CN112743297A - 激光在线预加热辅助加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光在线预加热辅助加工方法，使激光从指定入射面进入刀具刀体，经由刀体光学表面折返后，按照预设的光路从刀具前刀面(001)理想位置出射，在材料被刀具作用前加热软化材料。本发明所述激光在线预加热辅助加工方法，一方面能够提高材料可加工性能，另一方面可使得激光出射点尽可能贴近切削区域，使得热影响区域极小化，同时也能避免刀具基座被加热膨胀等缺陷，从而保证超精密加工质量。

Description

激光在线预加热辅助加工方法

技术领域

本发明属于超精密加工、外场辅助加工制造技术领域，涉及一种激光在线预加热辅助加工方法。

背景技术

硬质合金、玻璃、陶瓷、半导体等硬脆性材料越来越广泛地应用到红外光学及模具制造等行业。在加工此类硬脆性材料时，普遍存在刀具磨损严重，表面加工质量较差等共性问题。出现此类现象的原因主要是由于硬脆性材料在普通条件下硬度过高，塑性较差的缘故。导致超精密切削过程刀具承受较大切削力，刀具刃口较易产生微崩刃缺陷，从而引发刀具磨损失效。同时硬脆性材料往往自身脆塑转变深度较低，对加工参数及加工环境要求较为苛刻，导致在实际工业生产中加工效率低下，生产成本极高，极大限制了该类材料的广泛应用。随着红外光学、模具制造及生物医学行业的飞速发展，对于硬脆性材料的使用需求日益扩大。同时对于关键元器件的表面完整性及面形精度都有着极高的要求。

近年来，多种外场辅助加工方法被陆续提出以提高硬脆性材料可加工性能。其中激光辅助加工方法由于热影响区域可控，能量输入较小，便于整合传输等优点被广泛范围应用在加工难加工材料场合。目前激光辅助加工可大体分为激光预加热辅助加工及激光在线加热辅助加工两种方式。

激光预加热辅助加工是最早出现的激光辅助加工形式，得到较为成熟地发展与应用。激光预加热辅助加工主要利用一束或多束激光直接作用在被加工材料表面，使得材料在切削变形前预先被加热软化，从而降低切削力、延缓刀具磨损。此种方式结构简单，激光器与机床刀具集成度不高，激光束在传输过程中裸露在空气中，故而无法使用切削液辅助加工。同时该方式目前主要应用在圆柱面车削等传统精密加工领域。对于光学元件而言，被加工表面大多数是工件端面，此时激光辅助加工刀架需要重新排布设计。专利CN110899981A公开了一种激光预加热辅助超精密加工系统设计方案，该方案通过所述夹具灵活调整激光离焦量、激光入射角度、激光焦点与车削刀具刀尖位置距离等工艺参数。但是由于加工硬脆性材料大多使用负前角刀具，前刀面的倾角使得激光点无法靠近切削刃口区域，使得现有激光预加热辅助加工方式中激光束辐照点往往高于刀具中心数毫米，导致现有激光预加热辅助加工方式热影响区域过大，且由于刀具中心需要与工件端面中心平齐，使得激光加热点始终高于工件中心，进而导致在加工工件端面中心区域时无法有效地达到加热软化效果。

激光在线加热辅助加工方式主要利用从刀具刃口出射的激光，加热与切削刃口作用的压缩或拉伸区域，在切削同时软化被加工材料。此种方法结构较为紧凑、热影响区域小，被较为广泛应用到超精密加工端面车削场合。专利CN111347571A公开了一种基于此方法的刀具设计及刀架结构设计方案，其主要利用如金刚石等具有理想的光学透过率的材料制作刀具，并引导激光束从刀具入射面入射后，再从刀具前刀面、后刀面(一或两者)及切削刃口出射。对于入射到刀具前刀面的激光束，专利CN111347571A所述方案只能实现，当激光束入射到刀具前刀面与切屑密切接触的区域时能够顺利从刀具前刀面出射，但当激光束入射到未与切屑密切接触的前刀面区域内的激光，由于较大入射角会被全反射随后照射到刀具焊接面，从而被刀具基体所吸收热量。同时由于超精密加工中切屑大小为亚微米量级且不稳定，故而入射到前刀面的激光大多被全反射后加热刀具基体。在实际应用时，刀具基体在前刀面反射激光照射下，呈现出微米量级尺度热膨胀，对于超精密加工对刀精度及加工工件面型误差都有不可忽视的恶劣影响。同时由于刀具刃口面积相对于后刀面过小，故而大部分激光能量由刀具后刀面出射加热材料，该方式容易在材料已加工表面引入较大热应力。

