CN112775856B - 激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置及加工方法。本申请所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置包括：激光发生器、透明玻璃、磨粒悬浮液层、模芯、支撑板、工作台以及压块；所述透明玻璃、所述磨粒悬浮液层、所述模芯以及所述工作台依次堆叠设置；所述透明玻璃的两侧分别通过所述支撑板固定安装在所述工作台上；且所述透明玻璃的一侧通过锁紧螺栓转动连接在所述支撑板上；所述透明玻璃的另一侧盖有所述压块，使得所述透明玻璃能够绕所述锁紧螺栓转动，并能够通过所述压块紧固连接在另一所述支撑板上。本申请所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置及加工方法具有结构简单且容易实现的优点。

Description

激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置及加工方法
技术领域
本申请涉及抛光模芯装置及加工方法，特别是涉及激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置及加工方法。
背景技术
光学微透镜具有集成度高、体积小、质量轻等优点，被广泛应用于光电子系统、成像系统及传感器系统中。目前适用其大批量生产的有效方式为热压印成型及注塑成型等方法，现有硬脆模芯需要在表面进行微纳结构加工。现有技术存在两种主要加工方式，其一是机械加工，采用磨削等机械加工后得到的微结构边缘会存在微破损、微毛刺等缺陷，这将导致模芯使用寿命降低或失效。第二是激光加工，采用激光加工的微结构边缘会存在沉积层，无法直接用于光学微透镜精密成型。
因此，还需要对经过上述加工的模芯表面进行抛光。现有抛光方法包括机械抛光、超声波抛光、化学抛光等方法。机械抛光后零件的平整性好，但是劳动强度大，污染严重，无法加工复杂零件，光泽度很难保持一致。化学抛光加工能抛光复杂件，速度快，但是光亮度差，有气体溢出，需要通风设备。电化学抛光镜面光泽保持长，工艺稳定，成本低，防腐性好，但加工设备一次性投资大，复杂件要工装、辅助电极，大量生产还需要降温设施。总之，现有的抛光设备加工模芯表面或者现有的抛光方法存在工艺复杂、设备繁杂等问题。
发明内容
基于此，本申请的目的在于，提供激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置及加工方法，其具有结构简单且容易实现的优点。
本申请的一方面，提供一种激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，包括激光发生器、透明玻璃、磨粒悬浮液层、模芯、支撑板、工作台以及压块；
所述透明玻璃、所述磨粒悬浮液层、所述模芯以及所述工作台依次堆叠设置；
所述透明玻璃的两侧分别通过所述支撑板固定安装在所述工作台上；且所述透明玻璃的一侧通过锁紧螺栓转动连接在所述支撑板上；所述透明玻璃的另一侧盖有所述压块，使得所述透明玻璃能够绕所述锁紧螺栓转动，并能够通过所述压块紧固连接在另一所述支撑板上；
所述激光发生器的端部置于所述透明玻璃的上方；激光发生器发出的激光束聚焦在磨粒悬浮液层中；
所述磨粒悬浮液层由微粉磨粒和水混合而成；
左右两块支撑板的高度一致，透明玻璃与一侧的支撑板用锁紧螺栓间隙配合连接，能够绕螺栓1-180°旋转。
本申请所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，利用激光热及磨粒微射流的冲击力复合作用，抛光模芯表面及其微结构。可以实现大面积抛光、选区抛光，还可以去除激光加工微结构边缘沉积层，及机械加工微结构边缘毛刺，是一种简单实用、成本低廉的抛光装置。
进一步地，还包括三坐标微调平台，该三坐标微调平台置于所述模芯和所述工作台之间。
进一步地，所述三坐标微调平台包括X轴、Y轴以及Z轴的三轴空间调节，调节精度为0.001mm。
进一步地，所述模芯为金属材质时，所述激光发生器为红外光纤激光器。
进一步地，所述模芯为陶瓷材质时，所述激光发生器为紫外激光器。
进一步地，所述透明玻璃与所述模芯间隙配合，其间隙厚度为0.5mm-1mm。
本申请的另一方面，提供一种激光诱导磨粒微射流的模芯抛光加工方法，包括步骤：
设置上述任一项所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置；
配制磨粒悬浮液；
将所述磨粒悬浮液滴在模芯的上表面；
