDA0002421350410000152
(其中O＜θi＜90°) (14)
Figure BDA0002421350410000153
(其中0＜θi＜90°)(15)
θi＝5° (16)
以下示范性激光发射加工工具10是针对负前角θ14(参见(例如)图5A、5B或5C)及蓝宝石材料。
实例2
R％ 20％
l 2.4mm
n<sub>2</sub> 1.7
Φ 0.200mm
h<sub>i</sub> 0.050mm
表3
将表3的变量数据应用于方程式10，a(即，切削刃22下方的光束的所要位置)求解如下：
Figure BDA0002421350410000154
Figure BDA0002421350410000155
a＝0.12mm (19)
借此，激光发射加工工具10的第一侧面18下方的有效光束位置是：(hi+a)＝(0.050mm+0.12mm)＝0.17mm。
接着，将所求解的a(即，切削刃22下方的光束的所要位置)及表3的变量数据应用于方程式9，最小离隙角θi求解如下：
Figure BDA0002421350410000161
(其中0＜θi＜90°) (20)
Figure BDA0002421350410000163
(其中0＜θi＜90°) (21)
θi＝7° (22)
相比而言，如上所见，鉴于实例1的基于金刚石的激光发射加工工具10的第一侧面18下方的激光束L的相同进入位置，由实例2的蓝宝石界定的较低折射率n2导致较大后离隙角θi将激光束L引导到切削刃22。
以下示范性激光发射加工工具10是针对零前角θ14(参见(例如)图5D)及金刚石材料。
实例3
R％ 70％
l 2.4mm
n<sub>2</sub> 2.417
Φ 0.200mm
h<sub>i</sub> 0mm
表4
将表4的变量数据应用于方程式10，a(即，切削刃22下方的光束的所要位置)求解如下：
Figure BDA0002421350410000165
Figure BDA0002421350410000166
a＝0.17mm (25)
借此，激光发射加工工具10的第一侧面18下方的有效光束位置是：(hi+a)＝(0mm+0.17mm)＝0.17mm。
接着，将所求解的a(即，切削刃22下方的光束的所要位置)及表4的变量数据应用于方程式9，最小离隙角θi求解如下：
Figure BDA0002421350410000171
(其中0＜θi＜90°) (26)
Figure BDA0002421350410000173
(其中0＜θi＜90°) (27)
θi＝7° (28)
参考图6，其展示可为镗削/分割半径工具的示范性激光发射加工工具10。图6表示由X-Z参考坐标标注的激光发射镗削/分割半径工具10的俯视图。如图6中所见，激光发射镗削/分割半径工具10经设定大小以在激光束入射面12处提供足够离隙角θbi，其允许激光束L在定位于工具固持器(未展示)的背面上时朝向切削刃22折射。平面可界定为围绕Y轴旋转，其中Y轴根据X-Z参考坐标指向页面外；除离隙角θbi之外，激光束入射面12可经进一步离隙以对应于θi来将激光束L向上引导到切削刃。
参考图7，其展示包含上文所描述的激光发射加工工具10中的任何者的系统100。在实例中，系统100可改装到现存加工工具上以提供工件W的激光辅助加工。在另一实例中，系统100可实施为用于提供工件W的激光辅助加工的独立设备。
系统100包含具有上游端102U及下游端102D的外壳102。外壳102的下游端102D可界定经设定大小以机械保持激光发射加工工具10的凹槽、空腔或其类似物。外壳102的上游端102U由光纤106(其由上游端106U及下游端106D界定)光学连接到激光产生器104。
激光产生器104产生激光束L，激光束L从光纤106的上游端106U穿过光纤106的长度而引导出光纤106的下游端106D，下游端106D连接到外壳102的上游端102U。激光束L从外壳102的上游端102U穿过外壳102的长度且光学传送出外壳102的下游端102D，使得激光束L被引导到激光发射加工工具10的激光束入射面12处。接着，激光束L行进穿过激光发射加工工具10且离开激光发射加工工具10的切削刃22及前刀面14及后隙面16中的一或两者。尽管上文已将激光束L描述为被发射穿过光纤106，但光纤106的使用是示范性配置，因为应理解，激光束L可以任何所要方式从激光产生器104发射到外壳102。
尽管上文将激光束L描述为由激光产生器104产生，但激光产生器104可替代地指称产生光、能量或其类似物的“产生器”。在实例中，产生器104可产生电磁光谱中的任何位置的光束L，其包含可见到不可见光谱范围。