综上所述，目前现有的两类激光辅助加工方法受限于结构及光学系统特性限制，都存在着固有缺陷和短板。如何能够在延缓刀具磨损的同时，保证硬脆性材料产品的表面完整性及面型精度成为了亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提出了一种激光在线预加热辅助加工方法及基于此方法的刀具结构设计方案，并且开发了相应的光路调整方法可实现激光出射点精密定位，使用所述方法及刀具可基于超精密机床实现超精密激光在线预加热辅助加工。

本发明激光辅助加工方法，一方面能够实现激光出射点尽可能贴近切削区域，使得热影响区区域极小化，另一方面也能同时避免刀具基座被加热膨胀等缺陷，从而保证硬脆性材料超精密加工质量。

本发明所述激光在线预加热辅助加工刀具可与传统激光辅助加工系统及超精密机床集成使用，在降低刀具磨损的同时实现硬脆性材料光学镜面超精密加工，保证加工光学器件面型误差。有利于实现硬脆性材料高效、经济、高质量加工。

所述的激光在线预加热辅助加工方法是指激光从指定入射面进入激光在线预加热辅助加工刀具刀体，经由刀体光学表面折返后，按照设计光路从刀具前刀面(001)理想位置出射，在材料被刀具作用前加热软化材料。

一方面，所述方法与传统激光预加热辅助加工方法不同的是，所述激光在线预加热辅助加工方法克服了负前角刀具等结构干涉限制，可以使得激光出射点紧贴刀具刃口并可灵活调整，实现不同目的及参数控制的激光在线预加热辅助加热效果。同时由于所述激光光路穿过加工刀具，光路与加工刀具集成度较高，激光光束在传输过程中未大量裸露在空气中，切削过程中可使用切削液润滑辅助，进一步降低刀具磨损。

另一方面，所述方法与激光在线辅助加工方法不同的是：激光出射点仅位于前刀面(001)，且激光从前刀面(001)出射时没有限定条件，传统激光在线辅助加工仅能在与切屑接触的前刀面(001)区域出射激光，所述激光在线预加热辅助加工方法可以从前刀面(001)任意位置处出射。同时，使用所述激光在线预加热辅助加工方法，可以有效避免传统激光在线辅助加工中部分激光在前刀面(001)处反射并加热刀具基座的弊端，消除了传统方式中由于基座受热而引入的刀具热膨胀影响因素，从而提高了超精密加工中刀具对刀精度，进而保证工件表面完整性及面型精度。

该发明包含两种激光在线预加热辅助加工刀具设计方案，其通过合理的几何光学设计，使得入射激光束经过激光在线预加热辅助加工刀具刀体后按照预定光路轨迹，从刀具前刀面(001)理想位置处出射；

进一步地，激光在线预加热辅助加工刀具刀体由多个特征面构成，以实现光学设计及超精密加工功能，具体包括刀具前刀面(001)；刀具后刀面(002)；刀具底部端面(003)；刀具顶部入射面(004)；与刀具后刀面相连的前左侧面(005)及前右侧面(006)；分别与前左侧面及与前右侧面相连的正左侧面(007)及正右侧面(008)；与刀具底部端面(003)相连的激光第一入射面(009)；与激光顶部入射面相连的激光第二入射面(010)；

进一步地，激光在线预加热辅助加工刀具后刀面(002)形状可根据加工成型特点加工为任意形状，包含圆柱形、圆锥形以及平面等；对应由刀具后刀面(002)与前刀面(001)形成的刀具刃口(011)可以为圆弧、椭圆弧及直线；

