CN112518129B - 一种飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统、机床及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统、机床及方法，包括依次实现激光传输的第一反光镜、第二反光镜、分光及聚焦装置；还包括与滑鞍固定的挂板、与机床主轴末端固定的卡盘和一端固定在机床立柱上部的支撑架，支撑架另一端朝向刀具并安装有朝下且竖向的导轨，导轨上设有滑块，滑块与挂板固定，第一反光镜安装在导轨的上部，第二反光镜通过滑块固定；分光及聚焦装置能够在不同时刻通过挂板或卡盘固定，通过挂板固定时的分光及聚焦装置输出朝下的激光，通过卡盘固定时的分光及聚焦装置输出与水平面呈设定夹角的激光。本公开便于实现机床中车刀的在位加工，避免反复拆装刀具造成的损耗。

Description

一种飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统、机床及方法

技术领域

本公开属于飞秒激光加工技术领域，具体涉及一种飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统、机床及方法。

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。

发明人了解到，单晶金刚石硬度极高,可以加工出极为锋利的切削刃,而在单晶金刚石刀具表面加工微纳织构能够进一步提高刀具的切削性能、减少刀具的磨损量，提高寿命。利用飞秒激光能够实现上述单晶金刚石刀具表面微纳织构的加工与修复。

目前飞秒激光微细加工系统一般只能加工平面，且表面加工的结构多为孔、沟槽等简单三维结构。若想实现柱面、非球面等具有任意表面形状固体材料的复杂三维结构加工，需要单独的如多自由度机器人或多轴高精度运动平台等设备控制加工系统的多自由度运动，而复杂的仪器安装不方便，同时增加了相应的制造成本。没有考虑到利用精密或超精密加工机床重复定位高的特点。

发明人了解的一种五轴联动超精密机床中，其机床立柱能够沿第一水平方向滑动，滑鞍能够带动机床主轴上下滑动，且机床主轴能够沿自身轴线转动，刀具的转台能够沿竖向轴线转动，并且能够沿第二水平方向滑动，第一水平方向与第二水平方向垂直。即五轴联动机床本身能够即为多轴高精度运动平台。在具有上述五轴联动高精度运动平台的基础上，额外配备多自由度机器人等设别来驱动飞秒激光加工系统及待修复的刀具，无疑会增加设备的成本，并且会因刀具的重复拆装及调试浪费大量的时间。

同时，现有的单晶金刚石刀具是否磨损一般采用观察切屑、工件表面加工质量及或加工声音来判断。当单晶金刚石表面微纳织构磨损后，不易通过肉眼观察得知，需要将刀具拆卸后放到检测设备处进行检测，大大降低了加工效率。

发明内容

本公开的目的是提供一种飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统、机床及方法，能够至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本公开的第一方面提供一种飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统，包括依次实现激光传输的第一反光镜、第二反光镜、分光及聚焦装置；还包括与滑鞍固定的挂板、与机床主轴末端固定的卡盘和一端固定在机床立柱上部的支撑架，支撑架另一端朝向刀具并安装有朝下且竖向的导轨，导轨上设有滑块，滑块与挂板固定，第一反光镜安装在导轨的上部，第二反光镜通过滑块固定；

分光及聚焦装置包括CMOS相机、二向色镜和物镜转换器，能够在不同时刻通过挂板或卡盘固定，通过挂板固定时的物镜输出朝下的激光，通过卡盘固定时的物镜输出与水平面呈设定夹角的激光；第一反光镜与第二反光镜在导轨及滑块处具有不同的工位，以适配于分光及聚焦装置的安装位置。

作为进一步改进，还包括原子力显微镜和白光干涉仪，原子力显微镜通过挂板固定，原子力显微镜能够随挂板升降，并随机床立柱水平移动。白光干涉仪能够可拆卸的安装在滑鞍处，或可拆卸的安装在刀架处，以分别实现前刀面和后刀面的检测。

本公开的第二方面提供一种机床，包括所述的飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统，还包括机床立柱和转台，机床立柱能够沿第一水平方向往复移动，机床立柱中具有滑鞍，滑鞍处设有机床主轴，滑鞍能够带动机床主轴沿竖向往复运动，机床主轴能够沿自身轴线转动；转台能够沿竖向转动，转台能够沿第二水平方向往复移动，第一水平方向与第二水平方向相互垂直；转台上部安装有刀架，刀架处安装有刀具。

