CN111347571A - 用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于硬脆材料加工相关技术领域，其公开了一种用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统及方法，系统包括相连接的激光发生器及光学器件、位置调节装置、刀具固定和高度调节装置及激光辅助加工刀具组件，刀具固定和高度调节装置及位置调节装置相对间隔设置，光学器件连接于位置调节装置；激光辅助加工刀具组件安装在刀具固定和高度调节装置上；激光辅助加工刀具组件包括激光辅助加工刀具，激光辅助加工刀具包括激光束入射面及切削刃；通过调节位置调节装置及光学器件以使整形之后的激光光束自激光束入射面入射到激光辅助加工刀具，并自切削刃出射，以实现在加工的同时加热软化工件材料。本发明结构简单，成本较低，实施方便。

Description

用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统及方法

技术领域

本发明属于硬脆材料加工相关技术领域，更具体地，涉及一种用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统及方法。

背景技术

光学硬脆材料如Si、SiC等，因其卓越的机械性能、热力学性能和光学性能，使其在日新月异的高新技术产业，如微机电系统和光学电子应用特别是红外光学等领域中被越来越多的利用，并且随着光学技术的飞速发展，相应行业对光学硬脆材料制成的光学元器件提出了越来越高的加工质量要求(如较低的表面粗糙度、面形精度和亚表面损伤等)。在传统的光学硬脆性材料的加工工艺中，要想得到比较好的表面质量，尽可能减少或者消除亚表面损伤，需要进一步的后续工艺如研磨和抛光等来消除由于之前的工序造成的损伤，随之带来的是加工成本和工序时间的大幅度增加。有研究显示，在传统的加工工艺中，抛光工艺费用可以占到由硬脆材料制成的光学器件加工成本的60％～70％，且本领域相关技术人员也做了一些研究，如专利CN101712131A公开了一种用于单晶硅方形棒平面加工的多工位磨削装置，可以实现多工位、多工件、多工艺(粗磨、精磨和抛光等)的循环连续工作，该方案包括了多个加工模块，如果一个模块出现故障势必会严重影响加工效率，增加加工成本，又如CN105108608A公开了一种硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，主要采用砂轮磨削的方式实现硬脆材料的塑性加工，其并没有提高光学硬脆材料的临界切削厚度，难以真正增加实际的切削深度，严重限制了加工效率的提高，砂轮虽能达到较高的局部表面粗糙度，但难以保证较高的全局面形精度。

近年来非常流行用激光辅助加工的方法加工传统方法难以加工的材料，相关的研究也越来越多，这些常规方法主要通过向工件施加热量以引起工件材料的软化或者改性从而提升工件材料的可加工性能。在传统的激光辅助车削加工方法中，需要十分精确的控制激光光斑的大小和位置来保证只要工件材料的待加工部位受到激光能量的加热，才能不会对工件的未加工部分和已加工表面造成热震损伤。传统的微激光辅助加工方法要求将激光器和加工工具分开放置，在刀具切削待加工区域之前用激光辐射对工件材料进行局部加热和软化，这使得传统的激光辅助加工设备非常复杂，需要的激光器功率大，能耗大，能量的利用率低，且设备价格昂贵，体积较大，不便于系统化的集成。其次，由于光学领域对硬脆材料制成的光学元件的加工精度要求十分苛刻(纳米量级的表面粗糙度要求和亚微米量级的面形精度要求)，传统的激光辅助加工方法难以达到与之能够相匹配的激光参数控制精度(激光束斑直径和激光光斑位置精度)。再次，传统的激光辅助车削加工工艺由于激光束光斑直径较大，难以将激光光斑所形成的温度场和刀具切削区域进行精确匹配，实现局部温度场的精确控制。若激光加热温度过低，则无法实现对材料的加热软化，但温度过高，则会引起材料表面产生热裂纹，降低材料的加工性能，甚至可能引起材料烧蚀，恶化表面质量，因此无法将传统的激光辅助加工方法用在光学硬脆材料的超精密高效低损伤加工工艺中。