进一步地，激光在线预加热辅助加工刀具刀体可选多个后刀面以避免刀具干涉情况，如刀具第二后刀面(012)等；

进一步地，激光第一入射面(009)，激光第二入射面(010)及顶部入射面(004)可设计为普通平面，亦可设计为复杂曲面，以实现激光整形、变焦或调整光路作用；

该发明所述激光在线预加热辅助刀具刀体可以由诸如金刚石及蓝宝石等对特定波长激光具备较高透光率的材料研磨制备；

进一步地，激光在线预加热辅助加工刀具刀体可通过焊接或其它固定方式，连接固定到刀具基体上，提供足够刚度及强度支撑，保证切削过程中刀具稳定性。

进一步地，刀具基体可由硬质合金或高强度钢等材质制作而成，刀具基体留出通光孔洞及刀体固定位置。

进一步地，刀具基体可在内部挖槽，连接冷却装置，进一步保证刀具基体在加工过程中的温度稳定，避免热膨胀影响。

进一步地，该发明所述激光在线预加热辅助加工刀具可基于传统激光辅助加工系统使用，所述系统可与超精密加工机床集成，实现超精密激光在线预加热辅助加工。

本发明提供两种实现激光在线预加热辅助加工的刀具设计方案：

方案一：

引导激光从刀体背部第二入射面(010)入射或者从刀体顶部入射面(004)倾斜入射，设置第二入射面(010)偏转角度φ或者顶部入射面(004)入射激光偏转角度ω使得激光入射后发生折转，并以预设的入射角度θ₂照射到刀具底部端面(003)，并在刀具底部端面(003)全反射后，以预设的入射角θ₄入射到刀具前刀面(001)，从刀具前刀面(001)指定位置出射；

θ₄小于刀具材料在空气介质中临界全反射角θ₀，

根据几何光学关系，可计算得到激光在刀具底部端面(003)的反射角θ₃＝θ₄+α，由于θ₄须小于θ₀，则θ₃须小于α+θ₀。由于希望激光在刀具底部端面(003)发生全反射，故在底部端面(003)的入射角θ₂还须大于θ₀，综上所述，底部端面(003)的入射角θ₂需满足以下角度设计要求：θ₀<θ₂＝θ₄+α<θ₀+α。

第二入射面(010)偏转角度φ及顶部入射面(004)入射激光偏转角度ω需根据材料折射率、刀具前角值综合计算得到。

水平入射激光在第二入射面(010)处发生折射，折射角θ₁根据刀体材料折射率可计算得到：

θ₁为水平入射激光在第二入射面(010)的折射角，且偏转角度φ＝θ₂-θ₁，由于底部端面(003)的入射角θ₂需满足θ₀<θ₂<θ₀+α条件，可推算出第二入射面(010)偏转角度需满足θ₀-θ₁<φ<θ₀+α-θ₁。

如激光从顶部入射面(004)入射，此时折射角等于入射到底部端面的入射角，则需满足：

其中：n_air为空气折射率近似等于1，n_tool为刀具材料折射率。

进一步地，激光第二入射面(010)不与刀具底部端面(003)垂直，偏转角度根据材料折射率、刀具前角值、刀体几何尺寸综合计算得到。使得激光光线经过第二入射面(010)折射后，入射在刀具前刀面(001)的激光入射角度小于刀具材料在空气介质中额定的全反射角；

进一步地，激光第一入射面(009)不与刀具底部端面(003)垂直，并设置小角度(优选5°)倾角，以避免激光入射到该端面时，部分激光直接折返回激光器内部，损害激光器；

进一步地，与刀具底部端面(003)相连的刀具基座处可在特定位置处挖孔，保证刀体在刀具底部端面(003)的激光反射点处不与刀具基座直接相连。在避免激光被刀具基座吸收热量的同时也保证反射点刀体外侧为光疏介质(如：空气)，产生较大的全反射角，保证激光在刀具底部端面(003)发生全反射；

挖孔半径大于激光光斑半径，挖孔位置根据刀具底面(003)激光反射点位置及焊接时刀体与基座的装配关系所确定，

(h₁-h₂)·[cot(θ₃)-tan(β)]＜l＜h₁·[cot(θ₃)-tan(β)]

l为激光反射点距刀体底部端面(003)与后刀面(002)交界线的水平最大距离，β为刀具后角；h₁为刀体总竖直高度；h₂为前刀面竖直高度；θ₃为激光在刀具底部端面(003)的反射角。

进一步地，刀具底部端面(003)可镀光学反射薄膜增加激光反射率，同时避免激光能量被与刀具底部端面(003)相连的刀具基座吸收；

方案二

预设的光路设计为：引导激光从刀体第一入射面(009)入射，激光入射后以角度γ发生折转，并以预设的入射角θ₄入射到刀具前刀面(001)理想位置，并从刀具前刀面(001)出射，

