CN113414889B - 激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于超精密加工领域，公开了一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的方法及装置，装置包括：金刚石刀具、刀架座、反射镜、微调镜和保护镜；金刚石刀具固定在刀架座上，刀架座中间设置有两个分别为辅助切削用激光和抛光用激光通路的通孔，且在通路中设置有通入高压气体的通气孔；反射镜固定在刀架座上用于引导抛光用激光通过反射射向微调镜；微调镜与反射镜配合使用，用于将抛光用激光精准聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光；保护镜设置于刀架座的激光通路中且用于隔绝尘屑。本发明实现了切削与抛光两道工序原位复合，可以有效去除切削残余加工痕迹导致的“彩虹纹”现象，提高了加工效率和加工表面质量。

Description

激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的方法及装置

技术领域

本发明属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置。

背景技术

目前，难加工的硬脆材料(如半导体材料、光学晶体材料、模具材料等)以其优异的机械性能、光学性能、物理性能和化学性能得到了广泛的应用。

激光辅助切削技术通过激光加热软化材料，增大临界塑脆转变深度，提高材料的加工性能；激光抛光是使用激光辐射来熔化材料非常薄的表面层，通过材料自身的表面张力将熔化的材料均匀分布在表面上，最终得到抛光后的材料表面。

激光抛光是随着激光技术的发展而出现的非接触式抛光方法，具有传统抛光技术所不具备且无法比拟的优点，如非接触式、微选区抛光、抛光精度高、应用范围广、材料性能提升。

激光辅助加工技术是加工硬脆性材料的有效方法，但由于激光辅助金刚石切削后的材料表面会留下涡状刀痕，产生“彩虹纹”现象，影响了加工表面的光学质量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置，其目的在于有效去除切削残余加工痕迹导致的“彩虹纹”现象，提高加工效率和加工表面质量。

本发明提供了一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的方法，包括下述步骤：

辅助切削用激光通过金刚石刀具从刀尖点出射，实现原位加热软化和切削工件材料；

抛光用激光通过反射镜和微调镜准确聚焦在加工轨迹的波峰处进行激光抛光。

更进一步地，在加工过程中所述抛光用激光始终沿加工轨迹聚焦至加工表面波峰处进行激光抛光。

其中，辅助切削用激光与所述抛光用激光之间的距离D＝nf+f/2，加工表面峰谷值

其中f为加工过程中的进给量，n为整数，R为金刚石刀具的刀尖圆弧半径。

更进一步地，可以根据工件材料的特性选择加工工艺参数，所述加工工艺参数包括辅助切削用激光的功率、抛光用激光的功率和激光光斑大小。

本发明还提供了一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置，包括：金刚石刀具、刀架座、反射镜、微调镜和保护镜；所述金刚石刀具固定在所述刀架座上，所述刀架座中间设置有两个分别为辅助切削用激光和抛光用激光通路的通孔，且在通路中设置有通入高压气体的通气孔；所述反射镜固定在所述刀架座上，用于引导抛光用激光通过反射射向所述微调镜；所述微调镜与所述反射镜配合使用，用于将抛光用激光精准聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光；保护镜设置于刀架座的激光通路中且用于隔绝尘屑。

本发明通过原位激光辅助切削与抛光系统可实现激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合加工，有机复合了激光辅助金刚石切削和激光抛光两道工序，使得激光抛光的加工轨迹与金刚石切削留下的痕迹精确重合，有效提高加工效率和工件表面质量。

更进一步地，在刀架座的后端设置有用于与机床刀架连接的筋板，筋板上开有连接孔，可以调节装置的高度。

更进一步地，辅助切削用激光为波长为1064nm且功率在0～100W范围内可调的激光；所述抛光用激光为功率在0～100W范围内可调的激光。

其中，反射镜和微调镜的设计可使激光在加工过程中始终沿加工轨迹聚焦至加工表面波峰处进行激光抛光。

更进一步地，辅助切削用激光与所述抛光用激光之间的距离D＝nf+f/2，加工表面峰谷值

其中f为加工过程中的进给量，n为整数，R为金刚石刀具的刀尖圆弧半径。

更进一步地，保护镜包括：蓝宝石窗片、橡胶密封圈和保护镜座，蓝宝石窗片用于隔绝外部与内部激光光路，防止尘屑进入内部激光光路，同时激光可以透过窗片；保护镜座起支承连接作用，用于将蓝宝石窗片与刀架座连接；橡胶密封圈用于实现蓝宝石窗片和保护镜座之间的密封。其中保护镜和刀架座的设计可以隔绝尘屑，避免灰尘、切屑和切削液污染激光光路，并通过刀架座气路的设计，引入高压气体，保持激光光路的清洁。