在实例中，系统100可包含安置于外壳102内且光学连接到光纤106的下游端106D的准直透镜108。准直透镜108使激光束L准直，接着，导引激光束L穿过在外壳102内安置于准直透镜108下游且光学连接到准直透镜108的系列聚焦透镜110。聚焦透镜系列110减小光点大小且将激光束L聚焦于可跨越激光发射加工工具10的激光束入射面12延伸的焦平面。
系统100还可包含连接到聚焦透镜系列110的聚焦旋钮112。通过旋转聚焦旋钮112，用户可通过使聚焦透镜系列110的位置移位来选择性地调整激光束直径Φ及焦平面。
响应于激光束L的塑形及/或设定大小，用户可取得对激光束L离开激光发射加工工具10的激光束出射端26的方式的控制，使得激光束L不仅离开切削刃22，且还离开前刀面14及后隙面16中的一或两者，借此可使离开激光束出射端26的射线ΦR1、ΦR2选择性地偏向以离开前刀面14及后隙面16中的一者而非前刀面14及后隙面16中的另一者。
激光束L可基于激光发射加工工具10的激光束出射端26与工件W之间的接触面积及其它加工参数(其包含(但不限于)速度(例如转轴RPM)、工件W的切削深度、交叉馈及激光功率)塑形及/或设定大小。此外，可使用连接到聚焦透镜系列110(其在激光束L离开准直透镜108时改变激光束L的角度)的光束定位台114来相对于切削刃22精确定位激光束L。
在另一实例中，系统100可包含连接到外壳102的精密工具高度调整器116，其允许相对于工件W精细及自动调整激光发射加工工具10的切削刃22。精密工具高度调整器116的用户操纵准许在制造具有亚微米级(即，小于1微米)容限的精密零件时改进光制及图案形式。
在又另一实例中，系统100可包含连接到外壳102的智能型回转系统118。智能型回转系统118准许激光发射加工工具10的切削刃22以任何所要角度旋转以使激光发射加工工具10的切削刃22能够在(例如)加工工件W的凹面或凸面时沿其整个切削半径均匀地切削及磨耗，其中激光发射加工工具10的旋转角经优化使得沿切削刃22的磨耗区域关于其中心对称。
如上文所描述，系统100可作为改装系统或独立仪器并入以提供工件W的激光辅助加工。如上文图6中所见，激光发射加工工具10可为镗削/分割半径工具，因而，由系统100执行的加工过程可包含镗削工件W的动作。尽管由系统100执行的加工过程可包含镗削动作，但加工过程不限于为镗削，而是可包含(例如)车削、精密(即，容限在数十微米或数百微米内)钻削/铣削(参见(例如)图8)、刻划/刻痕(参见(例如)图9)、切割(参见(例如)图10)及其类似物。在实例中，转动操作是作为抵着加工工具移动材料的主要方法使工件W旋转的操作；车床是用于转动的主要加工工具。在另一实例中，铣削操作是其中加工工具旋转以使一或多个切削刃抵着工件W推动的操作；铣床是用于铣削的主要加工工具。在又另一实例中，钻削操作是其中通过使具有切削刃的旋转加工工具的下端与工件W接触来产生或精磨孔的操作；钻削操作主要在钻床中进行，但有时也在车床或铣床上进行。在又另一实例中，切割操作可包含使用精密(即，容限在数十微米或数百微米内)砂轮/锯条来分断或锯切。
参考图8到10'，其大体上以100a、100b及100c展示示范性系统。图8的系统100a是包含示范性激光发射钻削/铣削工具10a的示范性钻削/铣削系统。图9的系统100b是包含示范性激光发射刻划/刻痕工具10b的示范性刻划/刻痕系统。图10的系统100c是包含示范性激光发射切割工具10c的示范性切割系统。图10'的系统100c'是包含示范性激光发射抛光工具10c'的示范性抛光系统。系统100a、100b、100c、100c'可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件且因此此处不进一步加以详述。
在实例中，图8的钻削/铣削系统100a可围绕中心轴A-A旋转R以加工工件W。为准许围绕中心轴A-A旋转R，外壳102可包含隔离旋转轴承系统120。隔离旋转轴承系统120防止安置于外壳102内的光学器件随激光发射钻削/铣削工具10a旋转而旋转。此外，钻削/铣削系统100a可包含分束器122，其安置于外壳102内且布置成靠近外壳102的下游端102D以将激光束L输送到激光发射钻削/铣削工具10a的激光束入射面12的多个位置。钻削/铣削系统100a的示范性用途可包含(但不限于)精密钻削/铣削陶瓷、半导体、光学晶体、玻璃、金属、骨头、牙齿及其类似物。