θ₄小于临界全反射角θ₀；

进一步地，激光第一入射面(009)不与刀具底部端面(003)垂直，偏转角度根据材料折射率、前角值、刀体几何尺寸综合计算得到。使得激光光线经过第一入射面(009)折射后，入射在前刀面(001)的激光入射角度小于刀具材料在空气介质中额定的全反射角；

进一步地，激光第二入射面(010)不与刀具底部端面(003)垂直，设置小角度倾角，以避免激光入射到该端面时，部分激光直接折返回激光器内部，损害激光器；

按照本发明所保护另一方面，提供了一种基于激光在线预加热辅助加工刀具的光路调整方法，实现前文所述激光在线预加热辅助加工方法功能。由于所用激光可能处于不可见波段，且加工激光功率密度较大，不能用肉眼直接观察调整，这给激光出射点精确定位带来了很大的难度。配合所述激光在线预加热辅助加工刀具结构，开发了出射激光光斑精密定位调整方法，调整方法适用于两种激光在线预加热辅助加工刀具设计方案，可实现激光光斑相较于刀具刃口的灵活调整功能。

具体可使用以下步骤调整光斑位置：

根据光学系统透镜设计参数，计算系统焦距，进而调整光学系统与刀具间距。利用光学系统设计参数，计算得到系统聚焦焦距及在不同离焦距离时的激光光斑大小。并根据加工过程中用到的刀具刀鼻半径及加工用到的刃口包括角度，确定最佳光斑大小及对应的离焦距离。根据系统焦距及计算离焦量大小确定刀具距离光学系统距离，调整光路锁定离焦量；

利用激光器提供的同轴可见光，调整激光水平位置。实际操作过程中，将可见光出射点调整至激光在线预加热辅助加工刀具后刀面(002)范围内，水平移动可见光光斑，使得从刀具出射的可见光斑以刀具刃口中心呈水平对称图案；对于光斑较大的应用场合，也可直接利用激光光线调整，在刀具后刀面(002)范围内调整激光水平位置，使得从刀具后刀面(002)处输出激光能量达到极大值，以此确定激光水平位置。调整激光至理想位置后锁定激光水平位置；

根据刀具出射激光功率变化规律，确定激光最优竖直位置。首先利用同轴可见光，将激光光斑入射位置至于金刚石下方。打开加工所用激光，此时在刀具出射端接收到的激光功率接近0W，沿竖直向上方向逐渐调整光斑位置，激光光斑一部分辐照到刀具第一入射面(009)理想位置，激光从刀具前刀面(001)出射，此时激光功率进入第一增长阶段；增长到极大值1后，随着光斑位置上移，激光光斑全部进入到刀具第一入射面(009)理想位置，此时进入第一稳定阶段；随后，随着光斑上移，激光光斑部分离开第一入射面(009)理想入射区域，出射功率逐渐降低，进入第一下降阶段，最终减小为零；并随着光斑继续上移，激光光斑全部位于第一入射面(009)顶部，功率保持接近零一段距离，此时处于第二稳定阶段；随后，光斑上移，激光光斑一部分进入第二入射面(010)，激光从刀具后刀面(002)出射，光斑功率逐渐增大，进入第二增长阶段；增长达到极大值2后，激光光斑全部处于第二入射面(010)，且此时不随光斑上移而改变功率大小，功率全部从刀具后刀面(002)出射，此时处于第三稳定阶段；当激光光斑继续上移，由于经第二入射面(002)传输到刀具前刀面(001)的入射角太大，发生全反射，激光未能出射，功率再次发生衰减，直至为零，进入第二下降阶段；当功率降为零后，将保持一段较短距离，此时处于第四稳定阶段；随后，随着光斑上移，入射激光光束一部分高于刀体，功率计接受到的功率急剧增加，进入第三增长阶段；最终增长至激光器当前输出的功率最大值，此时激光光束不经过刀体，并保持该值不变，稳定于第五稳定阶段。在调整光斑竖直位置时，调整光斑处于第一稳定阶段，并根据进入第一稳定阶段后光斑上移的距离来确定光斑位于刀尖上方的具体位置。锁定此时光斑竖直位置。

相较于现有激光辅助加工光路设计方案，本发明所述激光在线预加热辅助加工方法及刀具设计具有以下优点和有益效果：

(1)相较于传统激光预加热辅助加工，激光在线预加热辅助加工方法的激光光路与刀具集成度较高，激光光路不受外界环境干扰。加工过程中可使用切削液辅助润滑，进一步降低刀具磨损；

