CN114919084A - 一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，包括调节组件和切削组件，切削组件位于调节组件的出射光路上，调节组件与切削组件电性连接有处理系统；调节组件包括固定滑轨，固定滑轨顶端滑动连接有位置调节部，位置调节部顶端固定连接有激光调节部，切削组件位于激光调节部出射光路上，固定滑轨顶端靠近切削组件一侧固定连接有PSD位置传感器，位置调节部、PSD位置传感器均与处理系统电性连接；切削组件包括固定台，固定台顶端固定连接有力传感器，力传感器顶端固定连接有刀具组件和激光分束部，激光分束部位于激光调节部的出射光路上，激光分束部一侧对应设置有激光功率探头，激光功率探头、力传感器均与处理系统电性连接。

Description

一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置
技术领域
本发明属于超精密加工制造技术领域，特别是涉及一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置。
背景技术
硬脆材料如单晶硅、单晶锗、碳化硅、光学玻璃等具有硬度高、耐磨损、耐高温、化学稳定性好等优异特性，在光学、半导体、航空航天、国防及民用工业等领域得到了广泛应用。硬脆材料的加工表面质量如表面完整性、粗糙度和亚表面损伤等对其部件性能具有显著影响，因此需要通过超精密加工来获得其超光滑表面。超精密单点金刚石切削加工已被证实为一种制备金属材料超光滑表面的有力手段。但是，硬脆材料存在高硬度和大脆性等难加工特性，导致其在超精密单点金刚石切削加工中主要以脆性断裂方式实现材料去除，极易形成加工表面裂纹、亚表层损伤，并且刀具磨损严重降低了刀具使用寿命和加工质量，制约着其超光滑表面的制备。因此，亟需采用额外手段来提升硬脆材料的金刚石切削加工性能。
近些年来，原位激光辅助金刚石切削加工技术已被用于提升单晶硅等硬脆材料的金刚石切削加工性能。原位激光辅助金刚石切削加工技术的原理是：将波长为1064nm波长的红外连续激光通过光路聚焦于天然单晶金刚石刀具刃口，由于天然单晶金刚石对红外激光的透过率极高，因此70％的入射激光能量经由刀具刃口直接作用于工件表面，其伴随的局部温度场致使工件材料发生热软化，从而降低待加工区域工件材料的硬度和材料去除所需的切削应力，降低切削力并抑制刀具磨损。此外，工件材料的热软化可以有效抑制裂纹萌生与扩展等脆性断裂行为，从而促进材料以塑性模式去除，获得高加工表面质量。因此，原位激光辅助已被证实为一种提升硬脆材料金刚石切削加工性能的有效技术。
然而，不同类型硬脆材料的热力学参数不同，并且与激光的相互作用特性如吸收率也不同，导致其激光辅助加工的参数窗口也不同。例如，不同材料达到热软化所需的温度不同，而采用的激光功率直接影响局部加热温度、热软化程度和对应的切削力大小，因此需要根据不同硬脆材料的激光烧蚀阈值而进行调整，并合理控制激光输出功率来避免材料高温过烧；不同材料切削去除方式不同，所需要的激光热影响区域也不同，需要合理控制焦距与离焦量，以得到不同大小的激光聚焦区域。因此，要求原位激光辅助金刚石切削装置可以适应被加工硬脆材料的特性，可以对其参数窗口如激光功率、焦距和离焦量等进行调整。
最后，在原位激光辅助金刚石切削中，由于金刚石材料的各向异性特性和刀具形状的不规则性，激光在金刚石刀具内经过多次折射后，出射激光相对于切削刃的位置对加工结果也会产生显著影响，因此需要精确调整激光光路位置使激光精确作用于刀具刃口。
总体而言，由于原位激光辅助金刚石切削加工方法的复杂性，对于不同类型的硬脆材料需要配置不同的工艺参数组合，涉及离焦量、激光功率、焦距、出射激光距切削刃的距离等多项工艺参数，因此需要原位激光辅助金刚石切削装置可以结合切削力特性来实时在位地对上述参数进行调整，以得到最优的加工工艺参数组合实现不同硬脆材料超光滑表面的金刚石切削加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，以解决上述问题，达到可实时在位并自动调整原位激光辅助切削的加工工艺参数以得到最佳的加工效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，包括用于调节光纤激光的调节组件和用于加工材料的切削组件，所述切削组件位于所述调节组件的出射光路上，所述调节组件与所述切削组件均电性连接有处理系统；