在实例中，除相应激光发射加工工具10b、10c的形状及/或结构之外，图9的刻划/刻痕系统100b及图10的切割系统100c可包含相对于外壳102的基本上类似结构。如图9中所见，刻划/刻痕系统100b包含相似于尖笔的圆锥形激光发射刻划/刻痕工具10b。刻划/刻痕系统100b的示范性用途可包含(但不限于)半导体晶片刻划/刻痕、半导体电路刻痕及其类似物。如图10中所见，切割系统100c包含基本上平坦或钝化激光发射切割工具10c。尽管激光发射切割工具10c可不断旋转，但激光束L可在激光发射切割工具10c的激光束出射端26与工件W之间的接触点沿固定光束路径时保持静置。切割系统100c的示范性用途可包含(但不限于)玻璃切割、晶片切割及其类似物。
在实例中，图10'的抛光系统100c'可包含光学垫接口，其允许激光束L发射穿过其而到抛光/研光垫。发射激光束L允许热软化工件W。与常规非激光抛光/研光过程相比，工件W的软化将促进较高材料移除速率。另外，热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137(参见(例如)图17)可喷射或安置于激光发射抛光工具10c的激光束出射端26及/或研光垫上以增强激光发射及增强工件W的抛光/研光特性。
参考图11，其大体上以100d展示示范性系统。系统100d是包含示范性激光发射切削工具10d的示范性切削系统。激光发射切削工具10d可包含基本上类似于上文所描述的图1的激光发射加工工具10的几何形状的几何形状。系统100d可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件且因此此处不进一步加以详述。
如上文相对于图7的系统100所类似描述，系统100d的产生器104可产生电磁光谱中的任何位置的光束L，其包含可见到不可见光谱范围。在实例中，产生器104可为包含双激光系统(即，可见光及IR光)的激光产生器，其中可见光束及IR光束两者是共线的。可见光束(其可为(例如)632nm HeNe光束)用于使光束L沿(XYZ坐标系的)X轴相对于激光发射切削工具10d的刀尖半径居中；IR光束(其可为(例如)1064nm)用于使光束L沿(XYZ坐标系的)Y轴与其所要位置对准。
如图11中所见，外壳102还可包含X轴微调旋钮124、Y轴微调旋钮126及Z轴微调旋钮128。X轴微调旋钮124、Y轴微调旋钮126及Z轴微调旋钮128连接到准直透镜108及聚焦透镜系列110，使得X轴微调旋钮124、Y轴微调旋钮126及Z轴微调旋钮128中的一或多者的旋转导致对光束L进入激光发射切削工具10d的激光束入射面12的方式的精确控制，以将光束L选择性地引导出激光发射切削工具10d的激光束出射端26的切削刃22及前刀面14及后隙面16在的一或多者。
参考图12，光束L的可见光束用于将光束L定位到(XYZ坐标系的)所要X轴位置。因为光束L的可见光束与光束L的IR光束共线，所以可见光束充当导引激光。
如图12中所见，系统100d还可包含可见光束成像摄像机130，其包含光束对准软件。在实例中，摄像机130可连接到计算机工作站132，计算机工作站132包含可在可编程系统上执行及/或解译的程序，所述可编程系统包含至少一个可编程处理器(其可为专用或通用的，所述至少一个可编程处理器经耦合以从存储系统接收数据及指令及将数据及指令传输到存储系统)、至少一个输入设备及至少一个输出装置。响应于光束对准软件确定光束L的可见光束(其可指称可见校准光束)未根据由可见光束成像摄像机130成像的图像来最佳对准，摄像机130可将信号发送到计算机工作站132以在显示器上显示与X轴微调旋钮124、Y轴微调旋钮126及Z轴微调旋钮128中的一或多者的调整或旋转相关联的指令或建议优化值。
由产生器104投影的可见光束L可经塑形以相似于激光发射切削工具10d的切削刃22或刀尖半径。参考图13A到13C，由产生器104投影的可见光束L可经塑形以相似于对应于激光发射切削工具10d的切削刃22或刀尖半径的形状的新月形形状。在实例中，X轴微调旋钮124、Y轴微调旋钮126及Z轴微调旋钮128中的一或多者可经调整以取决于(例如)被切削的工件W的几何形状或沿激光发射切削工具10d的刀尖半径的最大“工作面积”来使可见光束L居中(参见(例如)图13A)或偏向所要方向(参见(例如)图13B中的左光束偏向或图13C中的右光束偏向)。
参考图14，系统100d还可包含能量计或功率计134。在实例中，功率计134可连接到计算机工作站132。如图14中所见，光束L的IR光束(其也用于切削工件W的激光辅助切削过程期间)可用于进行光束L相对于激光发射切削工具10d的几何形状的精细对准及精确定位。相应地，在实例中，IR光束(或替代波长)穿过激光发射切削工具10d的切削刃22或刀尖半径且IR光束的输出功率由功率计134测量以使光束L居中。