本公开的第三方面提供一种车刀表面修复用飞秒激光在位加工方法，包括以下步骤：

当刀具需要修复时，将分光及聚焦装置安装在挂板处，使得激光经传输后最终从物镜处竖向朝下输出；转台带动刀具运动至物镜下方，通过机床立柱的平移、滑鞍的滑动、转台的转动及转台的平移实现物镜处输出的激光与刀具的相对位置变化，进而完成前刀面及刀尖上部弧面的微纳织构加工修复；

将分光及聚焦装置拆装至卡盘处，将第一反光镜和第二反光镜拆装至相应位置，最终激光从分光及聚焦装置处输出；

转台带动刀具转动，通过机床立柱的平移、滑鞍的滑动、转台的转动、转台的平移及卡盘的转动来调节主后刀面与物镜处输出激光的相对位置，进而完成主后刀面及主后刀面处刀尖弧面的微纳织构加工修复；

采用与主后刀面同样的方式，完成副后刀面及副后刀面处刀尖弧面的微纳织构加工修复。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

本公开中采用挂板、支撑架、导轨及滑块结构，能够在现有五轴联动高精度机床的基础上，实现第一反光镜、二向色镜等光学部件的安装，便于实现加工用激光与待加工修复刀具之间的五轴联动，即本公开中的飞秒激光加工系统不依赖于额外的多轴高精度运动平台；有效的利用了现有超精密加工机床重复定位高的特点；不需要额外刀具拆装与调试，有效的提高了加工效率并减少了修复加工成本，实现了刀具的在位加工修复。

飞秒激光作用于工件表面后，可以通过白光干涉仪、原子力显微镜对加工后的表面进行表征，不仅可以检测刀具最初的磨损，从而对是否进行在位修复提供判断依据；而且可以对修复后的微纳织构进行检测，判断是否完成有效修复。相对于将刀具拆卸后放置在专用检测设备处的方式来说，能够提高检测效率。

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限定。

图1为本公开实施例中加工前刀面时的轴测示意图；

图2为本公开实施例中加工前刀面时的主视方向示意图；

图3为本公开实施例中白光干涉仪检测前刀面时的结构示意图；

图4为本公开实施例中白光干涉仪检测后刀面时的结构示意图；

图5为本公开实施中手持式显微镜配合原子力显微镜的结构示意图；

图6为图5中A部分的结构放大示意图；

图7为本公开实施例中前刀面加工时的局部结构示意图；

1、机床立柱；2、卡盘；3、滑鞍；4、连接架；5、挂板；6、支撑架；7、原子力显微镜；8、第一反光镜；9、CMOS相机；10、二向色镜；11；飞秒激光；12、物镜转换器；13、白光干涉仪；14、刀具；15、第二反光镜；16、滑块；17、刀架；18、转台；19、第一支架；20、第二支架；21、第三支架；22、手持式显微镜；23、第四支架。

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。

本实施例中的“X”“Y”“Z”轴组成空间直角坐标系，“为了方便叙述，本发明中如果出现“X轴”、“Y轴”、“Z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。

为了方便叙述，本公开中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

为解决单晶金刚石车刀磨损监测与修复、微织构磨损后再修复需多次拆装以及飞秒激光微细加工难以在材料表面实现复杂曲面三维结构的超精密加工问题，提出一种设计制造成本低的飞秒激光在位加工单晶金刚石车刀表面微纳复合结构的方法与系统，利用数控机床编程控制加工系统五轴联动，实现金刚石车刀的轮廓与形貌在位观测和检测，为刀具磨损监控、修复和微纳织构加工提供数据依据，实现刀具磨损区域的修复，进行磨损刀具的在位抛光，对刀具前刀面与后刀面进行微纳复合结构加工，形成抗磨减磨表面，并可利用超精密机床的重复定位高的特点，实现微纳织构磨损后的修复。

实施例1

如图1-7所示，本实施例提供一种单晶金刚石车刀用飞秒激光11在位修复系统，包括依次实现激光传输的第一反光镜8、第二反光镜15、分光及聚焦装置包括CMOS相机9、二向色镜10、物镜转换器12；还包括与滑鞍3固定的挂板5、与机床主轴末端固定的卡盘2和一端固定在机床立柱1上部的支撑架6，支撑架6另一端朝向刀具14并安装有朝下且竖向的导轨，导轨上设有滑块16，滑块16与挂板5固定，第一反光镜8安装在导轨的上部，第二反光镜15通过滑块16固定；