US4229640公开了一种通过使用具有切削刃和与之相邻的前刀面的切削工具加工工件的方法，加工刀具的前刀面从工件材料中提起切屑，其中将要被去除的工件材料的局部区域通过激光器加热，激光器和加工刀具布置在工件的被加热区域与加工刀具相邻的两个不同局部区域，该方法和装置需要大量的能量，因为需要在至少大于材料的玻璃化转变温度或者高于多晶材料的热软化点的温度下才能实现材料的宏观变形，所以激光源需要较大的功率(KW)。又如专利CN103567464A公开了激光加热辅助微车削装置及方法，其包括旋转滑台、平动滑台、激光器和卡具，平动滑台固定在Y向滑台上，旋转滑台固定在平动滑台上，激光器通过卡具固定于旋转滑台上，激光器枪头轴线与机床刀具的刀尖所在铅直面共面，该方案将激光器与微车削装置结合，通过激光器的光线作用于微型刀尖前端，实现激光对待加工工件进行局部预热，如此一方面，该系统由于是特制的微车削装置，无法使之与现有的数控机床进行有效集成，适用范围较窄，且可加工的零件尺寸较小，待加工工件直径的取值范围为0.1mm～10mm；另一方面，该方案中激光器发出的光纤作用下刀尖前端距刀尖一个光斑半径处的车削路径上，未能将激光和刀具进行有效耦合，能量利用效率不高。同时，上述方案均存在难以将激光光斑所形成的温度场和刀具切削区域进行精确匹配的温度，容易使加工表面产生微裂纹，发生材料烧蚀等现象，恶化表面质量。

随着光学仪器的飞速发展尤其是军用光学侦查等应用需求不断更新，基于硬脆材料(单晶硅、锗、碳化硅等)的光学元件广泛地应用于红外光学系统中，并提出了越来越高的面型精度和表面粗糙度要求，且形状由传统的球面演变为非球面甚至更复杂的自由形式曲面，以单晶硅来说，其具有坚硬、坚固、化学惰性和重量较轻等特性，更重要的是其具有良好的光学性能，宽能带隙和较高的最大电流密度，这种性能的组合使其成为光学和光电行业的理想材料。由于单晶硅的高硬度、脆性特性和较差的机械加工性，加工单晶硅而不引起表面和亚表面损伤是非常难的，其加工难度主要受较高的加工成本和较低的产品可靠性限制，成本高主要是由于刀具昂贵，刀具磨损快，加工时间长，生产率低以及难以加工较高表面粗糙度和表面形貌造成的，产品可靠性低主要是由于传统的单点金刚石车削加工出的光学元件亚表面损伤难以控制造成的，产品可能在服役过程中产生可靠性不稳定等情况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统及方法，所述加工系统经济高效且可方便地与现有的超精密机床集成，克服传统光学硬脆性材料超精密车削过程中刀具磨损严重、表面和亚表面损伤严重和效率低等问题，实现了光学硬脆材料的超精密高效低损伤加工，以获得无暇表面。本发明有别于传统激光辅助切削，激光束穿过特制的单晶金刚石刀具，并从单晶金刚石刀具的前刀面和后刀面连接处的切削刃部分出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以实现在切削加工的同时软化工件材料，如此以来，降低了待加工工件待切削区域局部的硬度，可以实现更大切深的塑性模式加工，增加了工件去除率和加工的效率，同时减小了刀具使用寿命，此外还可以有效抑制亚表面损伤的产生，如此有效地结合了激光和单点车削工艺的优点，结构简单，成本较低，实施方便。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，所述系统包括激光发生器、位置调节装置、光学器件、刀具固定和高度调节装置及激光辅助加工刀具组件，所述激光发生器与所述光学器件相连接，所述刀具固定和高度调节装置及所述位置调节装置相对间隔设置，所述光学器件连接于所述位置调节装置，所述位置调节装置用于带动所述光学器件进行上下、左右、前后移动；所述激光辅助加工刀具组件安装在所述刀具固定和高度调节装置上，所述刀具固定和高度调节装置用于承载和调节所述激光辅助加工刀具组件的高度；

所述激光辅助加工刀具组件包括激光辅助加工刀具，所述激光辅助加工刀具包括激光束入射面、后刀面及前刀面，所述前刀面与所述后刀面的连接处形成切削刃，所述激光束入射面与所述光学器件相对；所述光学器件用于对所述激光发生器产生的激光光束进行准直及聚焦，并将整形后的激光光束传输到所述激光辅助加工刀具；通过调节所述位置调节装置及所述光学器件以使整形之后的激光光束自所述激光束入射面入射到所述激光辅助加工刀具，并自所述切削刃出射后辐照在待加工工件的材料上，以实现在加工的同时加热软化工件材料。