本发明还提供了一种三轴联动超精密机床系统，包括加工装置，加工装置通过筋板与机床连接，其中加工装置为上述的加工装置。

本发明对激光辅助金刚石切削和激光抛光技术进行原位复合，创新性地将激光精确聚焦于金刚石切削后加工表面留下的涡状刀痕的波峰处，沿加工轨迹运动同时实现了激光辅助切削和激光抛光，有效去除了加工纹路，进一步提高了加工效率和加工表面质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置的加工原理图；

图3为本发明实施例提供的原位激光辅助切削与抛光系统快速搭建示意图；

图4为本发明实施例提供的激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合加工轨迹图。

100为金刚石刀具，101为螺钉，102为防尘盖，103为通气孔，104为反射镜，105为保护镜座，106为蓝宝石窗片，107为橡胶密封圈，108为微调镜，109为刀架座，110为辅助切削用激光，111为抛光用激光，112为加工表面，113为主轴，114为工件，115为激光辅助切削与抛光复合加工系统，116为加工轨迹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合加工技术；本发明巧妙地将激光辅助金刚石切削技术和激光抛光技术有机融合，将激光精确聚焦于金刚石切削后加工表面留下的涡状刀痕的波峰处，可以实现难加工硬脆材料的超精密加工。通过激光辅助单点金刚石切削技术实现难加工硬脆材料临界塑脆转变深度的提升，同时通过原位复合的激光抛光技术将激光精确聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光，有效去除切削残余加工痕迹导致的“彩虹纹”现象，提高加工效率和加工表面质量。

本发明提供的激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置包括：金刚石刀具、刀架座、反射镜、微调镜和保护镜；其中，金刚石刀具用于辅助切削用激光通过金刚石刀具从刀尖点出射实现原位加热软化和切削工件材料；金刚石刀具固定在刀架座上，刀架座中间有两个通孔，分别为辅助切削用激光和抛光用激光的通路，并在通路中设计通气孔，以通入高压气体保持激光通路的清洁，提高激光的稳定性；反射镜固定在刀架座上，引导抛光用激光通过反射射向微调镜；微调镜与反射镜配合使用，用于将抛光用激光精准聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光；保护镜设置于刀架座的激光通路中，用于隔绝尘屑，保持激光光路的清洁。

作为本发明的一个实施例，为了便于加工装置与机床连接，在加工装置的刀架座的后端外设置有用于与机床刀架连接的筋板，筋板上开有连接孔，可以调节装置的高度。

在本发明实施例中，保护镜包括：蓝宝石窗片、橡胶密封圈和保护镜座。蓝宝石窗片隔绝了外部与内部激光光路，防止尘屑进入内部激光光路，同时激光可以透过窗片。橡胶密封圈用于蓝宝石窗片和保护镜座之间的密封。保护镜座起支承、连接作用，将蓝宝石窗片与刀架座连接。

本发明与现有技术相比，首次实现了激光辅助切削和激光抛光的原位复合，提出将激光聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光，有效去除切削残余加工痕迹导致的“彩虹纹”现象。

在本发明实施例中，可以将上述加工装置快速搭建于超精密机床上，可以根据加工材料的不同选定相应的加工工艺参数(比如激光功率大小、微调激光光斑大小和激光聚焦位置等参数)，可以通过调节激光发生器改变激光功率，可以通过微调镜调节激光聚焦位置进行加工。具体地，加工时，激光通过金刚石刀具从刀尖点射出，通过加热来软化工件材料，使得脆性材料的切削模式由脆性转为塑性模式，材料被切削去除。通过激光抛光技术，激光经反射镜和微调镜精准聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光，可以有效去除切削残余加工痕迹导致的“彩虹纹”现象，提高了加工效率和加工表面质量。

本发明还提供了一种三轴(X，Z，C)联动超精密机床系统，通过将本发明实施例提供的加工装置与机床快速安装便可进行慢刀伺服加工，实现难加工硬脆材料高表面质量的自由曲面及表面微结构的加工。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置，现结合具体实施例并参照图1～图4详述如下：

如图1所示，一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合加工装置包括：

金刚石刀具，辅助切削用激光通过金刚石刀具100从刀尖点出射实现原位加热软化和切削工件材料；

刀架座，金刚石刀具100通过螺钉101固定在刀架座109上，所述刀架座109中间有两个通孔，分别为辅助切削用激光和抛光用激光的通路，并在通路中设计通气孔103，以通入高压气体保持激光通路的清洁，提高激光的稳定性；