分光及聚焦装置能够在不同时刻通过挂板5或卡盘2固定，通过挂板5固定时的物镜输出朝下的激光，通过卡盘2固定时的物镜输出与水平面呈设定夹角的激光；第一反光镜8与第二反光镜15在导轨及滑块16处具有不同的工位，以适配于分光及聚焦装置的安装位置。

具体的，机床立柱11能沿X轴(即第一水平方向)移动，卡盘2能真空吸附在机床主轴端面，可以绕z轴(即机床主轴的转动轴线，其为水平方向轴线，且与X轴垂直)转动，所述的滑鞍3嵌在机床立柱1上，能沿Y轴移动，并且能随机床立柱1沿X轴移动，所述的连接架4用于连接挂板5和滑块16，所述的挂板5用于固定分光及聚焦装置、原子力显微镜7，使其能随机床立柱1沿X轴运动，能随滑鞍3沿Y轴运动，挂板5的几何中心与机床主轴端面圆心重合，所述的支撑架6用于将整个系统固定在机床立柱1上，主要用圆柱夹具和铝合金型材框架，圆柱夹具固定在机床立柱1顶部。

具体的，在本实施例中，卡盘为一个圆盘形部件，卡盘的一个侧面处安装有真空吸附盘，真空吸附盘用于吸附在机床主轴的端面，卡盘背离真空吸附盘的侧面设有多个安装孔，安装孔适配于分光及聚焦装置，实现分光及聚焦装置与卡盘的位置固定。

在完成前刀面加工时，其中第一反射镜的镜面与X轴成45°，第二反射镜的镜面与Z轴成45°，二向色镜10的镜面与Z轴成45°。

所述导轨的上部及滑块16处分别具有水平延伸的定位板，第一反光镜8及第二反光镜15能够安装在定位板上不同的位置。适配于分光及聚焦装置的安装位置。

在本实施中，还包括原子力显微镜7和白光干涉仪13，原子力显微镜7通过挂板5固定，原子力显微镜7能够随挂板5升降，并随机床立柱1水平移动。白光干涉仪13能够可拆卸的安装在滑鞍3处，或可拆卸的安装在刀架17处，以分别实现前刀面和后刀面的检测。

所述分光及聚焦装置配套设有CMOS相机9，CMOS相机9用于采集输出激光在加工面处的图像，以辅助对焦。

所述分光及聚焦装置安装在挂板5上时，分光及聚焦装置及待加工的刀具14处于机床主轴的同一侧。

所述的原子力显微镜7用于金刚石刀具14表面纳米级三维结构的测量，表面粗糙度的检测，膜厚、台阶测试，相位测试等，其通过第三支架21固定在挂板5一侧，能随滑鞍3移动，所述的第一反射镜用于反射激光光线。

所述的CMOS相机9用于激光加工时前的对焦，并实时监控激光加工过程，所述的二向色镜10用于将激光光束分离，透过低于截止波长的光束，同时反射高于截止波长的光束，其固定在挂板5或卡盘2上，所述的物镜转换器12用于安装和转换不同放大倍数的物镜的镜头，所述的白光干涉仪13用于对金刚石刀具14表面的粗糙度、波纹度、面形轮廓、表面缺陷、磨损情况、加工情况等表面形貌特征进行测量和分析，通过第一支架19悬挂在机床滑鞍3上，与对刀仪同位置，或通过第二支架20安装在转台18上部。所述的刀具14为单晶金刚石车刀，用于对工件进行切削，所述的第二反射镜用于反射激光光线，固定在定位板靠近或远离滑块16的位置，所述的滑块16、导轨及连接架4用于二向色镜10与第二反射镜的联动。

刀架17用于夹持刀具14，其固定在转台18上，所述的转台18能绕Y轴(即竖向轴线)转动以及沿Z轴移动。

机床立柱1、滑鞍3、转台18的五轴联动，导轨、连接架4、支撑架6的组合，可以使入射激光较平稳地进入系统。

本发明在飞秒激光11作为入射光线进入加工系统后通过物镜聚焦到刀具14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圆柱卡盘2绕Z轴转动及沿X、Y轴和转台18绕Y轴转动及沿Z轴移动，可实现加工系统五轴联动，对工件表面进行三维结构化微细法向加工，拓展了飞秒激光11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，经过系统内光路走向转换实现对金刚石刀具14的飞秒激光11双光路加工修复及检测系统。