进一步地，所述位置调节装置包括两个粗定位导轨、两个限位块、支撑平板、X方向组件、Y方向组件及Z方向组件，两个所述粗定位导轨间隔设置，两个所述限位块分别连接于两个所述粗定位导轨且位于两个所述粗定位导轨之间；所述Z方向组件连接于所述粗定位导轨，所述X方向组件连接于所述Z方向组件，所述Y方向组件连接于所述X方向组件，所述Y方向组件连接于所述光学器件。

进一步地，所述光学器件包括连接固定器、光纤接口、准直透镜模块、聚焦透镜模块及光学器件输出端，所述光纤接口通过光纤与所述激光发生器的光纤接口相连接；所述准直透镜连接所述光纤接口及所述聚焦透镜模块，所述光学器件输出端连接于所述聚焦透镜模块远离所述准直透镜模块的一端；所述连接固定器连接及固定所述光纤接口及所述激光发生器的光纤接口。

进一步地，所述光学器件还包括聚焦旋钮，所述聚焦旋钮设置在所述聚焦透镜模块上，其用于调节经过整形之后的所述激光光束的焦平面相对于所述光学器件输出端的位置。

进一步地，所述系统还包括高度调整垫块，所述高度调整垫块连接于所述刀具固定和高度调节装置；所述刀具固定及高度调节装置包括支撑块、刀架支撑件、刀具高度调节螺母、第二连接件、第一支撑件及第二支撑件，所述第二连接件设置在所述高度调整垫块上，其呈矩型；所述刀架支撑件设置在所述第二连接件的一端，所述第一支撑件与所述第二支撑件间隔设置，所述第一支撑件连接所述第二连接件及所述刀架支撑件，所述第二支撑件连接所述第二连接件及所述刀架支撑件；所述支撑块连接于所述刀架支撑件；所述支撑块上形成有两个间隔设置的导向柱，所述导向柱上形成有外螺纹，所述刀架支撑件上设置有螺母固定块，所述螺母固定块位于所述支撑块的上方，其开设有供所述导向柱穿过的螺纹孔，所述螺纹孔与所述导向柱的外螺纹形成螺纹连接，所述刀具高度调节螺母螺纹连接在所述导向柱上；通过旋转所述导向柱及所述刀具高度调节螺母来调节所述刀具固定和高度调节装置相对于所述高度调整垫块的高度。

进一步地，所述激光辅助刀具设置在所述支撑块上。

进一步地，所述刀架支撑件开设有通孔，所述通孔位于所述螺母固定块与所述支撑块之间，其用于供来自所述光学器件的激光光束穿过以入射到所述激光辅助加工刀具组件。

进一步地，所述系统还包括相连接的可见光束成像照相机及微处理器，所述可见光束成像用于观测所述激光光束相对于所述切削刃的位置，并将检测结果传输给所述微处理器；若所述微处理器根据接收到的数据确定射入所述激光辅助加工刀具的激光光束偏离所述切削刃，则通过调节所述位置调节装置及所述光学器件以使得射入所述激光辅助加工刀具的激光光束自所述切削刃出射。

进一步地，所述系统还包括连接于所述微处理器的功率计，所述功率计用于实时测量穿过所述激光辅助加工刀具的激光光束的输出功率，并将检测到的数据传输给所述微处理器，所述微处理器对接收到的数据与预设数据进行比较，若得到的差值在预定范围内，则所述微处理器不发出指令；否则所述微处理器控制所述激光发发生器以使自所述切削刃出射的激光光束的输出功率在预定数值。

按照本发明的另一个方面，提供了一种用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工方法，所述方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，并通过所述刀具固定和高度调节装置调节所述激光辅助加工刀具到预定高度；

(2)通过所述位置调节装置及所述光学器件调节经所述光学器件整形后的激光光束相对于所述激光辅助加工刀具的位置，使得整形之后的激光光束能够自所述激光束入射面入射到所述激光辅助加工刀具，并自所述切削刃出射后辐照在待加工工件的光学硬脆材料上；

(3)确定切削参数后，所述系统对光学硬脆材料进行加工。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统及方法主要具有以下有益效果：

1.所述激光束发生器产生的激光束经过光学器件的准直和聚焦之后入射到所述激光辅助加工刀具的激光入射面，并自激光辅助加工刀具的切削刃出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以加热软化所述工件，如此降低了待加工工件材料的局部硬度，减小了加工过程中的切削力，延长了刀具使用寿命，降低了产品的加工成本。

