CN1125701C - 一种用于激光加工的光束旋转装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于激光加工的装置及其加工方法。该装置包括有光学镜、镜筒及其支承旋转装置，所述光学镜是平面透镜，在该镜的夹持架上设有两根同轴线的支承轴，构成平面透镜能环绕该支承轴转动一定角度的回转支承。其工作过程是，调节光束旋转装置，使激光束轴线与平面透镜入射面法线间夹角θ满足下列公式：本装置在工件上加工形成的孔是直圆柱孔。平面透镜倾斜的角度不同，则加工的孔径就不相同，使用十分方便，并具有激光能量损失小的优点。

Description

一种用于激光加工的光束旋转装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及用于激光加工的装置及其加工方法。

背景技术

在现有的激光加工装置中，常常需要将激光光束进行旋转，以便用于切割加工大于激光束直径的孔洞等。现有技术中以下方法能够使激光光束作旋转运动：CN85204571中公开了一种用于激光热处理加工的装置，该装置用一旋转导光机构，使平面反射镜以入射激光束光轴作为轴线旋转，从而实现反射激光束在工件表面画圆的功能；调节平面镜与入射光的夹角，即可改变所画圆的半径。这种方法的优点是实现起来比较简单，且激光能量损耗小；但是由于反射光束与工件表面有一夹角，因此加工形成的孔的内表面是一个圆锥面，也就是说打出的孔不是直孔，而是一个锥孔，这在许多场合不能满足使用要求。如果以楔形棱镜代替平面反射镜以入射激光束光轴作为轴线旋转，也可实现使透射激光束在工件表面画圆的功能，但其同样存在是锥孔的缺陷。US4822974中给出了一种使用旋转组合棱镜的方法，即以两个相对的棱镜斜面平行放置在能以入射激光束光轴作为轴线旋转的装置上，使透射激光束实现在工件表面画圆的功能。在这种方法中，激光束垂直射到工件表面上，因此打出的孔是直圆柱孔。其缺点是，激光束穿过两个透镜界面，能量损失较大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种使用一块平面透镜使透射激光束能在工件上打直圆柱孔的光束旋转装置及其加工方法。

本发明的目的由以下方式来实现。

本发明用于激光加工的光束旋转装置，包括光学镜、镜筒及其支承旋转装置，其特征在于，所述光学镜是平面透镜，在该镜的夹持架上设有两根同轴线的支承轴，该两支承轴分别套装在旋转镜筒壁面上的同轴线孔内，构成平面透镜能环绕该支承轴转动一定角度的回转支承；在平面透镜的夹持架上还连接有一根用于调节角度的转动杆，该杆的另一端伸在镜筒壁外，在该杆的外圆面上设有与圆形镜筒壁孔内螺纹相配合的螺纹。

使用上述光束旋转装置进行激光加工的方法，包括将所用激光器及其聚焦系统放置在待加工件近处，所述光束旋转装置放置于聚焦后的激光光路上，镜筒与聚焦后的激光束同轴线，其特征在于，此后的工作过程是，根据需要加工孔的半径r，调节光束旋转装置的转动杆，使激光束轴线与平面透镜入射面法线之间的夹角θ满足下列公式： $\frac{r}{D}=\sin \mathrm{\θ}-\frac{1}{2}\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$ 或 $\mathrm{\θ}=-\mathrm{ArcSin}\left[\frac{1}{a}(b+\frac{c}{{(e+6\sqrt{3}\sqrt{f})}^{1/3}}-{(e+6\sqrt{3}\sqrt{f})}^{1/3})\right]$ 其中：

a＝6Dr，b＝-D²+D²n²-r²，c＝(-12D²n²r²-b²)

e＝D⁶-3D⁶n²+3D⁶n⁴-D⁶n⁶+3D⁴r²+12D⁴n²r²

    -15D⁴n⁴r²+3D²r⁴-39D²n²r⁴+r⁶

f＝-D⁸n²r⁴+2D⁸n⁴r⁴-D⁸n⁶r⁴-3D⁶n²r6-14D⁶n⁴r⁶

    +D⁶n⁶r⁶-3D⁴n²r⁸+11D⁴n⁴r⁸-D²n²r¹⁰

式中n是平面透镜对所用激光波长的折射率，D为平面透镜厚度，r为需要加工的圆孔的半径。

使用本发明的光束旋转装置对工件进行激光加工时，调节平面透镜的设置角度，就可方便地加工出不同直径的孔。由于激光束穿过平面透镜直接射到加工件的表面上，只要激光束轴线与平面透镜入射平面处于非垂直状态，出射光束轴线就发生平移，但其方向仍然保持不变，结果使它在工件上加工形成的孔即是直圆柱面孔。平面透镜倾斜的角度不同，则加工的孔径就不相同。使用十分方便。另一方面由于激光束仅穿过一块平面透镜，相比现有技术中使用的组合棱镜，具有激光能量损失小的优点。

