CN112519016B - 一种切削装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削装置及其使用方法，属于难加工材料的精密与超精密加工技术领域，包括底座、刀柄、刀具和激光器，所述刀具安装在所述刀柄上，所述刀柄和所述激光器安装在所述底座上，所述刀柄上开设有供所述激光器发出激光通过的通光槽；所述底座上固定安装有用于安装所述刀具的刀架，所述刀柄通过第一夹具固定安装在所述刀架上。本发明的有益效果是：激光通过通光槽内的反光板反射到加工试样上，通过调节激光器输出端的位置和反光板的角度对激光在加工试样上的位置进行控制，方便测量在加工试样上激光与刀具之间的距离，且能够保证切削过程中它们彼此之间位置关系的恒定，使加热区域更加精确，提高了加热的准确性、安全性和效率。

Description

一种切削装置及其使用方法

技术领域

本发明属于难加工材料的精密与超精密加工技术领域，具体而言，涉及一种切削装置及其使用方法。

背景技术

硬脆材料如单晶硅、单晶锗、蓝宝石等，由于其独特的材料特性被广泛应用于集成电路、红外探测、军事技术、航空航天等领域。但是这些材料脆性大、断裂韧性低、材料的弹性极限和强度极限非常接近，如果采用传统的加工方法将材料在宏观尺度上去除，材料会发生脆性断裂，加工表面残存裂纹和凹坑。研究表明，对上述硬脆材料加热到适当温度时，其硬度和脆性降低，断裂韧性提高，可加工性得到改善。激光辅助加工被认为是一种加工硬脆材料的有效手段：它利用激光高能场对待加工区域进行照射，材料接收激光能量后局部温度迅速升高并发生软化或相变，然后对该区域进行机械加工。可以看出，激光场的加入可以有效的降低单晶硅等材料表面的硬度，降低加工难度。对于激光加热辅助切削加工，理想的状态是加热软化的区域刚好被刀具切除，切屑将多余的热量带走，这样既能得到较好的加工表面又能避免由于整体温度升高而对材料造成损伤。所以，刀具与激光在加工试样上位置关系的选择以及保持相对位置关系的恒定对加工质量至关重要。目前的激光加热辅助切削装置中，激光器与刀具分别独立的作用于加工试样，通过调节激光器的位置或是目测的方法来调整激光与刀具在加工试样上的位置关系，这样很难保证激光轨迹与刀具运动轨迹在加工试样上的完全重合以及加工过程中它们之间相对位置的恒定，这对加热效果、加热效率以及加热的安全性没有保证。

发明内容

针对现有技术中激光器与刀具分别独立的作用于加工试样，很难保证激光轨迹与刀具运动轨迹在加工试样上的完全重合以及加工过程中它们之间相对位置的恒定，使得加热效果、加热效率以及加热的安全性没有保证的问题，本发明提供了一种切削装置包括底座、刀柄、刀具和激光器，所述刀具安装在所述刀柄上，所述刀柄和所述激光器安装在所述底座上，所述刀柄上开设有供所述激光器发出激光通过的通光槽；所述底座上固定安装有用于安装所述刀具的刀架，所述刀柄通过第一夹具固定安装在所述刀架上。

优选的，所述通光槽内安装有用于改变激光方向的反光板。

优选的，所述反光板通过第一调节旋钮安装在所述通光槽内。

优选的，所述第一调节旋钮的旋转轴与所述反光板所在平面处于同一平面。

优选的，所述激光器包括激光器输出端，所述激光器输出端通过第二夹具安装在所述底座上，所述激光器出光口位于所述激光器输出端上。

激光器可输出功率可调的连续激光，以满足不同材料的加热的需求；激光器输出端内部含有用于调节激光焦距和光斑尺寸的光学元器件，以实现对加热区域面积的控制。

优选的，所述激光器输出端通过第二夹具安装在微动平台上，所述微动平台固定安装在所述底座上。

优选的，所述第二夹具与所述微动平台之间通过第二调节旋钮轴连接。

优选的，所述第二调节旋钮的旋转轴与所述激光器发出的激光方向垂直。

激光从激光器出光口发出，经过通光槽后照射到反光板上，然后经过反光板反射到加工试样上，通过调节激光器输出端的位置和反光板的角度对激光在加工试样上的位置进行控制，方便测量在加工试样上激光与刀具之间的距离，且能够保证切削过程中它们彼此之间位置关系的恒定，使加热区域更加精确，提高了加热的准确性、安全性和效率。

优选的，还包括试样夹具和用于控制所述试样夹具旋转的控制主轴，所述试样夹具安装在所述控制主轴上，且位于所述刀具远离所述刀柄一侧附近。

优选的，还包括机床控制系统，所述机床控制系统包括用于控制所述控制主轴旋转的主轴控制器和用于控制所述刀具运行轨迹的刀具控制器，所述主轴控制器输出端与所述控制主轴输入端相连，所述刀具控制器输出端与所述刀具输入端相连。