在模芯上方放置透明玻璃；
控制激光发生器发出激光束聚焦于模芯表面或者模芯上方，调节激光参数并利用部分激光能量软化工件，另外的部分激光能量聚焦磨粒悬浮液，去除模芯表面凸起、沉淀或毛刺。
进一步地，所述配制磨粒悬浮液包括取定量的金刚石粉末作为溶质，取定量的水作为溶剂，金刚石粉末与水的调配比例范围为0.6%-1%。
进一步地，将磨粒悬浮液滴在模芯的上表面之前，根据模芯上表面待加工面积，计算磨粒悬浮液体积，将磨粒悬浮液搅拌均匀后，按照计算出来的体积，立即用滴管将磨粒悬浮液滴在模芯上表面。
进一步地，通过三坐标微调平台调节模芯与透明玻璃的间距，从而调节磨粒悬浮液的厚度；该磨粒悬浮液的厚度为0.5mm-1mm。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本申请。
附图说明
图1为本申请示例性的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置的主视图；
图2为本申请示例性的图1所示装置加工模芯表面的加工前后形貌和粗糙度对比图。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为本申请示例性的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置的主视图；图2为本申请示例性的图1所示装置加工模芯表面的加工前后形貌和粗糙度对比图。
请参阅图1，本申请示例性的一种激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，包括激光发生器1、透明玻璃2、磨粒悬浮液层3、模芯4、支撑板5、工作台7以及压块9；
所述透明玻璃2、所述磨粒悬浮液层3、所述模芯4以及所述工作台7依次堆叠设置；
所述透明玻璃2的两侧分别通过所述支撑板5固定安装在所述工作台7上；且所述透明玻璃2的一侧通过锁紧螺栓转动连接在所述支撑板5上；所述透明玻璃2的另一侧盖有所述压块9，使得所述透明玻璃2能够绕所述锁紧螺栓转动，并能够通过所述压块9紧固连接在另一所述支撑板5上；
所述激光发生器1的端部置于所述透明玻璃2的上方，激光发生器发出的激光束汇聚在磨粒悬浮液层中；
所述磨粒悬浮液层3由微粉磨粒和水混合而成。
在一些优选实施例中，磨粒悬浮层中的微粉磨粒为金刚石微粉、二氧化硅微粉、碳化硅等。
在一些优选实施例中，透明玻璃2的材料为K9玻璃、石英玻璃等不吸收激光能量的材料，透明玻璃2的作用是增强磨粒悬浮液的压力，控制磨粒悬浮液微射流的流向。
在一些优选实施例中，左右两块支撑板5的高度一致，透明玻璃2与一侧的支撑板5用锁紧螺栓间隙配合连接，能够绕螺栓1-180°旋转，透明玻璃2的另一侧通过压块9压紧与另一支撑板5连接。
在一些优选实施例中，还包括三坐标微调平台6，该三坐标微调平台6置于所述模芯4和所述工作台7之间。
在一些优选实施例中，所述三坐标微调平台6包括X轴、Y轴以及Z轴的三轴空间调节，调节精度为0.001mm。
在一些优选实施例中，所述模芯4为金属材质时，所述激光发生器1为红外光纤激光器。在另一些优选实施例中，所述模芯4为陶瓷材质时，所述激光发生器1为紫外激光器。
在一些优选实施例中，所述透明玻璃2与所述模芯4间隙配合，其间隙厚度为0.5mm-1mm。
一种激光诱导磨粒微射流的模芯抛光加工方法，包括步骤：
设置上述任一项所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置；
配制磨粒悬浮液；
将所述磨粒悬浮液滴在模芯4的上表面；
在模芯4上方放置透明玻璃2；
控制激光发生器1发出激光束聚焦于模芯4表面或者模芯4上方，调节激光参数并利用部分激光能量软化工件（模芯4），另外的部分激光能量聚焦磨粒悬浮液，去除模芯4表面凸起、沉淀或毛刺。
结合图1所示示例，其中溶液过渡区8、重铸层10、熔渣11、光致气泡12。
进一步地，调节激光参数，利用部分激光能量软化工件，另外的部分能量聚焦磨粒悬浮液，诱导光致气泡12膨胀塌陷产生微射流，冲击去除模芯4表面的凸起、微结构边缘沉积物或毛刺，提高表面光滑度。
在一些优选实施例中，激光发生器1总功率为3-10W，激光参数控制范围为：激光扫描速度为200-400 mm/s，频率为20-40 kHz，功率百分比在40%-80%之间，扫描次数为1-5次。
在一些优选实施例中，所述配制磨粒悬浮液包括取定量的金刚石粉末作为溶质，取定量的水作为溶剂，金刚石粉末与水的调配比例范围为0.6%-1%。
