CN116423039A - 超硬材料的激光加工方法及其装置和机床 - Google Patents

Abstract

一种超硬材料的激光加工方法，以具有线偏振特性的聚焦光斑的移动和其偏振方位角的改变，将工件表面轮廓加工轨迹方向和偏振方向直接关系解耦，使偏振方向只和振镜运动相关。以超硬材料刀具加工为例，应用本发明提供的方法在相同激光输出功率下，应用本发明的方法不仅可以显著提高现有激光直写加工技术的材料去除率，至少20％。还提高了单次材料去除的深度，并减少平面方向分刀，显著缩短加工总路径长度50％以上，综合加工效率平均提高50％以上。

Description

超硬材料的激光加工方法及其装置和机床

技术领域

本发明涉及一种以激光实施材料加工的方法，尤其涉及一种以激光实施超硬材料加工的方法以形成连续无崩刃的刃口，以及采用此方法的装置和机床。

背景技术

光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象称为光的偏振。它是一种光的横波的振动矢量(垂直于波的传播方向)偏于某些方向的现象。在光的传播过程中，光矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，这种光称为线偏振光(或平面偏振光)，其只沿着一个确定的方向振动，其大小随相位变化、方向不变。当振动矢量呈周期性变化时，根据变化周期又可以分为椭圆偏振光和圆偏振光。当光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化时，为椭圆偏振光。当光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，方向随时间有规律的变化时，为圆偏振光。

用含有输入和反射光束的那个平面定义的坐标系。当光的偏振矢量在这个平面内，则称为P偏振。当偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏振。

矢量偏振光是一种非均匀的偏振光，具有轴对称偏振结构，并且光轴处电场大小相同、偏振方向相反，它在光束的横截面上的每一点的偏振状态不尽相同。径向偏振光的光束横截面上任意一点电场矢量方向始终与径向平行，即通过圆心的各个方向，即径向偏振光是指偏振方向在横截面上沿着径向的偏振光。径向偏振分布具有环形光斑模式分布，属于环形光束模式。与常见的基膜高斯光束不同，环形光束模式的光强分布的特点是光轴处为零，环绕光轴的环状上强度最强。其光强分布类似于一个环。角向偏振光是指偏振方向在横截面上垂直于径向的偏振光，其光强分布也类似于一个环。

目前激光切割(包括脉冲激光和连续激光)广泛应用于金属钣金及型材的切割和打标加工，也有应用于如超硬材料刀具加工等其他领域。对于工业化生产而言，提高生产效率一直是重要课题。在研究中技术人员意识到，除了脉冲激光束的功率、频率及脉宽外，光束的偏振态也会对加工效率和加工质量造成影响，如：华中理工大学激光技术研究所范等人(《激光技术Vol.12 No.5》)和西安理工大学理学院李等人(《激光应用技术第四十期第12卷》)的研究均表明，圆偏振态(C态)光束的加工效率和加工质量均比线偏振态(P态和S态)要有所提高，并且线偏振态的激光在不同加工方向上会有不同程度的切缝宽窄和挂渣程度等特性。虽然也有一些研究表明，径向偏振光(R态)光束的加工效率和加工质量优于圆偏振态(C态)光束，但在实际工业化的激光加工应用中目前使用最广泛的仍然是圆偏振光，而角向偏振光(A态)和径向偏振光(R态)主要用于光镊等非加工类激光光学中。这主要是由于虽然现有多种技术手段可以改变或调制激光偏振态，但受制于技术条件和成本因素，中高功率激光器的角向偏振光和径向偏振光控制的技术手段尚未见工业机加工应用报道。

对于超硬材料刀具的加工而言，目前以金刚石刀具为主的超硬材料刀具的加工主要采用放电线切割、磨削和激光等手段。

以制造应用于微细加工的精密金刚石铣刀来说，放电加工获得的加工表面粗糙度较高，加工区域边缘(即刃口线)发生布局或全部损坏(即崩刃)难以避免，加工效率偏低且其所形成的刃口圆弧半径基本由材料粒度决定，难以获得高质量的尖锐刃口(刃口圆弧半径1000纳米以下保持刃口线连续且无崩刃现象)。

磨削加工通过工艺控制可以获得极佳的加工表面粗糙度和足够小的刃口圆弧半径，但仍然容易发生崩刃，加工效率极低(不到放电线切割效率的1/3)且无法加工复杂形状(即除直线或圆弧外的2维轮廓)。