参考图15，其展示说明从基于单晶金刚石的激光发射加工工具10获得的示范性测试数据的曲线200。基于单晶金刚石的激光发射加工工具10可由0.5mm刀尖半径界定。通过调整或旋转Y轴微调旋钮126以移动光束L的Y轴位置(其使光束L沿前角θ14及螺腹角θ16有效移动)来产生与曲线200相关联的数据。一旦已标绘数据，就将点1及2识别为与光束L的100％倾偏(rake bias)及光束L的100％侧偏(flank bias)相关联的最大限度。一旦由功率计134感测的功率读数在前角θ14及螺腹角θ16处开始饱和，就识别点1及2。一旦已识别有效区域(在点1与2之间)，那么用户可基于将被加工的工件W及应用及激光发射加工工具10的几何形状来选择所要光束位置及相关联偏向。
如上文在图5A到5E所解释，可基于工件W的几何形状及界定工件W的材料的质量来选择激光发射加工工具10的特定几何形状(即，界定中级负斜度、高度负斜度及零斜度的前角θ14展现特定材料上的压缩力及拉伸力的不同程度)。在实例中，一些材料(例如陶瓷及光学晶体)具有强压缩性及弱拉伸性，其将导致界定高度负斜度的所选择前角θ14(参见(例如)图5A)。
在使用高度负倾斜激光发射切削工具10d来加工硅的实例中，系统100d的用户可选择使光束L偏向高度负倾斜激光发射切削工具10d的前刀面14以支持发生于工件W的压缩区域WC中的材料移除。如上文所解释，光束L弱化工件W的压缩区域WC中的分子键以因此减小材料的硬度，借此使材料更易加工。
替代地，在另一实例中，用户可判断加工过程及工具力引起工件W的拉伸区域WT的表面及子表面损坏。为最小化此损坏，系统100d的用户可选择使光束L偏向激光发射切削工具10d的后隙面16，其中退火或“愈合”效应将最小化工件W的拉伸区域WT的表面及子表面损坏的发生。
在关于加工金属(例如铝)的又另一实例中，零或正倾斜激光发射切削工具10d可由用户选择，这是因为金属通常具有强拉伸区域WT及弱压缩区域WC。为进一步促进工件W的拉伸区域WT的可加工性，可使光束L偏向激光发射切削工具10d的后隙面16。
参考图16，系统100d还可包含光束测绘器136。在实例中，光束测绘器136可连接到计算机工作站132。也可使用光束测绘器136来对准光束L，光束测绘器136对检测激光发射切削工具10d的各种角度及几何形状足够敏感。
参考图17，其大体上以100f展示示范性系统。系统100f是包含示范性激光切削工具10f的示范性切削系统。激光发射切削工具10f可包含基本上类似于上文所描述的图1的激光发射加工工具10的几何形状的几何形状。系统100f可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件且因此此处不进一步加以详述。系统100f还可包含含于外壳102内的光学子外壳101。光学子外壳101可使用用于调整含于光学子外壳101内的光学器件108、110的空间调整装置111来连接到外壳102。光学器件108、110在三维XYZ坐标系的X方向、Y方向或Z方向中的任何者上的空间调整调整激光束L进入到激光发射切削工具10f的入射面12中以引导、塑形及定位切削刃22及前刀面14及后隙面16中的一或两者处的激光束L。
参考图18，其大体上以100g展示示范性系统。系统100g是包含示范性激光发射切削工具10g的示范性切削系统。激光发射切削工具10g可包含基本上类似于上文所描述的图1的激光发射加工工具10的几何形状的几何形状。系统100g可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件且因此此处不进一步加以详述。系统100g还可包含含于供应器或贮存器内的热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137。热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137可通过软管139传送出贮存器及喷嘴141。包含泵及阀中的一或多者的致动器143可流体连接到软管139以取得对将喷射或安置于激光发射切削工具10g的激光束出射端26上的热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137的量的控制。在实例中，计算机工作站132可连接到致动器143以(例如)将信号发送到致动器143而准许热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137朝向激光发射切削工具10g的激光束出射端26不断流动或周期性流动(例如，通过连续打开及关闭阀)。尽管可泵送热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137，但可替代地重力进给热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137。