优选的，为了实现反射激光同时自身不受到损伤，所述反光板表面涂覆有具有高反射性能的涂层材料；所述刀柄的通光槽上安装有盖板，防止切屑等杂物进入通光槽，为了防止切屑在刀具前方堆积以及影响加热效果，所述机床上安装有吹气装置，所述吹气装置的吹嘴靠近所述加工试样的切削区域，加工过程中吹嘴处喷出高压气体可以及时的清理切屑。

需要说明的是，激光经反射后光斑形状会发生一定程度的变化，但是反射后的激光光斑尺寸在刀具进给方向没有改变，只在切削方向有所增大；此外，所用的激光光斑非常小，一般在微米级，并不影响加热效果。

激光参数的选择，可以通过COMSOL软件对所选材料进行温度场仿真，根据仿真结果选取适合的激光参数，选取适合的激光参数能够使得在刀具经过前加热温度足以软化材料，且加热温度又不好对材料内部造成烧蚀损伤。

本发明还提供了一种切削装置的切削方法，具体步骤如下：

步骤一，将加工试样放置在试样夹具上；

步骤二，调节第一调节旋钮和第二调节旋钮，使激光器出光口发出的激光经过反光板落在加工试样的指定位置；

步骤三，控制机床控制系统使控制主轴旋转并带动加工试样旋转；控制刀具运动实现对加工试样的切削。

有益效果：

采用本发明技术方案产生的有益效果如下：

(1)激光从激光器出光口发出，经过通光槽后照射到反光板上，然后经过反光板反射到加工试样上，通过调节激光器输出端的位置和反光板的角度对激光在加工试样上的位置进行控制，方便测量在加工试样上激光与刀具之间的距离，且能够保证切削过程中它们彼此之间位置关系的恒定，使加热区域更加精确，提高了加热的准确性、安全性和效率。

(2)激光器可输出功率可调的连续激光，以满足不同材料的加热的需求；激光器输出端内部含有用于调节激光焦距和光斑尺寸的光学元器件，以实现对加热区域面积的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的刀架、刀具、旋钮、夹具、激光器输出端及加工试样间的位置关系示意图；

图3是本发明中激光的反射方式一示意图；

图4为本发明中激光的反射方式二示意图。

图中：

1-底座；2-刀柄；3-刀具；4-激光器；41-激光器输出端；

42-激光器出光口；5-通光槽；6-刀架；7-第一夹具；

8-反光板；9-第一调节旋钮；10-第二夹具；11-微动平台；

12-第二调节旋钮；13-加工试样；14-试样夹具；

15-控制主轴；16-机床控制系统；17-盖板。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提供了一种切削装置包括底座1、刀柄2、刀具3和激光器4，所述刀具3安装在所述刀柄2上，所述刀柄2和所述激光器4安装在所述底座1上，所述刀柄2上开设有供所述激光器4发出激光通过的通光槽5；所述底座1上固定安装有用于安装所述刀具3的刀架6，所述刀柄2通过第一夹具7固定安装在所述刀架6上。

作为一种优选的实施方式，所述通光槽5内安装有用于改变激光方向的反光板8。

作为一种优选的实施方式，所述反光板8通过第一调节旋钮9安装在所述通光槽5内。

作为一种优选的实施方式，所述第一调节旋钮9的旋转轴与所述反光板8所在平面处于同一平面。

作为一种优选的实施方式，所述激光器4包括激光器输出端41，所述激光器输出端41通过第二夹具10安装在所述底座1上，所述激光器出光口42位于所述激光器输出端41上。

激光器4可输出功率可调的连续激光，以满足不同材料的加热的需求；激光器输出端41内部含有用于调节激光焦距和光斑尺寸的光学元器件(未图示)，以实现对加热区域面积的控制，使得激光照射到材料表面后，高温区域集中在切削区域，切削区域以外的材料受温度的影响很小，即可以理解为激光只加热切削区域。

作为一种优选的实施方式，所述激光器输出端41通过第二夹具10安装在微动平台11上，所述微动平台11固定安装在所述底座1上。

作为一种优选的实施方式，所述第二夹具10与所述微动平台11之间通过第二调节旋钮12轴连接。

作为一种优选的实施方式，所述第二调节旋钮12的旋转轴与所述激光器4发出的激光方向垂直。

激光从激光器出光口42发出，经过通光槽5后照射到反光板8上，然后经过反光板8反射到加工试样13上，通过调节激光器输出端41的位置和反光板8的角度对激光在加工试样13上的位置进行控制，方便测量在加工试样13上激光与刀具3之间的距离，且能够保证切削过程中它们彼此之间位置关系的恒定，使加热区域更加精确，提高了加热的准确性、安全性和效率。