应用于超硬材料刀具加工的激光工艺目前主要采用短脉冲及超快激光光源，可以获得接近研磨抛光的表面粗糙度，得益于非接触无应力的加工方式，其可以加工任意形状刀刃，也几乎完全不会产生崩刃，虽然其单次加工效率很高，但受激光聚焦特性影响，聚焦后的激光呈圆锥状，形成聚焦光锥，在整个聚焦光锥上仅在聚焦光斑处(即在光锥的锥顶点所在的区域)具有实现对材料实施去除的能量密度，在聚焦光锥轴向截面各处的光能量密度低，难以实现对材料实施去除，因此在材料的加工深度上，激光通常无法在与平面垂直的方向上(即通常表现为厚度)一次作用就实现对材料的贯穿加工，而是在加工面上逐点逐层反复扫描，将材料逐层气化，直至完成对材料的贯穿加工，将与平面垂直的方向上的材料全部去除。更为繁琐的是，当激光加工深度随着逐层加工加大时，位于靠近初始加工表面一侧的加工宽度过于狭窄以至于聚焦光锥被工件表面部分遮挡时(即光斑无法接触到材料)，聚焦光斑就无法获得足够的能量密度来进一步去除材料并最终导致材料无法完全被贯穿，因此激光加工往往需要一个大于聚焦光斑直径数十倍的起始加工宽度，这使得激光在加工深度和加工平面都需要多次加工以完成材料去除，因此在超硬材料刀具中激光加工效率与放电线切割总体相当。虽然，加大激光功率即增加激光光锥各处的能量密度是一种解决方案，但是功率的增大使得表面粗糙度亦提高，精细加工(表面粗糙度，Ra＝20nm-50nm)无法实现。另一方面虽然也有一些研究表明，通过控制加工方向(例如：激光从刀具后侧干涉面进行作用)可以获得刃口圆弧半径小于1000纳米的激光加工刀刃，但普遍而言通过激光所加工获得的刃口圆弧半径通常都被确定在1000nm～5000nm之间的某一数值，不具有精确灵活的可调节性。

为了提高加工质量及加工效率，虽然现有技术也对激光束的偏振态进行调制，如：CN103189160B，但其技术手段是获得圆偏振或随机偏振光的聚焦光斑并以该光斑沿着被加工工件表面的轮廓轨迹连续移动来进行激光加工。在CN209424743U及CN111730214A等现有技术中，虽然也对激光束的偏振态进行调制，但其技术手段均是利用聚焦光斑直接沿着被加工工件表面的轮廓轨迹连续移动，并在移动中使激光束的线偏振方向与轮廓加工轨迹始终保持相切，但未充分考虑实际加工生产中激光在平面以及与平面垂直的2个维度上对加工效率和效果的影响。

因此如何更高效率地工业化制造无崩刃、形状任意，后刀面光滑(即接近研磨抛光的表面粗糙度)，且可选择性地获得各种刃口圆弧半径的超硬材料刀具技术方案是一个目前并未见诸报道，也并未为技术人员所周知的，亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种超硬材料的激光加工方法，以利于形成连续的无崩刃的刃口线，尤其是圆弧半径1,000nm～5,000nm的刃口。

本发明的另一个目的在于提供一种超硬材料的激光加工方法，对超硬材料实施精细加工(表面粗糙度，Ra＝20nm-50nm)。

本发明的再一个目的在于提供一种超硬材料的激光加工方法，提高对超硬材料的加工效率。

本发明的又一个目的在于提供一种超硬材料的激光加工方法，应用于多轴加工设备(如：五轴机床)上，利于对各种规格刃口圆弧半径实施激光精密加工。

本发明的第五目的在于提供一种以激光实施超硬材料机加工的装置，利于对超硬材料实现刃口圆弧半径的按需加工，既降低表面粗糙度，也有效降低加工成本。

通常理解的激光，系原子因受激而辐射的光，原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。激光的形态可分为连续激光和脉冲激光。依据激光的脉冲宽度特性分为热激光和冷激光。