2.通过调节或者旋转所述精密调节激光光束位置的位置调节装置中三个精密位移定位平台(X方向精密位移定位平台，Y方向精密位移定位平台和Z方向精密位移定位平台)的调节旋钮，可以在激光束离开聚焦透镜时改变激光束相对激光辅助加工刀具激光束入射面的入射角度和入射位置，使得经过整形后的激光束精确照射到切削刃的位置，以促进材料的塑性变形及热软化作用，增加能量转化效率，增加材料的临界切深，提高材料去除率，实现硬脆材料的高效加工。

3.本发明结合了激光辅助加工技术和单点金刚石车削工艺的优点，可以实现比传统的单点金刚石车削工艺更高精度的超精密加工。

4.本发明在传统的单点金刚石车削工艺中引入了激光辅助加工技术，可以克服传统硬脆材料超精密车削过程中表面和亚表面损伤严重的问题，能够有效抑制表面和亚表面损伤的产生，实现光学硬脆材料的低损伤加工。

附图说明

图1是本发明提供的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统使用时的示意图；

图2是图1中的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统的光学器件的示意图；

图3是图1中的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统的激光辅助加工刀具的示意图；

图4是在切削速度为1000mm/min和切深2um的条件下，采用不同的激光器输出功率(激光器输出功率0.0W代表传统的单点金刚石车削工艺)加工同一种单晶硅材料，实测所得到的单晶硅材料的临界切深和激光器输出功率的关系示意图；

图5是采用相同的车削加工参数和相同的单晶硅工件材料，传统的单点金刚石车削工艺和本发明提供的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工方法加工的工件表面质量对比图(表面粗糙度值Sa和Sz)，其中(a)是采用传统的单点金刚石车削工艺加工的工件亚表层的透射电镜照片，(b)是采用本发明所提供的方法加工的工件亚表层的透射电镜照片；

图6是是采用相同的车削加工参数和相同的单晶硅工件材料，传统的单点金刚石车削工艺和激光辅助单点金刚石车削方案加工的工件亚表层的透射电镜照片，其中(a)是采用传统的单点金刚石车削工艺加工的工件亚表层的透射电镜照片，图(b)是采用本发明所提供的加工方法加工的工件亚表层的透射电镜照片。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1000-激光辅助低损伤切削加工系统，901-第一连接件，902-支撑件，800-位置调节装置，801-粗定位导轨，802-限位块，803-支撑平板，804-X方向调节旋钮，805-X方向位移平台，806-Y方向调节旋钮，807-Y方向位移平台，808-Z方向调节旋钮，809-Z方向位移平台，700-光学器件，701-激光光束，702-连接固定器，703-光纤接口，704-准直透镜模块，705-聚焦透镜模块，706-聚焦旋钮，707-光学器件输出端，600-超精密加工机床平台，500-转接平台，501-连接孔，400-高度调整垫块，300-刀具固定和高度调节装置，301-支撑块，302-刀架支撑件，303-螺母固定块，304-刀具高度调节螺母，305-支撑块固定孔，306-第二连接件，307-第一支撑件，308-第二支撑件，200-激光辅助加工刀具组件，201-激光辅助加工刀具，202-刀柄，101-可见光束成像照相机，102-功率计，1-激光束入射面，2-上表面，3-前刀面，4-切削刃，5-后刀面，6-下表面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明提供的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统1000，所述激光辅助低损伤切削加工系统1000包括激光发生器、第一连接件901、支撑件902、位置调节装置800、光学器件700、高度调节垫块400、刀具固定和高度调节装置300、激光辅助加工刀具组件200、可见光束成像照相机101、功率计102及微处理器，所述高度调节垫块400与所述位置调节装置800相对设置，所述支撑件902连接于所述第一连接件901，所述第一连接件901连接所述光学器件700及所述位置调节装置800，所述支撑件902用于支撑所述光学器件700。所述光学器件700的一端连接于所述激光发生器，另一端与所述激光辅助加工刀具组件200相对设置。所述激光辅助加工刀具组件200设置在所述刀具固定和高度调节装置300上。所述可将光束成像照相机101与所述微处理器相连接。