(2)相较于传统激光预加热辅助加工，激光在线预加热辅助加工激光出射光斑点可紧贴刀具刃口，并可灵活调整激光辐照点与刀具刃口距离，不受刀具结构及几何尺寸限制，可最大化减小热影响区域；

(3)相较于传统激光在线辅助加工，激光在线预加热辅助加工方法中入射激光束全部从刀具前刀面(001)出射，不存在加热刀具基体情况，可消除传统激光在线辅助加工中存在的刀具基体受热膨胀问题，更有利于超精密加工过程中精细对刀并保证加工工件面形精度；

(4)基于激光在线预加热辅助加工特点，可利用所述激光出射点精密定位方法精准调整出射光斑位置。先利用可见导引光进行粗定位，再利用光斑移动过程中出射激光功率变化特征，精准定位光斑三维位置，使激光从刀具前刀面(001)理想位置出射，实现激光在线预加热辅助超精密加工。

附图说明

图1激光在线预加热辅助加工刀具刀体示意图(001—刀具前刀面；002—刀具后刀面；003—刀具底部端面；004—刀具顶部入射面；005—刀具左前侧面；006—刀具右前侧面；007—刀具左侧面；008—刀具右侧面；009—激光第一入射面；010—激光第二入射面)；

图2激光在线预加热辅助加工系统光线追迹模型；

图3实施例1刀体尺寸；

图4实施例1光线追迹结果；

图5实施例1出射光斑能量分布；

图6实施例2刀体尺寸；

图7实施例2光线追迹结果；

图8实施例2出射光斑能量分布；

图9激光在线预加热辅助加工系统光斑竖直位置调整方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

在具体加工场景中，激光在线预加热辅助加工方法基于特定的激光在线预加热辅助加工系统使用。激光在线预加热辅助加工系统结构包括激光在线预加热辅助加工刀具、光纤激光器、及激光在线预加热辅助加工刀架系统所组成。激光在线预加热辅助加工刀架系统具体包含光学系统、多轴位移台及多个连接固定装置，其中光学系统与激光器通过柔性光纤连接，通过各功能器件配合，可以起到耦合固定激光输入端、光学系统及激光在线预加热辅助加工刀具作用，并可对每一部件实现灵活替换、调整功能。激光在线预加热辅助加工刀架系统的刀具调整底座部分可连接固定激光在线预加热辅助超精密加工刀具基体，提供足够刚度及强度的支撑，达到稳定切削的目的。同时刀具调整底座部分可提供刀具高度调节功能，方便超精密加工过程中进行超精密对刀操作。光纤激光器可稳定输出特定波长激光。出射激光可由柔性光纤传输至激光在线预加热辅助加工刀架系统，从而实现系统模块化安装及紧凑结构设计。同时，光纤激光器可输出与加工激光同轴耦合的可见光线，以便辅助激光光路调整。激光器可出射1064nm波长连续激光与同轴的可见光。激光在线预加热辅助加工刀架系统的光学系统可接受由光纤激光器发射并经过柔性光纤传输输入的激光光线。输入激光经过若干透镜折射变换后达到准直聚焦目的，最终得到理想能量分布及大小的激光光斑。本实施例中入射激光经过光学系统准直聚焦后变为聚焦高斯光束，并可在焦点位置得到14μm的高斯光斑。多轴位移台可精密调整激光输入端及光学系统位置，实现激光在光斑聚焦或离焦状态下辐照到工件表面，同时最终使得聚焦光斑与激光在线预加热辅助加工刀具刃口精密对准。多轴位移台提供三个相互垂直方向的位置调整，可带动光纤及光学系统在上下、左右、前后方向移动。实现激光光束相对于刀具刃口三维全方位调整功能。

利用LightTools软件建立激光在线预加热辅助加工系统的光线追迹模型，如图2所示。其中金刚石刀体几何尺寸参考具体实施例尺寸。金刚石刀体刃口中心点位于光学系统离焦距处，此时出射激光光斑覆盖了加工所用刃口范围，光斑半径为r_laser＝85μm。