所述调节组件包括固定滑轨，所述固定滑轨顶端滑动连接有位置调节部，所述位置调节部顶端固定连接有激光调节部，所述切削组件位于所述激光调节部的出射光路上，所述固定滑轨顶端靠近所述切削组件的一侧固定连接有PSD位置传感器，所述位置调节部、所述PSD位置传感器均与所述处理系统电性连接；
所述切削组件包括固定台，所述固定台顶端固定连接有力传感器，所述力传感器顶端固定连接有刀具组件和激光分束部，所述激光分束部位于所述激光调节部的出射光路上，所述激光分束部一侧对应设置有激光功率探头，所述激光功率探头、所述力传感器均与所述处理系统电性连接。
优选的，所述位置调节部包括光学滑台，所述光学滑台底端与所述固定滑轨顶端滑动连接，所述光学滑台顶端滑动连接有压电位移台底端，所述压电位移台顶端与所述激光调节部底端固定连接，所述压电位移台与所述处理系统电性连接。
优选的，所述激光调节部包括光路微调支架，所述光路微调支架底端与所述压电位移台顶端固定连接，所述光路微调支架一端螺纹连接有准直镜筒一端，所述准直镜筒另一端固定连接有光纤接口，所述光路微调支架另一端螺纹连接有聚焦镜筒，所述激光分束部位于所述聚焦镜筒的出射光路上。
优选的，所述刀具组件包括刀架，所述刀架底端与所述力传感器顶端固定连接，所述刀架远离所述激光分束部的一侧固定连接有刀座，所述刀座远离所述刀架的一侧固定连接有金刚石刀具和刀罩，所述刀罩位于所述金刚石刀具正上方。
优选的，所述刀架开设有第一方孔，所述刀座开设有第二方孔，所述刀罩开设有第三方孔，所述金刚石刀具的刀柄开设有通槽，所述第一方孔、所述第二方孔、所述第三方孔、所述通槽对应设置。
优选的，所述激光分束部包括第一分光镜，所述第一分光镜与所述固定台顶端固定连接，所述第一分光镜位于所述聚焦镜筒的出射光路上，所述第一分光镜远离所述聚焦镜筒的一侧对应设置有第二分光镜，所述第二分光镜与所述固定台顶端固定连接，所述激光功率探头位于所述第二分光镜的出射光路上，所述第二分光镜与所述第一分光镜的光路连线与所述聚焦镜筒轴线相互垂直。
优选的，所述处理系统包括PC端，所述PC端电性连接有连续激光控制器、压电控制器、PSD控制器、激光功率计、力值转换器，所述连续激光控制器与所述光纤接口对应设置，所述压电控制器与所述压电位移台电性连接，所述PSD控制器与所述PSD位置传感器电性连接，所述激光功率计与所述激光功率探头电性连接，所述力值转换器与所述力传感器电性连接。
本发明具有如下技术效果：
1、本发明结构设计安全可靠：装置根据可移动的模拟激光光路进行结构设计，与模拟激光留出一定空间余量，避免光路干涉和减少激光导致的结构材料热影响。
2、本发明可实现激光光路位置自动定位：位置调节部自动进行精密运动，调整出射激光在刀具组件的位置。
3、本发明可适应原位激光辅助切削的不同热影响区域需求：位置调节部自动进行精密运动，实现聚焦定位与离焦距离控制，得到不同大小的激光聚焦光斑。
4、本发明激光功率参数准确：根据力传感器信息反馈，可判断激光功率是否达到工件材料热软化要求，同时避免激光功率过大导致工件材料过烧，调整光纤激光的输出功率大小，得到最佳的原位激光辅助车削加工效果。
5、本发明可实现原位激光辅助切削加工参数的实时在位调整：处理系统获取了位置调节部的位置信息、激光光路位置信息、激光功率和功率密度信息、切削力信息等，可在加工过程中对离焦量、激光功率、出射激光距刀具组件的高度等参数进行实时在位调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明刀具组件剖视图；
图3为本发明自动检测与反馈原理图；
图4为原位激光辅助金刚石切削工艺参数对加工结果的影响示意图。