通过调节所述位置调节装置800及所述光学器件700来使经所述光学器件700整形之后的激光光束701自所述激光辅助加工刀具组件200的激光辅助加工刀具201的激光束入射面1入射进所述激光辅助加工刀具201，并自所述激光辅助加工刀具201的前刀面3与后刀面5连接处的切削刃4出射，出射后的激光光束701辐射到待加工的工件上，以实现在加工的同时软化工件材料。所述可见光束成像照相机101与所述微处理器相配合以对整形之后的所述激光光束701进行实时观测，如果确定射入所述激光辅助加工刀具201的激光光束701偏离所述切削刃4，则通过调节所述位置调节装置700及所述光学器件700以使得射入所述激光辅助加工刀具201的激光光束701自所述切削刃4出射。所述功率计102也连接于所述微处理器，其用于实时测量穿过所述激光辅助加工刀具201的激光光束701的输出功率，并将检测到的数据传输给所述微处理器，所述微处理器对接收到的数据与预设数据进行比较，若得到的差值在预定范围内，则所述微处理器不发出指令；否则所述微处理器控制所述激光发发生器以使自所述切削刃4出射的激光光束701的输出功率在预定数值。

本实施方式中，所述激光辅助加工刀具201为单晶金刚石刀具，所述激光发生器产生的激光光束701经过所述光学器件700的整形后射入所述激光辅助加工刀具201，并自所述激光辅助加工刀具201的前刀面3和后刀面5连接处的切削刃4部分出射，出射后的所述激光光束701辐射到待加工的工件上，以实现在切削加工的同时软化工件材料(光学硬脆材料)，如此以来，降低了待加工工件的待切削区域局部的硬度，可以实现更大切深的塑性模式加工，增加了工件材料去除率和加工的效率，同时减小了加工过程中的切削力，在一定程度上抑制了刀具的磨损，延长了刀具使用寿命，此外还可以有效抑制亚表面损伤的产生，这种加工方法有效结合了激光和单点车削工艺的优点，能够实现光学硬脆材料的精密激光辅助高效低损伤加工。

所述激光辅助低损伤切削加工系统1000通过转接平台500连接于超精密加工机床平台600，所述转接平台500开设有多个连接孔501，所述转接平台500通过多个所述连接孔501连接于所述超精密加工机床平台600。

所述位置调节装置800包括两个粗定位导轨801、两个限位块802、支撑平板803、X方向调节旋钮804、X方向位移平台805、Y方向调节旋钮806、Y方向位移平台807、Z方向调节旋钮808及Z方向位移平台809，两个所述粗定位导轨801间隔设置在所述转接平台500上，两个所述限位块802分别连接于两个所述粗定位导轨801且位于两个所述粗定位导轨801之间，所述限位块802用于限位，其与所述粗定位导轨801相配合来大致固定所述位置调节装置800的位置。所述Z方向调节旋钮808连接于所述支撑平板803，所述Z方向位移平台809连接于所述Z方向调节旋钮808以组成Z方向位移组件。所述X方向位移调节旋钮804与所述X方向位移平台805相连接以组成X方向位移组件。所述Y方向调节旋钮806与所述Y方向位移平台807相连接以组成Y方向组件，所述X方向组件连接于所述Z方向组件，所述Y方向组件连接于所述X方向组件，所述Y方向组件与所述第一连接件901相连接，由此所述光学器件700与所述位置调节装置800相连接。

所述光学器件700包括连接固定器702、光纤接口703、准直透镜模块704、聚焦透镜模块705、聚焦旋钮706及光学器件输出端707，所述光纤接口706通过光纤与所述激光发生器的光纤接口相连接。所述准直透镜704连接所述光纤接口703及所述聚焦透镜模块705，所述光学器件输出端707连接于所述聚焦透镜模块705远离所述准直透镜模块704的一端。所述聚焦旋钮706设置在所述聚焦透镜模块705上。所述连接固定器702连接及固定所述固定光纤接口703及所述激光发生器的光纤接口，以保证激光光束701在加工过程中的稳定性。其中，所述准直透镜模块704及所述聚焦透镜模块705分别用于对来自所述激光发生器的激光光束进行准直及聚焦处理；所述聚焦旋钮706用于调节经过整形之后的所述激光光束701的焦平面相对于所述光学器件输出端707的位置。

