CN112008239A - 一种螺旋扫描激光加工装置及加工方法 - Google Patents

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江浩
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Abstract

本发明提供一种螺旋扫描激光加工装置及加工方法，解决现有激光加工装置存在微孔锥度调节精度低、加工孔径小以及加工效率低的问题。该螺旋扫描激光加工装置包括沿光路依次设置的位移反射镜、道威棱镜、上偏转光楔、下偏转光楔和聚焦镜；上偏转光楔、下偏转光楔背对背设置，中心轴与道威棱镜的中心轴同轴；激光束通过位移反射镜实现微孔锥度调节后入射至道威棱镜，道威棱镜提高激光束的扫描速度后将其入射至上偏转光楔和下偏转光楔，上偏转光楔及下偏转光楔对光束进行偏折，实现不同直径的光束扫描，聚焦镜将激光束聚焦，从而实现微孔的螺旋扫描加工。本发明装置和方法提高了激光加工装置微孔加工时的加工精度和加工效率。

Description

一种螺旋扫描激光加工装置及加工方法
技术领域
本发明属于激光精密制造领域，具体涉及一种螺旋扫描激光加工装置及加工方法。
背景技术
目前，广泛用于微孔高质量激光制造的加工装置根据其内部使用的光学器件主要分为两类：一是光楔式加工头，利用光楔对光束的折射作用，实现不同锥度微孔的激光加工；二是道威棱镜加工头，利用道威棱镜对光束转速的倍增特性，实现光束的高速旋转，以此实现微孔的高效、高质量加工。但是，这两类加工头存在如下问题：1)光楔式加工头由于楔角误差、机械振动等原因，存在微孔锥度调节精度低、变锥度时易产生孔径误差等问题；2)道威棱镜加工头存在加工孔径小(通常只能加工最大直径数百微米的孔)，并且由于采用光束旋切加工方式，微孔加工效率低。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光加工装置存在微孔锥度调节精度低、加工孔径小以及加工效率低的问题，提供一种螺旋扫描激光加工装置及加工方法。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种螺旋扫描激光加工装置，包括沿光路依次设置的位移反射镜、道威棱镜、上偏转光楔、下偏转光楔和聚焦镜；所述上偏转光楔、下偏转光楔背对背设置，中心轴与道威棱镜的中心轴同轴，且与旋转轴重合；激光束通过位移反射镜实现微孔锥度调节后入射至道威棱镜，道威棱镜提高激光束的扫描速度后将其入射至上偏转光楔和下偏转光楔，上偏转光楔及下偏转光楔对光束进行偏折，实现不同直径的光束扫描，聚焦镜将激光束聚焦，使激光束作用于被加工零件，从而实现微孔的螺旋扫描加工。
进一步地，所述上偏转光楔和下偏转光楔的楔角均为3.5°。
进一步地，所述道威棱镜通过第一电机驱动旋转，所述上偏转光楔通过第二电机驱动旋转，所述下偏转光楔通过第三电机驱动旋转。
进一步地，所述聚焦镜为平凸透镜。
同时，本发明还提供一种螺旋扫描激光加工方法，包括以下步骤：
步骤一、激光器发出的激光束进入位移反射镜；
步骤二、沿光轴方向调整位移反射镜的位置，通过控制位移反射镜的平移量调节微孔加工的锥度；
步骤三、位移反射镜出射的激光束入射至旋转的道威棱镜，道威棱镜提高激光束的扫描速度后将其入射至旋转的上偏转光楔和下偏转光楔；
步骤四、调整上偏转光楔及下偏转光楔的相对转角，使得上偏转光楔及下偏转光楔对光束进行偏折，实现不同直径的光束扫描；
步骤五、下偏转光楔出射的激光束经聚焦镜的聚焦，使激光束作用于被加工零件，实现微孔的螺旋扫描加工。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明螺旋扫描激光加工装置及加工方法通过控制位移反射镜的平移量控制微孔加工的锥度，通过道威棱镜提高了光束的扫描速度，通过上偏转光楔、下偏转光楔实现不同直径激光束的螺旋扫描，从而提高了激光加工装置微孔加工时的加工精度和加工效率。同时，上偏转光楔、下偏转光楔可对道威棱镜的制造误差进行补偿，使得系统误差较小，进而更加提高了加工精度。
2.本发明螺旋扫描激光加工装置及加工方法通过调整上偏转光楔及下偏转光楔的相对转角，使得上偏转光楔及下偏转光楔对光束进行偏折，使得最大加工孔径可达2mm，且采用光束螺旋扫描轨迹，加工效率较高。