此外，尽管可喷射热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137，但可替代地使热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137喷雾或涌出。在转动、钻削、磨削或抛光应用中，热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137可安置于激光发射切削工具10g的激光束出射端26上。此外，可将热活化/激光活化切削流体/浆液/蚀刻剂137引导向工件W、激光发射切削工具10g或工件W及激光发射切削工具10g两者。
参考图19，其大体上以100h展示示范性系统。系统100h是包含至少一个示范性激光发射切削工具10h(例如10h1及10h2两者)的示范性切削系统。每一激光发射切削工具10h1、10h2可包含基本上类似于上文所描述的图1的激光发射加工工具10的几何形状的几何形状。系统100h可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件且因此此处不进一步加以详述。系统100h还可包含分束器146。分束器146将激光束L分割成第一光束部分L1及第二光束部分L2。第一光束部分L1被引导到第一激光发射切削工具10h1的入射面12且第二光束部分L2被引导到第二激光发射切削工具10h2的入射面12。系统100h可用于将激光能量同时引导到第一激光发射切削工具10h1且第二光束部分L2被引导到第二激光发射切削工具10h2的入射面12。
参考图20，其大体上以100i展示示范性系统。系统100i是包含示范性激光发射切削工具10i及至少一个激光产生器104h(例如1041及1042两者)的示范性切削系统。激光发射切削工具10i可包含基本上类似于上文所描述的图1的激光发射加工工具10的几何形状的几何形状。系统100i可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件且因此此处不进一步加以详述。第一激光产生器1041产生通过第一光纤1061传送的第一激光束L1(其随后被引导到激光发射切削工具10i的入射面12)且第二激光产生器1042产生通过第二光纤1062传送的第二激光束L2(其随后被引导到激光发射切削工具10i的入射面12)。第一激光束L1及第二激光束L2可由唯一波长界定，将所述波长输送到激光发射切削工具10g的激光束出射端26的不同部分(例如切削刃22、前刀面14及后隙面16)以将多个激光能量源提供到激光发射切削工具10g的不同侧以将不同类型的激光能量提供到工件W。
参考图21，其大体上以100j展示示范性系统。系统100j是包含磨削工件W的激光发射磨削工具10j的磨削系统。在一些例子中，磨削工具10j可用于抛光操作中，因此，工具10j及系统100j可替代地指称激光发射抛光工具及抛光系统。激光发射磨削工具10j可经塑形以界定具有轮或轮胎形状的圆盘，所述轮或轮胎形状由接合第一侧壁表面140及第二侧壁表面142的轮面138界定。系统100j可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件(例如外壳102及其类似物)且因此此处不进一步加以详述。如图21中所见，激光束L被引导到界定激光发射磨削工具10j的第一侧壁表面140的激光束入射端24且接着离开界定激光发射磨削工具10j的轮面138的激光束出射端26。轮面138直接啮合工件W，工件W由激光束L加热及软化以增强工件W的可加工性(即，磨削)。
参考图22，其大体上以100k展示示范性系统。系统100k是包含激光发射工件W及磨削工件W的非光学发射磨削工具10k的磨削系统。非光学发射磨削工具10k可经塑形以界定具有轮或轮胎形状的圆盘，所述轮或轮胎形状由接合第一侧壁表面146及第二侧壁表面148的轮面144界定。系统100k可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件(例如外壳102及其类似物)且因此此处不进一步加以详述。如图22中所见，在非光学发射磨削工具10k的轮面144处引导激光束L穿过工件W。由于激光束L入射于非光学发射磨削工具10k的轮面144上，所以轮面144由激光束L加热以增强工件W的可加工性(即，磨削)。
参考图23，其大体上以100l展示示范性系统。系统100l是包含刻压工件W的激光发射刻压工具10l的材料特性测试系统。系统1001可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件(例如外壳102及其类似物)且因此此处不进一步加以详述。