所述高度调整垫块400连接所述刀具固定和高度调节装置300及所述转接平台500。所述刀具固定及高度调节装置300包括支撑块301、刀架支撑件302、刀具高度调节螺母304、第二连接件306、第一支撑件307及第二支撑件308，所述第二连接件306设置在所述高度调整垫块400上，其呈矩型。所述刀架支撑件302设置在所述第二连接件306的一端，所述第一支撑件307与所述第二支撑件308间隔设置，所述第一支撑件307连接第二连接件306及所述刀架支撑件302，所述第二支撑件308连接所述第二连接件306及所述刀架支撑件302。所述支撑块301连接于所述刀架支撑件302，且其与所述第一支撑件307分别位于所述刀架支撑件302相背的两侧。所述支撑块301开设有多个支撑块固定孔305，通过所述支撑块固定孔305将所述支撑块301可拆卸地连接于所述刀架支撑件302。所述支撑块301上形成有两个间隔设置的导向柱，所述导向柱上形成有外螺纹。所述刀架支撑件302上设置有螺母固定块303，所述螺母固定块303位于所述支撑块301的上方，其开设有供所述导向柱穿过的螺纹孔，所述螺纹孔与所述导向柱的外螺纹形成螺纹连接，所述刀具高度调节螺母304螺纹连接于所述导向柱上。通过旋转所述导向柱及所述刀具高度调节螺母304可以调节所述刀具固定和高度调节装置300相对于所述高度调整垫块400的高度。

本实施方式中，所述刀架支撑件302开设有通孔，所述通孔位于所述螺母固定块303与所述支撑块301之间，其用于供来自所述光学器件输出端707的激光光束701穿过以入射到所述激光辅助加工刀具组件200。

所述激光辅助加工刀具组件200包括激光辅助加工刀具201及刀柄202，所述激光辅助加工刀具201连接于所述刀柄202，所述刀柄202设置在所述支撑块301上，通过所述刀具固定和高度调节装置300来调节所述激光辅助加工刀具201的高度。

所述激光辅助加工刀具201包括激光束入射面1、上表面2、前刀面3、切削刃4、后刀面5及下表面6，所述上表面2与所述下表面6相对设置，所述前刀面3与所述后刀面5相连接，所述切削刃4位于所述前刀面3与所述后刀面5的连接处。所述激光束入射面1连接所述上表面2及所述下表面6，且与所述后刀面5相背。所述上表面2还连接于所述前刀面3，所述下表面6连接于所述后刀面5。经过整形之后的所述激光光束701自所述激光束入射面1射入所述激光辅助加工刀具201，并折射到所述前刀面3与所述后刀面5之间的延伸部分-所述切削刃4上，且从所述切削刃4出射后辐照在待加工工件材料上以达到加热软化工件材料的目的。

所述可见光束成像照相机101在调节整形之后的激光光束701相对于所述激光束入射面1的位置的过程中被放置于所述激光光束701的轴线方向且在所述激光辅助加工刀具201的正前方，以便精确地观察所述激光光束701相对于所述激光辅助加工刀具201的切削刃4的位置。所述功率计102被放置于所述激光光束701的轴线方向且在所述激光辅助加工刀具201的正前方，以便准确的测量从所述激光辅助加工刀具201出射的激光功率。

本实施方式中，所述激光发生器产生的激光光束的波长为近红外波段波长(1064nm)，所述激光发生器输出的功率为0W～100W，可输出连续波激光束，可输出可见引导校准光束(与1064nm波长的激光束同轴线)，具有能够将产生的激光光束利用光纤进行光学传输的接口；经过聚焦的激光光束的最小光斑直径为50um；所述聚焦旋钮706用来调节经过整形之后的激光光束701的焦平面相对于所述光学器件输出端707的位置。

本实施方式根据经过所述光学器件700整形之后的所述激光光束701的焦平面相对于所述激光束入射面1的位置，通过所述粗定位导轨801和限位块802来大致固定所述位置调节装置800的位置；各个方向上的调节旋钮驱动各自方向上的位移平台进行精密移动，但通过连接到所述可见光束成像照相机101的微处理器确定穿过所述激光辅助加工刀具201的激光光束701没有从所述切削刃4的合适位置出射，可调节所述X方向调节旋钮804、所述Y方向调节旋钮806及所述Z方向调节旋钮808中的若干个和所述聚焦旋钮706，直到穿过所述激光辅助加工刀具201的激光光束自所述激光辅助加工刀具201的切削刃4的合适位置出射，具体来说，穿过所述激光辅助加工刀具201的激光光束701需要尽可能包裹所述激光辅助加工刀具201的切削刃4。

所述激光辅助加工刀具201通过所述激光束入射面1接收激光光束701并将接收到的所述激光光束701折射到所述切削刃4，以使得所述激光光束701能够被传输到所述激光辅助加工刀具201和待加工工件材料的接触区域并加热软化工件；所述刀具固定和高度调节装置300用于固定或者夹持所述激光辅助加工刀具201，并允许所述激光辅助加工刀具201的相对高度可以在一定范围内进行精细调节，以满足传统的实际加工中对刀具高度的需求；所述激光辅助低损伤切削加工系统1000还包括保护壳，所述保护壳与所述刀具固定和高度调节装置300、所述光学器件700等分别相连接，其用于防止激光辐射对操作人员的伤害。