附图说明
图1为本发明螺旋扫描激光加工装置的结构示意图；
图2为本发明螺旋扫描激光加工装置的控制示意图；
图3为本发明螺旋扫描激光加工装置中扫描速度倍增的示意图。
附图标记：1-位移反射镜，2-道威棱镜，3-上偏转光楔，4-下偏转光楔，5-聚焦镜，6-零件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明提供了一种螺旋扫描激光加工装置及加工方法，通过该加工装置和方法能够实现微孔锥度的高精度调节，最大加工孔径可达2mm，且采用光束螺旋扫描轨迹，加工效率高。
如图1所示，本发明螺旋扫描激光加工装置包括沿光路依次设置的位移反射镜1、道威棱镜2、上偏转光楔3、下偏转光楔4和聚焦镜5；上偏转光楔3、下偏转光楔4背对背设置，中心轴与道威棱镜2的中心轴同轴，且与旋转轴重合。激光束首先通过位移反射镜1调节入射至道威棱镜激光束的位置，以此实现微孔锥度的调节，道威棱镜2提高了激光束的扫描速度，通过道威棱镜2的激光束进入上偏转光楔3及下偏转光楔4，上偏转光楔3及下偏转光楔4对激光束进行偏折，实现不同直径的光束扫描，最后激光束经聚焦镜5的聚焦，使光束作用与零件6上，进行微孔的加工。
如图2所示，本发明所描述的螺旋扫描激光加工装置中道威棱镜2、上偏转光楔3及下偏转光楔4分别由第一电机、第二电机和第三电机进行驱动。为了实现螺旋式且锥度可调的扫描光束，在螺旋扫描激光加工装置的工作过程中，首先根据加工微孔的锥度要求对位移反射1进行平移(移动范围为以中轴为原点，-2mm～2mm)，然后使道威棱镜2、上偏转光楔3及下偏转光楔4同步进行旋转实现激光束的螺旋扫描。本装置中上偏转光楔3及下偏转光楔4(楔角均为3.5°)，运行过程中两个光楔的相对转角由加工微孔的直径确定，聚焦镜5可采用为焦距100mm的平凸透镜。
同时，本发明提供一种螺旋扫描激光加工方法，包括以下步骤：
步骤一、激光器发出的激光束进入位移反射镜1；
步骤二、沿光轴方向调整位移反射镜1的位置，通过控制位移反射镜1的平移量调节微孔加工的锥度；
步骤三、位移反射镜1出射的激光束入射至旋转的道威棱镜2，道威棱镜2提高激光束的扫描速度后将其入射至旋转的上偏转光楔3和下偏转光楔4；
步骤四、调整上偏转光楔3及下偏转光楔4的相对转角，使得上偏转光楔3及下偏转光楔4对光束进行偏折，实现不同直径的光束扫描；
步骤五、下偏转光楔4出射的激光束经聚焦镜5的聚焦，使激光束作用于被加工零件6，实现微孔的螺旋扫描加工。
在本实施例中需要在不锈钢零件6上加工一个孔径为0.5mm，锥度为-2°的倒锥孔，具体步骤如下：
步骤一、激光器发出的激光束进入位移反射镜1；
步骤二、根据待加工微孔的锥度要求，沿光轴方向调节位移反射镜1的位置1至-2mm；
步骤三、位移反射镜1出射的激光束入射至旋转的道威棱镜2，将道威棱镜2的旋转速度设为1500rpm，由于道威棱镜2对光束扫描速度的倍增特性，光束的扫描速度为3000rpm，因此需要将上偏转光楔3及下偏转光楔4的运行速度设为3000rpm；道威棱镜2提高激光束的扫描速度后将其入射至旋转的上偏转光楔3和下偏转光楔4；
步骤四、根据待加工微孔的孔径要求，调整上偏转光楔3及下偏转光楔4的相对转角为90°，使得上偏转光楔3及下偏转光楔4对光束进行偏折；同时，控制第一电机、第二电机和第三电机进行同步旋转，速度曲线如图3所示，其中θ角度为上偏转光楔3及下偏转光楔4的相对转角；
步骤五、下偏转光楔4出射的激光束经聚焦镜5的聚焦，使激光束作用于被加工零件6，实现微孔的螺旋扫描加工。
本发明装置和方法通过位移反射镜1使聚焦光束相对于零件6表面产生一定的夹角，并且该夹角跟根据位移反射镜1的位移量进行调节，以此实现微孔加工锥度的控制，因此可实现锥度可控微孔的高效制造。
本发明螺旋扫描激光加工装置及加工方法通过道威棱镜2提高了激光束的扫描速度，通过上偏转光楔3、下偏转光楔4实现不同直径激光束的螺旋扫描，从而提高了微孔加工时的加工精度和加工效率。同时，由于道威棱镜2的上下表面不对称，易产生制造误差，而本发明上偏转光楔3、下偏转光楔4可对道威棱镜2的制造误差进行补偿，使得系统误差较小，进而更加提高了加工精度。