在实施例中，激光在线预加热辅助加工方法所使用刀具由金刚石刀体及碳化钨刀具基体所组成。金刚石刀体通过焊膏将刀具底面(003)焊接到刀具基体预留位置上。同时碳化钨刀体中心挖槽，留出激光通过的光路，从而避免光路干涉。激光在线预加热辅助加工刀具刀体由金刚石材料制成，刀具由刀具前刀面(001)；刀具后刀面(002)；刀具底部端面(003)；刀具顶部入射面(004)；刀具左前侧面(005)；刀具右前侧面(006)；刀具左侧面(007)；刀具右侧面(008)；激光第一入射面(008)；激光第二入射面(010)所组成。

实施例1

激光在线预加热辅助加工刀具为圆柱形后刀面单晶金刚石刀具，其标称前角为α＝-35度，标称后角值为β＝10度，刀鼻半径R＝0.3mm。设置激光在线预加热辅助刀具的第一入射面(009)与刀具焊接底面(003)夹角为γ＝85度，第二入射面(010)与刀具顶端面(004)夹角φ＝30度。同时为了避免杂散光，提高激光功率出射率，将刀具第一入射面(009)、第二入射面(010)抛光至光学镜面。通过铸铁盘修磨金刚石刀体，使得刀具的总高度为h₁＝1.2mm，其中保证前刀面(001)高度h₂＝0.15mm，第二入射面(010)高度h₃＝0.6mm。刀具底部端面(003)长度为l₁＝2.21mm。由该参数组合可确定激光在线预加热辅助加工刀具具体几何形状，其模型图纸如图3所示。

同时在实施例1中，碳化钨刀具基体需要在中心对称线的特定位置开孔。具体开孔位置可由刀具几何尺寸及几何光学计算得出。具体而言，金刚石材料对于1064nm波长激光的折射率为2.392，激光束平行入射到激光第二入射面(010)，在该面发生折射后，激光折射角为：

当激光传输到刀具底部端面(003)，此时激光的入射角为：

θ₂＝φ+θ₁＝51.23°

而当金刚石刀具界面外为空气时，此时的全反射角为：

由于入射角θ₂>θ₀，故激光在刀具底部端面(003)发生全反射，反射角为：

θ₃＝θ₂＝51.23°

如激光入射位置及刀具几何尺寸设置合理，反射激光束可入射到刀具前刀面(001)处，此时的激光入射角为：

θ₄＝θ₃-α＝16.23°

由于θ₄<θ₀，故激光束可以从前刀面(001)处出射。并可计算出在刀具底面(003)的理想反射点位置距刀具底面最左侧距离范围应当为：

h₁·[cot(θ₃)-tan(β)]＞l＞(h₁-h₂)·[cot(θ₃)-tan(β)]

0.752mm＞l＞0.658mm

由于激光束始终调整至刀具的中心对称轴上，故在刀具加工时，应当在l范围内对应的刀具基座上打以圆形通孔，使得入射在该区域的激光可以发生全反射，孔的中心位置也应位于刀具中心对称轴上，孔的半径大小l范围而定，并可在不影响刀具刚度情况下，适当扩大，应对刀具的修磨。为了进一步增加光学反射率，刀具基座通孔处裸露出的刀具底部端面(003)区域可以镀上光学反射膜。当激光出射光斑位置合理时，利用LightTools模型模拟得到激光光线在金刚石刀体内部路径如图4所示。

以具体实施例1刀具尺寸为例，激光光束由刀具的第二入射面进入金刚石刀具刀体，并被折射到刀具底部端面(003)发生全反射到入射到刀具前刀面(001)处出射，成功照射到工件表面。从光线追迹结果可见，激光通过金刚石刀体时，全部入射激光从前刀面(001)出射，并无激光光线折返后被刀具基体吸收的可能，说明激光在线预加热辅助加工方法可以避免刀具基体被激光照射的热膨胀，从而提升超精密加工中的对刀精度及切深控制。在该模型中，刀具出射的光斑能量分布情况如图5所示。经由两次折射后，原本是圆形的高斯光斑变成了椭圆状光斑，且椭圆长轴方向水平。由于负前角刀具的刃口曲线大多情况下也是椭圆线，故而相较于圆形光斑，椭圆形光斑与刃口曲线更为贴合。由于光斑与刀具刃口近乎重合，故而对于超精密端面车削应用场合中，可以对工件中心位置达到理想加热软化效果，成功克服了传统激光预加热辅助加工方法的短板。