本发明还提供了一种用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，通过所述转接平台5将所述激光辅助低损伤切削加工系统1000与所述超精密加工机床平台600进行可靠的连接和固定。

步骤二，通过所述刀具固定和高度调节装置300将所述激光辅助加工刀具201调节到合适的高度，以使所述激光辅助加工刀具201在合适的高度能够满足超精密加工机床能够进行常规硬脆性材料加工所必须的要求，并通过所述刀柄202和所述支撑块301等对所述激光辅助加工刀具201进行可靠的固定或者夹持。

步骤三，开启所述激光发生器，使其产生的激光光束经所述光学器件700进行准直和聚焦。

步骤四，通过调节所述位置调节装置800及所述聚焦旋钮706来精密调节经所述光学器件700整形之后的激光光束701相对于所述激光辅助加工刀具201的激光束入射面1的位置，使得整形之后的所述激光光束701的焦平面恰好与所述激光束入射面1重合，即保证经过整形之后的激光光束701的焦点恰好自所述激光束入射面1入射到所述激光加工刀具201。

步骤五，采用所述可见光束成像照相机101对整形之后的激光光束701进行实时观测，一旦通过所述微处理器确定射入所述激光辅助加工刀具201的激光光束701偏离所述切削刃4的位置，通过调节所述位置调节装置800及所述聚焦旋钮706使得经整形后的所述激光光束701最大限度地包裹所述激光辅助加工刀具201的切削刃4。

此外，通过所述功率计102实时测量穿过所述激光辅助加工刀具201的激光光束的输出功率，且通过调节所述激光发生器的输出功率确保穿过所述激光辅助加工刀具201的切削刃4的输出激光光束的输出功率达到合适的功率。以一种光学硬脆材料(单晶硅)用本发明所述方法进行超精密高效低损伤加工为例，本发明提供的穿过所述激光辅助加工刀具201的切削刃4的输出功率应达到2.2W。

步骤六，确定各个部分连接稳定可靠之后安装用于防止激光辐射的保护外壳，选择合适的切削加工参数进行光学硬脆材料的超精密激光辅助高效低损伤加工，以获得无瑕表面。

自图4可以看出，采用不同的激光发生器的输出功率来加工同一种单晶硅材料，实测所得到的单晶硅材料的临界切深和激光发生器的输出功率的关系，和传统的单点金刚石车削工艺(激光器输出功率0.0W)相比，激光辅助单点金刚石车削方案可以显著增加硬脆材料的临界切深，并且在一定的功率范围内硬脆材料的临界切深随着激光器输出功率的增加而增加，如此可提高材料去除率和加工效率，实现光学硬脆材料的高效加工。

自图5可以看出，激光辅助单点金刚石车削加工方案可以显著降低工件的表面粗糙度，提升工件的表面质量，实现了比传统的单点金刚石车削工艺更高精度的超精密加工。

自图6可以看出，和传统的单点金刚石车削工艺相比，本发明的激光辅助单点金刚石车削加工方案可以有效抑制亚表面损伤的产生，实现光学硬脆材料的低损伤加工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：

所述系统包括激光发生器、位置调节装置、光学器件、刀具固定和高度调节装置及激光辅助加工刀具组件，所述激光发生器与所述光学器件相连接，所述刀具固定和高度调节装置及所述位置调节装置相对间隔设置，所述光学器件连接于所述位置调节装置，所述位置调节装置用于带动所述光学器件进行上下、左右、前后移动；所述激光辅助加工刀具组件安装在所述刀具固定和高度调节装置上，所述刀具固定和高度调节装置用于承载和调节所述激光辅助加工刀具组件的高度；

所述激光辅助加工刀具组件包括激光辅助加工刀具，所述激光辅助加工刀具包括激光束入射面、后刀面及前刀面，所述前刀面与所述后刀面的连接处形成切削刃，所述激光束入射面与所述光学器件相对；所述光学器件用于对所述激光发生器产生的激光光束进行准直及聚焦，并将整形后的激光光束传输到所述激光辅助加工刀具；通过调节所述位置调节装置及所述光学器件以使整形之后的激光光束自所述激光束入射面入射到所述激光辅助加工刀具，并自所述切削刃出射后辐照在待加工工件的材料上，以实现在加工的同时加热软化工件材料。