在一些优选实施例中，将磨粒悬浮液滴在模芯4的上表面之前，根据模芯4上表面待加工面积，计算磨粒悬浮液体积，将磨粒悬浮液搅拌均匀后，按照计算出来的体积，立即用滴管将磨粒悬浮液滴在模芯4上表面。
在一些优选实施例中，通过三坐标微调平台6调节模芯4与透明玻璃2的间距，从而调节磨粒悬浮液的厚度；该磨粒悬浮液的厚度为0.5mm-1mm。
如图2所示，在一个示例中，取0.1g的金刚石粉末与水调配，配制比例为0.8%；在模芯4上形成的磨粒悬浮液厚度为0.8mm，激光发生器1的总功率为5W，激光扫描速度为200mm/s，频率为20 kHz，功率百分比为50%，扫描次数为4次。通过使用本申请的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，模芯4加工前的表面粗糙度为0.60 μm，其加工后的表面粗糙度为0.38 μm。通过本申请的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置的加工，使得模芯4的表面粗糙度明显降低，表面质量明显提高。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，其特征在于：包括激光发生器、透明玻璃、磨粒悬浮液层、模芯、支撑板、工作台以及压块；
所述透明玻璃、所述磨粒悬浮液层、所述模芯以及所述工作台依次堆叠设置；
所述透明玻璃的两侧分别通过所述支撑板固定安装在所述工作台上；且所述透明玻璃的一侧通过锁紧螺栓转动连接在所述支撑板上；所述透明玻璃的另一侧盖有所述压块，使得所述透明玻璃能够绕所述锁紧螺栓转动，并能够通过所述压块紧固连接在另一所述支撑板上；
所述激光发生器的端部置于所述透明玻璃的上方；
所述磨粒悬浮液层由微粉磨粒和水混合而成；
左右两块支撑板的高度一致，透明玻璃与一侧的支撑板用锁紧螺栓间隙配合连接，能够绕螺栓1-180°旋转。
2.根据权利要求1所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，其特征在于：还包括三坐标微调平台，该三坐标微调平台置于所述模芯和所述工作台之间。
3.根据权利要求2所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，其特征在于：所述三坐标微调平台包括X轴、Y轴以及Z轴的三轴空间调节，调节精度为0.001mm。
4.根据权利要求3所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，其特征在于：所述模芯为金属材质时，所述激光发生器为红外光纤激光器。
5.根据权利要求3所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，其特征在于：所述模芯为陶瓷材质时，所述激光发生器为紫外激光器。
6.根据权利要求4或5所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置，其特征在于：所述透明玻璃与所述模芯间隙配合，其间隙厚度为0.5mm-1mm。
7.一种激光诱导磨粒微射流的模芯抛光加工方法，其特征在于，包括步骤：
设置权利要求1-6任一项所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光装置；
配制磨粒悬浮液；
将所述磨粒悬浮液滴在模芯的上表面；
在模芯上方放置透明玻璃；
控制激光发生器发出激光束聚焦于模芯表面或者模芯上方，调节激光参数并利用部分激光能量软化工件，另外的部分激光能量聚焦磨粒悬浮液，去除模芯表面凸起、沉淀或毛刺。
8.根据权利要求7所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光加工方法，其特征在于：所述配制磨粒悬浮液包括取定量的金刚石粉末作为溶质，取定量的水作为溶剂，金刚石粉末与水的调配比例范围为0.6%-1%。
9.根据权利要求8所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光加工方法，其特征在于：将磨粒悬浮液滴在模芯的上表面之前，根据模芯上表面待加工面积，计算磨粒悬浮液体积，将磨粒悬浮液搅拌均匀后，按照计算出来的体积，立即用滴管将磨粒悬浮液滴在模芯上表面。
10.根据权利要求8所述的激光诱导磨粒微射流的模芯抛光加工方法，其特征在于：
通过三坐标微调平台调节模芯与透明玻璃的间距，从而调节磨粒悬浮液的厚度；该磨粒悬浮液的厚度为0.5mm-1mm。
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