本实施方式中的激光反射方式可根据实际需求来调整，这里提供方式一和方式二两种途径，但并不限于此两种途径。

如图3和图4所示，根据反射方式一，在加工试样13上的激光与刀具3之间的距离L可以通过公式L＝L₂·tan2θ-(L₃-L₁)表示；根据反射式二，在加工试样13上的激光与刀具3之间的距离l可以通过公式l＝l₁-l₃-l₂·tan2β表示。

其中L₁、L₂、L₃是反射方式一根据刀具3、激光器4以及反光板8三者之间的位置关系得到，三者在安装时予以同一定位基准，方便确定位置关系，反光板8的角度θ根据第一调节旋钮9上的刻度读出，同理可得反射方式二的l₁、l₂、l₃及角度β。以上所述，可以精确的测量在加工试样13上的激光与刀具3之间的距离。另外，由于激光器输出端41与刀具3均通过夹具与刀架6相结合，所以在切削过程中能够保证在加工试样13上的激光与刀具3之间位置的恒定。

如图1和图2所示，作为一种优选的实施方式，还包括试样夹具14和用于控制所述试样夹具14旋转的控制主轴15，所述试样夹具14安装在所述控制主轴15上，且位于所述刀具3远离所述刀柄2一侧附近。

作为一种优选的实施方式，还包括机床控制系统16，所述机床控制系统16包括用于控制所述控制主轴15旋转的主轴控制器(未图示)和用于控制所述刀具3运行轨迹的刀具控制器(未图示)，所述主轴控制器输出端与所述控制主轴15输入端相连，所述刀具3控制器输出端与所述刀具3输入端相连。

作为一种优选的实施方式，为了实现反射激光同时自身不受到损伤，所述反光板8表面涂覆有具有高反射性能的涂层材料；所述刀柄2的通光槽5上安装有盖板17，防止切屑等杂物进入通光槽5，为了防止切屑在刀具3前方堆积以及影响加热效果，所述机床上安装有吹气装置(未图示)，所述吹气装置的吹嘴靠近所述加工试样13的切削区域，加工过程中吹嘴处喷出高压气体可以及时的清理切屑。

需要说明的是，激光经反射后光斑形状会发生一定程度的变化，但是反射后的激光光斑尺寸在刀具3进给方向没有改变，只在切削方向有所增大；此外，所用的激光光斑非常小，一般在微米级，并不影响加热效果。

激光参数的选择，可以通过COMSOL软件对所选材料进行温度场仿真，根据仿真结果选取适合的激光参数，选取适合的激光参数能够使得在刀具3经过前加热温度足以软化材料，且加热温度又不好对材料内部造成烧蚀损伤。

本实施方式还提供了一种切削装置的切削方法，具体步骤如下：

步骤一，将加工试样13放置在试样夹具14上；

步骤二，调节第一调节旋钮9和第二调节旋钮12，使激光器出光口42发出的激光经过反光板8落在加工试样13的指定位置；

步骤三，控制机床控制系统16使控制主轴15旋转并带动加工试样13旋转；控制刀具3运动实现对加工试样13的切削。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种切削装置，其特征在于，包括底座、刀柄、刀具和激光器，所述刀具安装在所述刀柄上，所述刀柄和所述激光器安装在所述底座上，所述刀柄上开设有供所述激光器发出激光通过的通光槽；所述底座上固定安装有用于安装所述刀具的刀架，所述刀柄通过第一夹具固定安装在所述刀架上；所述通光槽内安装有用于改变激光方向的反光板，所述反光板通过第一调节旋钮安装在所述通光槽内；所述激光器包括激光器输出端，所述激光器输出端通过第二夹具安装在所述底座上，所述激光器出光口位于所述激光器输出端上；

所述反光板表面涂覆有具有反射性能的涂层材料，所述刀柄的通光槽上安装有盖板。

2.根据权利要求1所述的一种切削装置，其特征在于，所述第一调节旋钮的旋转轴与所述反光板所在平面处于同一平面。

3.根据权利要求2所述的一种切削装置，其特征在于，所述激光器输出端通过第二夹具安装在微动平台上，所述微动平台固定安装在所述底座上。

4.根据权利要求3所述的一种切削装置，其特征在于，所述第二夹具与所述微动平台之间通过第二调节旋钮轴连接。

5.根据权利要求4所述的一种切削装置，其特征在于，所述第二调节旋钮的旋转轴与所述激光器发出的激光方向垂直。

6.根据权利要求5所述的一种切削装置，其特征在于，还包括试样夹具和用于控制所述试样夹具旋转的控制主轴，所述试样夹具安装在所述控制主轴上，且位于所述刀具远离所述刀柄一侧附近。

7.一种切削方法，其特征在于，采用如权利要求6所述的切削装置，具体步骤如下：

步骤一，将加工试样放置在试样夹具上；

步骤二，调节第一调节旋钮和第二调节旋钮，使激光器出光口发出的激光经过反光板落在加工试样的指定位置；

步骤三，控制机床控制系统使控制主轴旋转并带动加工试样旋转；控制刀具运动实现对加工试样的切削。

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