所述的连接架4对称布置在数控机床立柱1一侧,所述的支撑架6对称布置在数控机床立柱1一侧，

实施例2

本实施例提供一种五轴联动超精密加工的机床，包括实施例1中所述的单晶金刚石车刀用飞秒激光11在位修复系统，还包括机床立柱1和转台18，机床立柱1能够沿第一水平方向往复移动，机床立柱1中具有滑鞍3，滑鞍3处设有机床主轴，滑鞍3能够带动机床主轴沿竖向往复运动，机床主轴能够沿自身轴线转动；转台18能够沿竖向转动，转台18能够沿第二水平方向往复移动，第一水平方向与第二水平方向相互垂直；转台18上部安装有刀架17，刀架17处安装有刀具14。

实施例3

本实施例提供一种车刀表面修复用飞秒激光11在位加工方法，利用了权所述的单晶金刚石车刀用飞秒激光11在位修复系统，包括以下步骤：

步骤1；当刀具14需要修复时，将分光及聚焦装置安装在挂板5处，使得激光经传输后最终从物镜处竖向朝下输出；转台18带动刀具14运动至物镜下方，通过机床立柱1的平移、滑鞍3的滑动、转台18的转动及转台18的平移实现物镜处输出的激光与刀具14的相对位置变化，进而完成前刀面及刀尖上部弧面的微纳织构加工修复。

具体的，将挂板5固定在滑鞍3上，将分光及聚焦装置(CMOS相机9、二向色镜10、物镜转换器12)、原子力显微镜7、白光干涉仪13、连接架4固定在挂板5上，将支撑架6、导轨连接起来固定在机床立柱1上，将刀具14固定在刀架17上、刀架17固定在转台18上、工件固定在卡盘2上，转台18、卡盘2、挂板5、导轨、连接架4、支撑架6与超精密数控机床连接并实现绕轴转动及沿轴移动。分光及聚焦装置通过第四支架与挂板固定连接。

飞秒激光11经第一反射镜进入系统，通过第二反射镜、二向色镜10的反射以及物镜(平凸透镜)的聚焦后到达待加工的金刚石车刀前刀面及刀尖的上部弧面处，在CMOS相机9的监测下调整焦平面之后，可以通过控制激光参数在金刚石车刀前刀面及刀尖的上部弧面处上加工出不同的微纳织构。

步骤2：将分光及聚焦装置拆装至卡盘2处，将第一反光镜8和第二反光镜15拆装至相应位置，并最终从物镜处输出；

转台18带动刀具14转动，通过机床立柱1的平移、滑鞍3的滑动、转台18的转动、转台18的平移及卡盘2的转动来调节主后刀面与物镜处输出激光的相对位置，进而完成主后刀面及主后刀面处刀尖弧面的微纳织构加工修复；

步骤3：采用与主后刀面同样的方式，完成副后刀面及副后刀面处刀尖弧面的微纳织构加工修复。

步骤4：在前刀面、主后刀面及副后刀面完成修复后，通过白光干涉仪13、原子力显微镜7检测刀具14的表面情况，当满足要求后，拆除车刀表面修复用飞秒激光11在位加工系统。

飞秒激光11在位加工单晶金刚石车刀表面微纳复合结构的方法时，通过对数控机床进行加工程序编写，可以控制机床立柱1、滑鞍3及转台18的转动量和移动量，调整加工区域的大小。

通过调节机床立柱1、滑鞍3、转台18的相对位置就可以实现白光干涉仪13和原子力显微镜77对刀具14前刀面的检测。

通过取下悬挂在滑鞍3上的白光干涉仪13，沿X轴放置在转台18的第二支架20上，调整白光干涉仪13和转台18的位置，能够实现白光干涉仪13对刀具14后刀面的检测。

通过调节机床立柱1、滑鞍3、转台18的相对位置，并且对原子力显微镜7上的测头位置进行调整，可以实现对刀具14后刀面的检测。

本发明在系统加工过程中，飞秒激光11作用于工件表面后，可以通过系统中的白光干涉仪13、原子力显微镜7，对加工后的表面进行表征，不仅可以检测刀具14最初的磨损，从而在位进行修复，而且可以对修复后的微结构进行检测，进行再次修复，大大减少刀具14和工件的拆装次数，从而提高工作效率，实现飞秒激光11在位加工单晶金刚石车刀表面微纳复合结构。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种车刀表面修复用飞秒激光在位加工方法,包括一种飞秒激光在位修复单晶金刚石车刀系统，所述系统包括依次实现激光传输的第一反光镜、第二反光镜、分光及聚焦装置；还包括与滑鞍固定的挂板、与机床主轴末端固定的卡盘和一端固定在机床立柱上部的支撑架，支撑架另一端朝向刀具并安装有朝下且竖向的导轨，导轨上设有滑块，滑块与挂板固定，第一反光镜安装在导轨的上部，第二反光镜通过滑块固定；