其中，1、光纤激光；2、光纤接口；3、准直镜筒；4、光路微调支架；5、聚焦镜筒；6、压电位移台；7、光学滑台；8、第一分光镜；9、第二分光镜；10、激光功率探头；11、PSD位置传感器；12、刀具组件；121、刀架；122、刀座；123、金刚石刀具；124、刀罩；13、力传感器；14、处理系统；141、连续激光控制器；142、压电控制器；143、PSD控制器；144、激光功率计；145、力值转换器；146、PC端；15、机床转接板；16、模拟激光；161、切削刃。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-4，本发明公开一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，包括用于调节光纤激光1的调节组件和用于加工材料的切削组件，切削组件位于调节组件的出射光路上，调节组件与切削组件均电性连接有处理系统14；
调节组件包括固定滑轨，固定滑轨顶端滑动连接有位置调节部，位置调节部顶端固定连接有激光调节部，切削组件位于激光调节部的出射光路上，固定滑轨顶端靠近切削组件的一侧固定连接有PSD位置传感器11，位置调节部、PSD位置传感器11均与处理系统14电性连接；
切削组件包括固定台，固定台顶端固定连接有力传感器13，力传感器13顶端固定连接有刀具组件12和激光分束部，激光分束部位于激光调节部的出射光路上，激光分束部一侧对应设置有激光功率探头10，激光功率探头10、力传感器13均与处理系统14电性连接。
进一步的，调节组件与切削组件均固定连接在机床转接板15上，机床转接板15使装置的集成化程度更高。
力传感器13可检测原位激光辅助车削过程中的三维切削力。力传感器13通过力传感器转接板与固定台固定连接。
进一步优化方案，位置调节部包括光学滑台7，光学滑台7底端与固定滑轨顶端滑动连接，光学滑台7顶端滑动连接有压电位移台6底端，压电位移台6顶端与激光调节部底端固定连接，压电位移台6与处理系统14电性连接。
光学滑台7可以对模拟激光光路的焦距进行粗调，粗调焦距时光学滑台7沿着模拟激光光路的焦距方(Z)进行移动，移动到焦距标记位置后停止，并利用光学滑台7自带的旋钮固定锁紧。压电位移台6可以自动调节三个方向位置，即模拟激光光路焦距(Z)和出射激光在刀具组件12上的位置(XY)。
压电位移台6可以精确调整激光光路位置。光学滑台7可以粗调激光焦距位置，并且有自锁功能。
进一步优化方案，激光调节部包括光路微调支架4，光路微调支架4底端与压电位移台6顶端固定连接，光路微调支架4一端螺纹连接有准直镜筒3一端，准直镜筒3另一端固定连接有光纤接口2，光路微调支架4另一端螺纹连接有聚焦镜筒5，激光分束部位于聚焦镜筒5的出射光路上。
光纤接口2用于接入光纤激光1，光路微调支架4内部设有螺纹套筒，光路微调支架4的顶端和侧壁上均设置有调节旋钮，调节旋钮可以调节螺纹套筒的位置，进而对光纤激光1在XY两个方向的位置进行粗调，螺纹套筒的两端分别螺纹连接有准直镜筒3与聚焦镜筒5，准直镜筒3内固定连接有准直镜，聚焦镜筒5内固定连接有聚焦镜，准直镜与聚焦镜配合使用可以实现对光纤激光1的整形：准直与聚焦，准直后激光直径为5mm，光斑直径最小聚焦至20um，压电位移台6的XYZ行程均为500um。
进一步优化方案，刀具组件12包括刀架121，刀架121底端与力传感器13顶端固定连接，刀架121远离激光分束部的一侧固定连接有刀座122，刀座122远离刀架121的一侧固定连接有金刚石刀具123和刀罩124，刀罩124位于金刚石刀具123正上方。
刀架121为L形，力传感器13与刀架121的水平端的底部固定连接。
进一步优化方案，刀架121开设有第一方孔，刀座122开设有第二方孔，刀罩124开设有第三方孔，金刚石刀具123的刀柄开设有通槽，第一方孔、第二方孔、第三方孔、通槽对应设置。