在实例中，系统100l的激光发射刻压工具10l刻压(纳米、微米或宏观级)以测试工件W的材料硬度。可在室温(例如72°F)处或在接近室温(例如72°F)处进行材料硬度测试以确定材料在高温处的行为、稳定性及硬度。
工具轴件150可从外壳102的下游端102D延伸。负载施加致动器152可接合到工具轴件150且位移传感器154可布置于工具轴件150周围。在由激光发射刻压工具10l加热及软化工件W之后，致动负载施加致动器152以使工具轴件150朝向工件W直进。由于激光发射刻压工具10l被驱动到工件W中且刻压工件W，所以位移传感器154检测工具轴件150沿直进方向朝向工件W行进的量。位移传感器154连接到计算机工作站132以在显示器上显示工具轴件150的行进量及与工具轴件150的行进量相关联的工件W的材料的对应硬度。
参考图24，其大体上以100m展示示范性系统。系统100m是包含刻压工件W的激光发射刻压工具10m的材料特性测试系统。系统100m可包含基本上类似于图7的系统100的结构及组件(例如外壳102及其类似物)且因此此处不进一步加以详述。
在实例中，系统100m的激光发射刻压工具10m刻压(纳米、微米或宏观级)以测试工件W的材料硬度。可在室温(例如72°F)处或在接近室温(例如72°F)处进行材料硬度测试以确定材料在高温处的行为、稳定性及硬度。
如同图23的系统100l，系统100m包含从外壳102的下游端102D延伸的工具轴件156。负载施加致动器158可接合到工具轴件156且位移传感器160可布置于工具轴件156周围。负载施加致动器158经致动以使工具轴件156朝向工件W直进。由于激光发射刻压工具10m被驱动到工件W中且刻压工件W，所以位移传感器160检测工具轴件156沿直进方向朝向工件W行进的量。位移传感器160连接到计算机工作站132以在显示器上显示工具轴件156的行进量及与工具轴件156的行进量相关联的工件W的材料的对应硬度。
系统100m还可包含(例如)布置于外壳102内的电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)摄像机162及分束器或激光束反射镜164。CCD摄像机162连接到计算机工作站132以进行拉曼(Raman)光谱分析，使得激光束L也由激光束反射镜164反射回CCD摄像机162以捕获激光束L的散射线ΦA、ΦR1、ΦR2的图像以在刻压过程期间执行工件W的原位特性材料。
已描述若干实施方案。然而，应理解，可在不背离本发明的精神及范围的情况下进行各种修改。因此，其它实施方案是在所附权利要求书的范围内。举例来说，权利要求书中所列举的动作可以不同顺序执行且仍实现所要结果。

Claims (20)

1.一种用于加工工件的光电机械工具，所述光电机械工具包括：
材料体，其具有入射面、前刀面、连接到所述前刀面以界定切削刃的后隙面、延伸于所述入射面与所述前刀面之间的前侧面、以及延伸于所述入射面与所述后隙面之间的后侧面，
其中所述入射面经配置以接收光束且将所述光束折射到所述前刀面、所述后隙面及所述切削刃，从而引起所述光束折射到所述工件中并在压缩区域及拉伸区域处加热所述工件，所述压缩区域接近至少所述前刀面延伸，且所述拉伸区域接近所述后隙面延伸。
2.根据权利要求1所述的光电机械工具，其中所述前刀面延伸远离所述前侧面以界定前角，且所述后隙面延伸远离所述后侧面以界定相对于所述前角的螺腹角。
3.根据权利要求1所述的光电机械工具，其中界定所述体的所述材料包括以下各者中的一者：金刚石、蓝宝石、立方氮化硼CBN、硅或玻璃复合物。
4.根据权利要求1所述的光电机械工具，其进一步包括安置于所述入射面上的抗反射涂层。
5.一种用于加工工件的系统，所述系统包括：
光电机械工具，其包括具有多个面的材料体，所述多个面包含：入射面、前刀面、连接到所述前刀面以界定切削刃的后隙面、在所述入射面和所述前刀面之间延伸的前侧面、和在所述入射面和所述后隙面之间延伸的后侧面，其中所述多个面界定所述光电机械工具的光束入射端及所述光电机械工具的光束出射端，所述光束出射端由所述前刀面、所述后隙面及所述切削刃界定；及
光产生器，其光学连接到所述光电机械工具的所述光束入射端，以使由所述光产生器产生的光束光学地传送到所述光束入射端，穿过所述材料体而从以下各者传出：
所述切削刃；及
所述前刀面及所述后隙面中的一或两者。
6.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括：
光学器件，其包括至少一准直透镜及一系列聚焦透镜，所述准直透镜光学连接到所述光产生器，以使所述光束在由所述光电机械工具的所述光束入射端接收之前准直，其中所述系列聚焦透镜光学连接到所述准直透镜，以使所述光束在由所述光电机械工具的所述光束入射端接收之前聚焦；及