分光及聚焦装置能够在不同时刻通过挂板或卡盘固定，通过挂板固定时的分光及聚焦装置输出朝下的激光，通过卡盘固定时的分光及聚焦装置输出与水平面呈设定夹角的激光；第一反光镜与第二反光镜在导轨及滑块处具有不同的工位，以适配于分光及聚焦装置的安装位置，还包括原子力显微镜，原子力显微镜通过挂板固定，原子力显微镜能够随挂板升降，并随机床立柱水平移动，还包括白光干涉仪，白光干涉仪能够可拆卸的安装在滑鞍处，或可拆卸的安装在刀架处，以分别实现前刀面和后刀面的检测；还包括机床立柱和转台，机床立柱能够沿第一水平方向往复移动，机床立柱中具有滑鞍，滑鞍处设有机床主轴，滑鞍能够带动机床主轴沿竖向往复运动，机床主轴能够沿自身轴线转动；转台能够沿竖向转动，转台能够沿第二水平方向往复移动，第一水平方向与第二水平方向相互垂直；转台上部安装有刀架，刀架处安装有刀具；在前刀面、主后刀面及副后刀面完成修复后，通过白光干涉仪、原子力显微镜检测刀具的表面情况，当满足要求后，拆除车刀表面修复用飞秒激光在位加工系统；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

当刀具需要修复时，将分光及聚焦装置安装在挂板处，使得激光经传输后最终从物镜处竖向朝下输出；转台带动刀具运动至物镜下方，通过机床立柱的平移、滑鞍的滑动、转台的转动及转台的平移实现物镜处输出的激光与刀具的相对位置变化，进而完成前刀面及刀尖上部弧面的微纳织构加工修复；

将分光及聚焦装置拆装至卡盘处，将第一反光镜和第二反光镜拆装至相应位置，并最终从物镜处输出；

转台带动刀具转动，通过机床立柱的平移、滑鞍的滑动、转台的转动、转台的平移及卡盘的转动来调节主后刀面与物镜处输出激光的相对位置，进而完成主后刀面及主后刀面处刀尖弧面的微纳织构加工修复；

采用与主后刀面同样的方式，完成副后刀面及副后刀面处刀尖弧面的微纳织构加工修复；

利用数控机床编程控制加工系统五轴联动，实现金刚石车刀的轮廓与形貌在位观测和检测，为刀具磨损监控、修复和微纳织构加工提供数据依据，实现刀具磨损区域的修复，进行磨损刀具的在位抛光，对刀具前刀面与后刀面进行微纳复合结构加工，形成抗磨减磨表面，并可利用超精密机床的重复定位的特点，实现微纳织构磨损后的修复。

2.根据权利要求1所述的一种车刀表面修复用飞秒激光在位加工方法，其特征在于，所述导轨的上部及滑块处分别具有水平延伸的定位板，第一反光镜及第二反光镜能够安装在定位板上不同的位置。

3.根据权利要求1所述的一种车刀表面修复用飞秒激光在位加工方法，其特征在于，所述第一反光镜处于第二反光镜的正上方，第一反光镜能够将水平方向激光沿竖向朝下输出，第二反光镜能够将竖向的激光沿水平方向朝机床立柱处的分光及聚焦装置输出。

4.根据权利要求1所述的一种车刀表面修复用飞秒激光在位加工方法，其特征在于，所述分光及聚焦装置包括物镜转换器、二向色镜及CMOS相机，CMOS相机用于采集输出激光在加工面处的图像，以辅助对焦。

5.根据权利要求1所述的一种车刀表面修复用飞秒激光在位加工方法，其特征在于，所述分光及聚焦装置安装在挂板上时，分光及聚焦装置及待加工的刀具处于机床主轴的同一侧。

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