实施例2

激光在线预加热辅助加工刀具为圆柱形后刀面单晶金刚石刀具，其标称前角为α＝-35度，标称后角值为β＝10度，刀鼻半径R＝0.3mm。设置激光在线预加热辅助刀具的第一入射面(009)与刀具焊接底面(003)夹角为γ＝35度，第二入射面(010)与刀具顶端面(004)夹角φ＝95度。同时为了避免杂散光，提高激光功率出射率，将刀具第一入射面(009)、第二入射面(010)抛光至光学镜面。通过铸铁盘修磨金刚石刀体，使得刀具的总高度为h₁＝1.7mm，其中保证前刀面高度h₂＝0.15mm，第一入射面高度h₄＝0.5mm。刀具的总长度为l₀＝2.59mm，其中底部端面(003)长度l₁＝1.5mm。由该参数组合可确定激光在线预加热辅助加工刀具具体几何形状，其模型图纸如图6所示。通过LightTools建立的光线追迹模型模拟，在该几何尺寸下，激光出射光斑位置合理，激光光线在金刚石刀体内部路径如图7所示。

以具体实施例2刀具尺寸为例，激光光束由刀具的第一入射面进入金刚石刀具刀体，并被折射到刀具的前刀面(001)处出射，成功照射到工件表面。从光线追迹结果可见，激光通过金刚石刀体时，全部入射激光从前刀面(001)出射，并无激光光线折返后被刀具基体吸收的可能，说明激光在线预加热辅助加工方法可以避免刀具基体被激光照射的热膨胀，从而提升超精密加工中的对刀精度及切深控制。在该模型中，刀具出射的光斑能量分布情况如图8所示。经由两次折射后，原本是圆形的高斯光斑变成了椭圆状光斑，且椭圆长轴方向水平。由于负前角刀具的刃口曲线大多情况下也是椭圆线，故而相较于圆形光斑，椭圆形光斑与刃口曲线更为贴合。同时出射光斑的功率密度高点向刀具刃口倾斜，光斑高功率密度区域更为靠下，可以对切削区域达到较理想的加热软化效果。由于光斑与刀具刃口近乎重合，故而对于超精密端面车削应用场合中，可以对工件中心位置达到理想加热软化效果，成功克服了传统激光预加热辅助加工方法的短板。

以具体实施例2刀具尺寸为例，由于1064nm波长激光为近红外激光，肉眼不可见，无法直观调整激光光束。在实际操作时，可按照图9所示规律结合以下步骤巧妙调整激光光斑至理想位置：

1.首先，利用光学系统聚焦镜头参数，建立光线追迹模型，如图2所示，计算得到在不同离焦距离时的光斑大小。加工过程中所用刀鼻半径0.3mm，预计所需用到的刀具刃口包括角度为16度，如果刀架水平安装时，可以确定光斑半径至少为82.7μm，此时需要调整光路离焦1.22mm。调整光路锁定位移台前后位置；

2.利用激光器提供的同轴可见光，调整激光水平位置。首先将出射光线调整到刀具后刀面范围内，并调节位移台水平移动激光光斑，使得刀具出射可见光斑以刀具刃口中心呈水平对称月牙图案；对于光斑较大应用场合，可根据输出激光能量极大值确定激光水平位置，利用激光器10％功率输出，当激光穿透刀具出射时，水平调整激光位置，激光功率呈现趋势(0W增大至7.73W再减小至0W)，当激光功率为7.73W时，可认为此时激光光路处于金刚石刀体对称轴上。锁定此时位移台水平位置；