本发明的光束旋转装置及其加工方法，能够方便地用于飞机涡轮发动机涡扇表面等装置的细微孔的加工。

附图说明

下面通过实施例及其附图作进一步描述。

图1是本发明所述光束旋转装置的一种实施例结构示意图。

图2是本发明所述光束旋转装置用于加工的状态示意图。

具体实施方式

参见图1，1为圆形镜筒，它通过滚动轴承3支承在底座2上。在该底座上置有电机6，电机主轴上安装有皮带轮5，在圆形镜筒的外壁面上与皮带轮相对应位置处有一凹槽，皮带4放置在其中。电机启动后则通过皮带传递带动圆形镜筒以需要的速度转动。8为平面透镜，在该镜的周边设有扶持架，在两侧处的扶持架上还分别固定连接有一根水平支承轴9，它们穿套在旋转镜筒壁面上的同轴线孔内，使所述平面透镜能环绕该支承轴转动一定角度。7为设置在镜筒壁与透镜扶持架下部之间的拉簧，它用以辅助支承透镜。10为与平面透镜夹持架相接触的用于调节角度的转动杆，该杆的另一端伸在镜筒壁外，以便调节。在该杆的外圆面上设有与圆形镜筒壁孔内螺纹相配合的螺纹，用手转动该杆时即能调节平面透镜的角度。在实际使用中也可以在转动杆与夹持架相接触处使用套环连接，以保证两者不分离，此时可免去辅助支承件拉簧。

参见图2，11为激光器，从激光器射出的水平状激光束经聚焦系统13入射到镜筒内平面透镜8上，该激光束12与镜筒同轴线。角θ为激光束轴线与平面透镜法线间的夹角，D为平面透镜的厚度。从平面透镜射出的激光束轴线14与原激光束轴线12平行，但平移了距离r。当电机带动装有平面透镜的圆形镜筒转动时，所述从平面透镜射出的激光束将会绕镜筒轴线转动，旋转半径为r，则在工件15的左侧表面上切割形成半径为r的圆孔。

图2中L1表示激光束光腰和聚焦透镜的中心之间的距离，L2表示聚焦透镜中心和加工工件表面的距离，L3表示所述平面透镜中心和加工工件表面的距离。在实际使用中L1、L2和L3要分别满足下述条件：L1要使激光束到达聚焦透镜时满足透镜的旁轴光线条件，L2约等于聚焦透镜的焦距，L3应大于激光加工过程中返溅出的工件残渣的喷射距离，以防止污染平面透镜，一般情形下可取10cm＜L3＜L2。

在实际应用中，可根据所用平面透镜的厚度及其折射率、不同的圆柱孔半径，使用所述的计算公式算出多组激光束轴线与平面透镜法线间的夹角θ的数据，制成明细表格或图形，供操作人员查阅使用。

下面给出加工实例。选取Nd：YAG激光器4倍频输出的266nm波长的激光，聚焦透镜取焦距为15cm的凸面透镜，设定L₁为1m，L₂为15cm，L₃为10cm，使用折射率n为1.5的石英平面透镜，其厚度D为2mm，当调节其入射夹角θ为30°时，则在工件上所打出的直圆柱孔的半径r为388μm。

Claims (2)

1.一种用于激光加工的光束旋转装置，包括有光学镜、镜筒及其支承旋转的装置，其特征在于，所述光学镜是平面透镜，在该镜的夹持架上设有两根同轴线的支承轴，该两支承轴分别套装在旋转镜筒壁面上的同轴线孔内，构成平面透镜能环绕该支承轴转动一定角度的回转支承；在平面透镜的夹持架上还连接有一根用于调节角度的转动杆，该杆的另一端伸在镜筒壁外，在该杆的外圆面上设有与圆形镜筒壁孔内螺纹相配合的螺纹。

2.使用权利要求1所述的光束旋转装置进行激光加工的方法，包括将所用激光器及其聚焦系统放置在待加工件近处，所述光束旋转装置置于聚焦后的激光光路上，镜筒与聚焦后激光束同轴线，其特征在于，此后的工作过程是，根据需要加工孔的半径r，调节光束旋转装置的转动杆，使激光束轴线与平面透镜入射面法线之间的夹角θ满足下列公式： $\frac{r}{D}=\sin \mathrm{\θ}-\frac{1}{2}\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

式中n是平面透镜对所用激光波长的折射率，D为平面透镜厚度，r为需要加工的圆孔的半径。

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