2.如权利要求1所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述位置调节装置包括两个粗定位导轨、两个限位块、支撑平板、X方向组件、Y方向组件及Z方向组件，两个所述粗定位导轨间隔设置，两个所述限位块分别连接于两个所述粗定位导轨且位于两个所述粗定位导轨之间；所述Z方向组件连接于所述粗定位导轨，所述X方向组件连接于所述Z方向组件，所述Y方向组件连接于所述X方向组件，所述Y方向组件连接于所述光学器件。

3.如权利要求1所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述光学器件包括连接固定器、光纤接口、准直透镜模块、聚焦透镜模块及光学器件输出端，所述光纤接口通过光纤与所述激光发生器的光纤接口相连接；所述准直透镜连接所述光纤接口及所述聚焦透镜模块，所述光学器件输出端连接于所述聚焦透镜模块远离所述准直透镜模块的一端；所述连接固定器连接及固定所述光纤接口及所述激光发生器的光纤接口。

4.如权利要求3所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述光学器件还包括聚焦旋钮，所述聚焦旋钮设置在所述聚焦透镜模块上，其用于调节经过整形之后的所述激光光束的焦平面相对于所述光学器件输出端的位置。

5.如权利要求1-4任一项所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述系统还包括高度调整垫块，所述高度调整垫块连接于所述刀具固定和高度调节装置；所述刀具固定及高度调节装置包括支撑块、刀架支撑件、刀具高度调节螺母、第二连接件、第一支撑件及第二支撑件，所述第二连接件设置在所述高度调整垫块上，其呈矩型；所述刀架支撑件设置在所述第二连接件的一端，所述第一支撑件与所述第二支撑件间隔设置，所述第一支撑件连接所述第二连接件及所述刀架支撑件，所述第二支撑件连接所述第二连接件及所述刀架支撑件；所述支撑块连接于所述刀架支撑件；所述支撑块上形成有两个间隔设置的导向柱，所述导向柱上形成有外螺纹，所述刀架支撑件上设置有螺母固定块，所述螺母固定块位于所述支撑块的上方，其开设有供所述导向柱穿过的螺纹孔，所述螺纹孔与所述导向柱的外螺纹形成螺纹连接，所述刀具高度调节螺母螺纹连接在所述导向柱上；通过旋转所述导向柱及所述刀具高度调节螺母来调节所述刀具固定和高度调节装置相对于所述高度调整垫块的高度。

6.如权利要求5所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述激光辅助刀具设置在所述支撑块上。

7.如权利要求6所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述刀架支撑件开设有通孔，所述通孔位于所述螺母固定块与所述支撑块之间，其用于供来自所述光学器件的激光光束穿过以入射到所述激光辅助加工刀具组件。

8.如权利要求1-4任一项所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述系统还包括相连接的可见光束成像照相机及微处理器，所述可见光束成像用于观测所述激光光束相对于所述切削刃的位置，并将检测结果传输给所述微处理器；若所述微处理器根据接收到的数据确定射入所述激光辅助加工刀具的激光光束偏离所述切削刃，则通过调节所述位置调节装置及所述光学器件以使得射入所述激光辅助加工刀具的激光光束自所述切削刃出射。

9.如权利要求8所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，其特征在于：所述系统还包括连接于所述微处理器的功率计，所述功率计用于实时测量穿过所述激光辅助加工刀具的激光光束的输出功率，并将检测到的数据传输给所述微处理器，所述微处理器对接收到的数据与预设数据进行比较，若得到的差值在预定范围内，则所述微处理器不发出指令；否则所述微处理器控制所述激光发发生器以使自所述切削刃出射的激光光束的输出功率在预定数值。

10.一种用于光学硬脆材料的激光辅助切削加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供权利要求1-9任一项所述的用于光学硬脆材料的激光辅助低损伤切削加工系统，并通过所述刀具固定和高度调节装置调节所述激光辅助加工刀具到预定高度；

(2)通过所述位置调节装置及所述光学器件调节经所述光学器件整形后的激光光束相对于所述激光辅助加工刀具的位置，使得整形之后的激光光束能够自所述激光束入射面入射到所述激光辅助加工刀具，并自所述切削刃出射后辐照在待加工工件的光学硬脆材料上；

(3)确定切削参数后，所述系统对光学硬脆材料进行加工。

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