反射镜，固定在所述刀架座109上，引导抛光用激光通过反射射向微调镜108；

微调镜，与反射镜104配合使用，将抛光用激光精准聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光；

保护镜安装于刀架座109的激光通路中，用于隔绝尘屑，保持激光光路的清洁。其中，保护镜由蓝宝石窗片106、橡胶密封圈107、保护镜座105组成，蓝宝石窗片106、橡胶密封圈107和保护镜座105，蓝宝石窗片106隔绝了外部与内部激光光路，防止尘屑进入内部激光光路，同时激光可以透过窗片。保护镜座105起支承、连接作用，将蓝宝石窗片与刀架座连接。橡胶密封圈107用于蓝宝石窗片和保护镜座之间的密封。

刀架座109的后端外设置有与机床刀架连接的筋板，筋板上开有连接孔，可以调节装置的高度。

辅助切削用激光110可以由激光器发出，激光器通过光纤与激光发生器连接，激光发生器为YAG激光器，波长为1064nm，激光功率可调，范围为0～100W。

抛光用激光111可以由激光器发出，激光器通过光纤与激光发生器连接，激光发生器为绿光固体激光器，激光功率可调，范围为0～100W。

为保证抛光用激光精准聚焦在加工轨迹的波峰处，并精确调节抛光用激光的功率，需对激光间隔距离和加工表面峰谷值进行计算，具体地可以参照图2所示。

如图2所示，o和o'为刀尖圆弧的圆心，金刚石刀具的刀尖圆弧半径为R。加工过程中的进给量为f，为使抛光用激光精确聚焦于加工表面波峰处，两束激光的距离D为：D＝nf+f/2……(1)，其中n为整数。

理想加工表面的峰谷值为：

如图3所示，图1中原位激光辅助切削与抛光系统可通过螺栓与台面板连接快速搭建于三轴(X，Z，C)联动超精密机床上，可进行慢刀伺服加工出高表面质量的自由曲面及表面微结构。

如图4所示，激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合加工过程中，辅助切削用激光通过金刚石刀具从刀尖点出射加热软化并切削去除材料，加工轨迹为涡状线，抛光用激光精确聚焦于加工表面残余轨迹的波峰处进行激光抛光，有效去除切削残余加工痕迹导致的“彩虹纹”现象，提高加工效率和加工表面质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的方法，其特征在于，包括下述步骤：

控制辅助切削用激光通过金刚石刀具从刀尖点出射，实现原位加热软化和切削工件材料；

控制抛光用激光通过反射镜和微调镜准确聚焦在加工轨迹的波峰处进行激光抛光；

在加工过程中所述抛光用激光始终沿加工轨迹聚焦至加工表面波峰处进行激光抛光；

所述辅助切削用激光与所述抛光用激光之间的距离D＝nf+f/2，加工表面峰谷值

其中f为加工过程中的进给量，n为整数，R为金刚石刀具的刀尖圆弧半径。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据工件材料的特性选择加工工艺参数，所述加工工艺参数包括辅助切削用激光的功率、抛光用激光的功率和激光光斑大小。

3.一种激光辅助金刚石切削与激光抛光原位复合的加工装置，其特征在于，包括：金刚石刀具、刀架座、反射镜、微调镜和保护镜；

所述金刚石刀具固定在所述刀架座上，所述刀架座中间设置有两个分别为辅助切削用激光和抛光用激光通路的通孔，且在通路中设置有通入高压气体的通气孔；

所述反射镜固定在所述刀架座上，用于引导抛光用激光通过反射射向所述微调镜；所述微调镜与所述反射镜配合使用，用于将抛光用激光精准聚焦于加工痕迹的波峰处进行激光抛光；

所述保护镜设置于刀架座的激光通路中且用于隔绝尘屑；

在加工过程中抛光用激光始终沿加工轨迹聚焦至加工表面波峰处进行激光抛光；辅助切削用激光与抛光用激光之间的距离D＝nf+f/2，加工表面峰谷值

其中f为加工过程中的进给量，n为整数，R为金刚石刀具的刀尖圆弧半径。

4.如权利要求3所述的加工装置，其特征在于，所述刀架座的后端设置有用于与机床刀架连接的筋板，所述筋板上开设有用于调节高度的连接孔。

5.如权利要求3所述的加工装置，其特征在于，所述辅助切削用激光为波长为1064nm且功率在0～100W范围内可调的激光；所述抛光用激光为功率在0～100W范围内可调的激光。

6.如权利要求3所述的加工装置，其特征在于，所述保护镜包括：蓝宝石窗片、橡胶密封圈和保护镜座，

所述蓝宝石窗片用于隔绝外部与内部激光光路，防止尘屑进入内部激光光路，同时激光可以透过窗片；

所述保护镜座起支承连接作用，用于将蓝宝石窗片与所述刀架座连接；

所述橡胶密封圈用于实现蓝宝石窗片和保护镜座之间的密封。

7.一种三轴联动超精密机床系统，包括加工装置，所述加工装置通过筋板与机床连接，其特征在于，所述加工装置为权利要求3-6任一项所述的加工装置。

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