第一方孔、第二方孔、第三方孔、通槽可以根据模拟激光光路进行结构设计，以便模拟激光光路顺利通过，避免对其产生影响，金刚石刀具123通过螺钉可拆卸的安装到刀座122上，金刚石刀具123钎焊有特定刀具角度的单晶金刚石颗粒，金刚石颗粒高度为2mm，光纤激光1出射光束通过光路聚焦于金刚石刀具123切削刃口，加热软化被加工工件材料，实现原位激光辅助车削。刀罩124用于防止激光光路暴露，并防止切屑阻挡激光光路。刀架121、刀座122、金刚石刀具123、刀罩124根据可移动的模拟激光光路进行结构设计，其与模拟激光留出一定空间余量，避免光路干涉和减少激光导致的结构材料热影响。
进一步优化方案，激光分束部包括第一分光镜8，第一分光镜8与固定台顶端固定连接，第一分光镜8位于聚焦镜筒5的出射光路上，第一分光镜8远离聚焦镜筒5的一侧对应设置有第二分光镜9，第二分光镜9与固定台顶端固定连接，激光功率探头10位于第二分光镜9的出射光路上，第二分光镜9与第一分光镜8的光路连线与聚焦镜筒5轴线相互垂直。
第一分光镜8可以对入射激光进行垂直分束。分束第一透射激光和第一反射激光，第一透射激光与第一反射激光相互垂直，其中，第一透射激光用于原位激光辅助车削，占入射激光的95％，第一反射激光用于激光检测，占入射激光的5％。第二分光镜9可以将第一反射激光再次进行分束，分束出第二透射激光和第二反射激光，第二透射激光与第二反射激光相互垂直，第二透射激光照射到激光功率探头10，占第一反射激光的95％，第二反射激光照射到PSD位置传感器11，占第一反射激光的5％。
进一步优化方案，处理系统14包括PC端146，PC端146电性连接有连续激光控制器141、压电控制器142、PSD控制器143、激光功率计144、力值转换器145，连续激光控制器141与光纤接口2对应设置，压电控制器142与压电位移台6电性连接，PSD控制器143与PSD位置传感器11电性连接，激光功率计144与激光功率探头10电性连接，力值转换器145与力传感器13电性连接。
连续激光控制器141可以控制光纤激光1的输出功率大小，带有红光指示功能，用于指示原位激光辅助车削前的激光位置粗定位，光纤激光1的波长为1064nm，输出功率可控，且大小为10-100w。压电控制器142可以控制压电位移台6精密运动。PSD控制器143可以获取PSD位置传感器11检测的激光光路位置信息。激光功率计144可以获取激光功率探头10检测的激光功率密度信息。力值转换器145可以采集力传感器13检测的切削力信息。
连续激光控制器141型号为IPG YLM-100-AC；压电位移台6型号为上海纳米微动PS3L90-100UA；压电控制器142型号为上海纳米微动PCM931S；PSD位置传感器11型号为Thorlabs PDQ30C光电位置探测器；PSD控制器143型号为Thorlabs KPA101光束位置对准器；激光功率探头10型号为Ophir FL400A-BB-50激光热功率传感器；激光功率计144型号为Ophir NOVA II；力传感器13型号为上海力恒LF-SZ-60F3三轴力传感器；力值转换器145型号为上海力恒LH-PT906-E，均为现有技术型号，不再进行赘述。
本实施例的工作过程如下：
PC端146根据建立的模拟激光光路与PSD控制器143的激光光路位置信息进行对比，控制压电控制器142对压电位移台6进行精密运动，调整出射激光在金刚石刀具123的位置，实现原位激光辅助车削激光的自动定位。PC端146根据模拟激光理论计算的功率密度与激光功率计144的激光功率密度进行对比，判断激光的离焦情况。根据原位激光辅助切削的不同热影响区域需求，控制压电控制器142对压电位移台6进行精密运动调整，实现原位激光辅助车削的聚焦定位与离焦距离控制。PC端146根据力值转换器145的切削力信息，判断激光功率是否达到原位激光辅助车削的工件材料热软化要求，同时需避免激光功率过大导致工件材料过烧，控制连续激光控制器141调整光纤激光1的输出功率大小。PC端146可以根据参数需求，在原位激光辅助车削过程中实时在位对离焦量、激光功率、出射激光距切削刃的高度等进行调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，其特征在于，包括用于调节光纤激光(1)的调节组件和用于加工材料的切削组件，所述切削组件位于所述调节组件的出射光路上，所述调节组件与所述切削组件均电性连接有处理系统(14)；