光学器件接口，其包括连接到所述系列聚焦透镜的聚焦旋钮，所述聚焦旋钮调整所述光束的焦平面及直径以使所述光束的射线选择性地偏向所述前刀面或所述后隙面，其中所述光学器件接口包含连接到所述系列聚焦透镜的一或多个光束定位台，所述一或多个光束定位台改变所述光束离开所述准直透镜时的光束的角度。
7.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括分束器，所述分束器经配置以分割所述光束，以将所述光束输送到所述光电机械工具的所述光束入射端的多个位置。
8.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括：
热活化或激光活化的切削流体、浆液或蚀刻剂，其容纳于供应器或贮存器内，所述热活化或激光活化的切削流体、浆液或蚀刻剂从喷嘴传送出，到达所述光电机械工具的所述光束出射端；及
致动器，其包含泵及阀中的一或多者，所述致动器流体连接到所述供应器或贮存器，以取得对将安置于所述光电机械工具的所述光束出射端上的所述热活化或激光活化的切削流体、浆液或蚀刻剂的量的控制。
9.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括：
光束成像摄像机；及
计算机工作站，其连接到所述光束成像摄像机，其中所述光束成像摄像机使穿过所述光电机械工具传播的校准光束成像，且将所述校准光束的图像传送到所述计算机工作站，其中所述计算机工作站接收并显示所述图像。
10.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括能量计或功率计，其连接到所述计算机工作站，以测量穿过所述光电机械工具的所述切削刃的所述光束的输出功率。
11.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括光束测绘器，其连接到所述计算机工作站，所述光束测绘器检测所述光电机械工具的定向角或几何形状，以使通过所述光电机械工具传播的所述校准光束对准。
12.一种用于加工工件的方法，所述方法包括：
在光电机械工具的光束入射端处接收光束，所述光电机械工具邻近所述工件安置，所述工件界定压缩区域和拉伸区域；
发射所述光束通过所述光电机械工具的材料体，所述材料体在所述光电机械工具的所述光束入射端和所述光电机械工具的所述光束出射端之间延伸，致使所述光束折射进入所述工件；
选择性地将所述光束引导出所述光电机械工具的切削刃、以及所述光电机械工具的前刀面和所述光电机械工具的后隙面中的一或两者，其中所述切削刃、所述前刀面及所述后隙面界定所述光电机械工具的所述光束出射端：
基于所述光束的所述选择性的引导，将拉伸力从所述光电机械工具施加所述工件的拉伸区域；
基于所述光束的所述选择性的引导，将压缩力从所述光电机械工具施加所述工件的压缩区域，施加到所述工件的所述压缩区域的所述压缩力大于或小于施加到所述工件的所述拉伸区域的所述拉伸力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述工件包括硅材料；且
选择性地将所述光束引导出所述后隙面促进所述拉伸区域的退火。
14.根据权利要求13所述的方法，其中选择性地将所述光束引导出所述前刀面减小了所述压缩区域的硬度。
15.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括，当加工所述工件时，将热活化或激光活化的切削流体、浆液或蚀刻剂朝向所述光束出射端引导。
16.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述工件包括金属材料或金属复合物；且
选择性地将所述光束引导出所述后隙面促进所述拉伸区域的材料的塑性变形、热软化及/或移除。
17.根据权利要求12所述的方法，其中界定所述体的所述材料包括以下各者中的一者：金刚石、蓝宝石、立方氮化硼CBN、硅或玻璃复合物。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述光电机械工具包括安置于所述光束入射端之上的抗反射涂层。
19.根据权利要求12所述的方法，其中接收所述光束包括从光学地连接到所述光束入射端的光产生器接收所述光束。
20.根据权利要求19所述的方法，其中选择性地引导所述光束包括调整安置于所述光产生器和所述光束入射端之间的一或多个光束定位台。
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