Claims (5)

1.一种螺旋扫描激光加工装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的位移反射镜(1)、道威棱镜(2)、上偏转光楔(3)、下偏转光楔(4)和聚焦镜(5)；
所述上偏转光楔(3)、下偏转光楔(4)背对背设置，中心轴与道威棱镜(2)的中心轴同轴，且与旋转轴重合；
激光束通过位移反射镜(1)实现微孔锥度调节后入射至道威棱镜(2)，道威棱镜(2)提高激光束的扫描速度后将其入射至上偏转光楔(3)和下偏转光楔(4)，上偏转光楔(3)及下偏转光楔(4)对光束进行偏折，实现不同直径的光束扫描，聚焦镜(5)将激光束聚焦，使激光束作用于被加工零件(6)，从而实现微孔的螺旋扫描加工。
2.根据权利要求1所述的螺旋扫描激光加工装置，其特征在于：所述上偏转光楔(3)和下偏转光楔(4)的楔角均为3.5°。
3.根据权利要求2所述的螺旋扫描激光加工装置，其特征在于：所述道威棱镜(2)通过第一电机驱动旋转，所述上偏转光楔(3)通过第二电机驱动旋转，所述下偏转光楔(4)通过第三电机驱动旋转。
4.根据权利要求1或2或3所述的螺旋扫描激光加工装置，其特征在于：所述聚焦镜(5)为平凸透镜。
5.一种螺旋扫描激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、激光器发出的激光束进入位移反射镜；
步骤二、沿光轴方向调整位移反射镜的位置，通过控制位移反射镜的平移量调节微孔加工的锥度；
步骤三、位移反射镜出射的激光束入射至旋转的道威棱镜，道威棱镜提高激光束的扫描速度后将其入射至旋转的上偏转光楔和下偏转光楔；
步骤四、调整上偏转光楔及下偏转光楔的相对转角，使得上偏转光楔及下偏转光楔对光束进行偏折，实现不同直径的光束扫描；
步骤五、下偏转光楔出射的激光束经聚焦镜的聚焦，使激光束作用于被加工零件，实现微孔的螺旋扫描加工。
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