所述调节组件包括固定滑轨，所述固定滑轨顶端滑动连接有位置调节部，所述位置调节部顶端固定连接有激光调节部，所述切削组件位于所述激光调节部的出射光路上，所述固定滑轨顶端靠近所述切削组件的一侧固定连接有PSD位置传感器(11)，所述位置调节部、所述PSD位置传感器(11)均与所述处理系统(14)电性连接；
所述切削组件包括固定台，所述固定台顶端固定连接有力传感器(13)，所述力传感器(13)顶端固定连接有刀具组件(12)和激光分束部，所述激光分束部位于所述激光调节部的出射光路上，所述激光分束部一侧对应设置有激光功率探头(10)，所述激光功率探头(10)、所述力传感器(13)均与所述处理系统(14)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，其特征在于，所述位置调节部包括光学滑台(7)，所述光学滑台(7)底端与所述固定滑轨顶端滑动连接，所述光学滑台(7)顶端滑动连接有压电位移台(6)底端，所述压电位移台(6)顶端与所述激光调节部底端固定连接，所述压电位移台(6)与所述处理系统(14)电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，其特征在于，所述激光调节部包括光路微调支架(4)，所述光路微调支架(4)底端与所述压电位移台(6)顶端固定连接，所述光路微调支架(4)一端螺纹连接有准直镜筒(3)一端，所述准直镜筒(3)另一端固定连接有光纤接口(2)，所述光路微调支架(4)另一端螺纹连接有聚焦镜筒(5)，所述激光分束部位于所述聚焦镜筒(5)的出射光路上。
4.根据权利要求1所述的一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，其特征在于，所述刀具组件(12)包括刀架(121)，所述刀架(121)底端与所述力传感器(13)顶端固定连接，所述刀架(121)远离所述激光分束部的一侧固定连接有刀座(122)，所述刀座(122)远离所述刀架(121)的一侧固定连接有金刚石刀具(123)和刀罩(124)，所述刀罩(124)位于所述金刚石刀具(123)正上方。
5.根据权利要求4所述的一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，其特征在于，所述刀架(121)开设有第一方孔，所述刀座(122)开设有第二方孔，所述刀罩(124)开设有第三方孔，所述金刚石刀具(123)的刀柄开设有通槽，所述第一方孔、所述第二方孔、所述第三方孔、所述通槽对应设置。
6.根据权利要求3所述的一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，其特征在于，所述激光分束部包括第一分光镜(8)，所述第一分光镜(8)与所述固定台顶端固定连接，所述第一分光镜(8)位于所述聚焦镜筒(5)的出射光路上，所述第一分光镜(8)远离所述聚焦镜筒(5)的一侧对应设置有第二分光镜(9)，所述第二分光镜(9)与所述固定台顶端固定连接，所述激光功率探头(10)位于所述第二分光镜(9)的出射光路上，所述第二分光镜(9)与所述第一分光镜(8)的光路连线与所述聚焦镜筒(5)轴线相互垂直。
7.根据权利要求3所述的一种自动定位与功率可控的原位激光辅助金刚石切削装置，其特征在于，所述处理系统(14)包括PC端(146)，所述PC端(146)电性连接有连续激光控制器(141)、压电控制器(142)、PSD控制器(143)、激光功率计(144)、力值转换器(145)，所述连续激光控制器(141)与所述光纤接口(2)对应设置，所述压电控制器(142)与所述压电位移台(6)电性连接，所述PSD控制器(143)与所述PSD位置传感器(11)电性连接，所述激光功率计(144)与所述激光功率探头(10)电性连接，所述力值转换器(145)与所述力传感器(13)电性连接。
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