3.打开加工使用激光，设定激光出射功率为10％，直接测量激光器输出激光功率为11.2W。关闭激光，打开激光器搭载的同轴可见光，将光斑入射位置至于金刚石刀体中心下方。打开激光，并设定功率为10％，此时在刀具出射端接收到的激光功率接近0W。沿竖直方向逐渐向上移动激光光束位置。激光光斑由底部向上移动过程中，激光在线预加热辅助刀具出射激光能量变化如图9所示。具体来说：刚开始移动时激光功率渐渐增大进入第一增长阶段；增长到极大值7.73W后，随着光斑位置上移，进入第一稳定阶段；随后，随着光斑上移，功率逐渐降低，进入第一下降阶段，最终减小为0W；并随着光斑继续上移，功率保持接近0W一段距离，此时处于第二稳定阶段；随后，光斑上移，功率逐渐增大，进入第二增长阶段；增长达到7.73W后，不随光斑上移而改变功率大小，此时处于第三稳定阶段；当激光光斑继续上移，功率再次衰减，直至为0W，进入第二下降阶段；当功率降为零后，将保持一段较短距离，此时处于第四稳定阶段；随后，随着光斑上移，功率急剧增加，进入第三增长阶段；最终增长至激光器当前输出的功率最大值11.2W，并保持该值不变，稳定于第五稳定阶段。在调整光斑竖直位置时，调整光斑处于第一稳定阶段，即图9中编号3所示状态。并根据进入第一稳定阶段后光斑上移的距离来确定光斑位于刀尖上方的具体位置。锁定此时位移台竖直位置，得到最终光斑理想位置。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光在线预加热辅助加工方法，其特征在于：使激光从指定入射面进入刀具刀体，经由刀体光学表面折返后，按照预设的光路从刀具前刀面(001)理想位置出射，在材料被刀具作用前加热软化材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的刀具包括：刀具前刀面(001)；刀具后刀面(002)；刀具底部端面(003)；刀具顶部入射面(004)；与刀具后刀面相连的前左侧面(005)及前右侧面(006)；分别与前左侧面及与前右侧面相连的正左侧面(007)及正右侧面(008)；与刀具底部端面(003)相连的激光第一入射面(009)；与激光顶部入射面(004)相连的激光第二入射面(010)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：预设的光路设计为：引导激光从刀体背部第二入射面(010)入射或者从刀体顶部入射面(004)倾斜入射，设置第二入射面(010)偏转角度φ或者顶部入射面(004)入射激光偏转角度ω使得激光入射后发生折转，并以预设的入射角度θ₂照射到刀具底部端面(003)，并在刀具底部端面(003)全反射后，以预设的入射角θ₄入射到刀具前刀面(001)，从刀具前刀面(001)指定位置出射；

θ₄小于刀具材料在空气介质中临界全反射角θ₀，

θ₂需满足以下角度设计要求：θ₀<θ₂＝θ₄+α<θ₀+α，α为刀具前角；

偏转角度φ需满足：θ₀-θ₁<φ<θ₀+α-θ₁，

θ₁为水平入射激光在第二入射面(010)的折射角，折射角根据刀体材料折射率计算得到：

偏转角度ω需满足：

其中：n_air为空气折射率可近似等于1，n_tool为刀具材料折射率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在与刀具底部端面(003)相连的刀具基座的预设位置处挖孔，挖孔半径大于激光光斑半径，挖孔位置根据刀具底面(003)激光反射点位置及焊接时刀体与基座的装配关系所确定，

(h₁-h₂)·[cot(θ₃)-tan(β)]＜l＜h₁·[cot(θ₃)-tan(β)]

l为激光反射点距刀体底部端面(003)与后刀面(002)交界线的水平最大距离，β为刀具后角；h₁为刀体总竖直高度；h₂为前刀面竖直高度；θ₃为激光在刀具底部端面(003)的反射角。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在刀具底部端面(003)镀光学反射薄膜。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：预设的光路设计为：引导激光从刀体第一入射面(009)入射，激光入射后以角度γ发生折转，并以预设的入射角θ₄入射到刀具前刀面(001)理想位置，并从刀具前刀面(001)出射，

θ₄小于临界全反射角θ₀，α为刀具前角，n_air为空气折射率可近似等于1，n_tool为刀具材料折射率。

7.根据权利要求2或3或6所述的方法，其特征在于：激光第一入射面(009)、激光第二入射面(010)或顶部入射面(004)为平面或曲面。

8.根据权利要求2或3或6所述的方法，其特征在于：激光第一入射面(009)或激光第二入射面(010)不与刀具底部端面(003)垂直，并设置5～6°倾角。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：刀具刀体采用透光率大于50％的材料制成。

10.一种激光光斑精密定位调整方法，包括如下步骤：

根据所需激光光斑大小确定刀具距光学系统距离，调整离焦量锁定激光前后位置；

利用激光器提供的同轴可见光，调整激光水平位置，使得从刀具后刀面(002)出射的可见光斑以刀具刃口中心呈水平对称图案并锁定激光水平位置；对于激光光斑接近刀具刀鼻半径场景，可利用水平调整过程中的刀具出射激光极大值辅助调整激光水平位置；

竖直调整激光光斑入射位置，沿着刀体竖直中轴线从刀体下方缓慢调整至刀体上方，根据调整过程中刀具出射激光功率变化规律，确定激光最优竖直位置。

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