激光发射器如：但不限于纳秒、飞秒或皮秒激光器，产生的激光如：红外、红外、蓝光、绿光、紫光或极紫光。

光源，用于发射出激光束，包括连续激光光源或脉冲激光光源，优先选择脉冲激光光源。当采用脉冲激光光源时，脉宽为50fs～500ns，优先选择500fs～120ns，平均功率为10W～500W，优先选择30W～150W，脉冲重复频率为10kHz～10000kHz，优先选择30kHz～2000kHz，波长为350nm～2050nm，优先选择520nm～1200nm；

在机加工中，所称的工件通常是用于制造零件或部件的材料或半成品，是机械加工过程中的加工对象。即对工件实施机加工后，得到符合加工或设计要求的产品。

精密加工，指加工精度和表面质量达到极高程度的加工技术。比如：刀具加工中，尺寸、直线度、轮廓度、表面粗糙度、刃口圆弧半径、加工精度均小于或达到微米级。

超硬材料如：金属陶瓷、金刚石(尤其是人造聚晶金刚石)和立方氮化硼，或者硬质合金与金属陶瓷、金刚石和立方氮化硼之一种或几种的形成的复合材料。

金刚石(diamond)，它是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体，化学式为C，也是常见的钻石的原身。石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。

金刚石复合片又称聚晶金刚石复合片，采用金刚石微粉与硬质合金基片在超高压高温条件下烧结而成，既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具刃部的理想材料，一般都具有镜面抛光上表面以利于制作刀具。

机加工设备(或机加工中心)，系具有多个运动轴的加工设备。即在右手直角坐标系中，沿直线方向移动的X、Y和Z轴，以及分别绕X、Y和Z轴的回转的A轴、B轴和C轴，如：数控机床，通常加载了各项控制软件，以代码形式接收和发出各项指令对工件实施自动化加工。

一种超硬材料的激光加工方法，以具有线偏振特性的聚焦光斑的移动和其偏振方位角的改变，将工件表面轮廓加工轨迹方向和偏振方向直接关系解耦，使偏振方向只和振镜运动相关，在激光直写加工中动态地将线偏振光(P态、S态)、圆偏振光(C态)、角向偏振光(A态)到径向偏振光(R态)的不同类偏振特征控制、切换和混合等在加工图形上得以实现。

另一种超硬材料的激光加工方法，以线偏振态激光的聚焦光斑在平面沿扫掠路径移动，以及在扫掠的同时实时控制激光的偏振角度，使得各个聚焦光斑均以各自的偏振角度沿着扫掠路径依次排布而产生加工图形，接着再以该加工图形为一个整体在材料表面移动，并去除移动路径上的材料以获得所需的构造。

与直接采用其它偏振态激光(如：角向偏振态、径向偏振态、椭圆偏振态和圆偏振态)对材料实施加工，沿着扫掠路径排布的各个具有各自偏正角度的通过此方式在不同特定偏振角度下可以利用线偏振激光的聚焦光斑形成的加工图形来取代其它偏振态激光为一个整体对材料实施的加工能够取得相当的加工质量和效率。此外，当激光线偏振态为P偏振态时，则同样可以采用此方式获得加工图形，并取得与S偏正态相当的加工质量和效率，利于将1种线偏振光就能适用于各种加工需求。

聚焦光斑移动与偏振角度同步改变，以使得由加工图形得到的加工效果与直接使用角向偏振光和径向偏振光加工取得的加工效果类似。再以加工图形沿着工件表面轮廓加工轨迹移动，以去除激光加工平面内的超硬材料，从而缩短总加工轨迹长度，增加单次加工深度，以及实现所需的刃口圆弧半径的刀刃加工。

另一种超硬材料的激光加工方法，将激光经振镜出射的聚焦光斑作用于激光加工平面，使得聚焦光斑沿设定的扫掠路径扫掠并形成加工图形，再以加工图形沿着工件表面轮廓加工轨迹移动，以去除激光加工平面内的超硬材料。在聚焦光斑沿设定的扫掠路径扫掠时，还对偏振方向与扫掠路径的相关性进行设定，使聚焦光斑围绕加工图形中心移动，产生与直接使用P态偏振特性、S态偏振特性、A态偏振特性、R态偏振特性、C态偏振特性、椭圆偏振态特性和类A与类R复合偏振态聚焦光斑加工效果相当的加工图形。

偏振方向与扫掠路径的相关性包括：

沿着扫掠路径依次排布的各聚焦光斑的偏振方向相同，使产生的加工图形整体上具有线偏振特性。偏振方向设定为与扫掠路径不相关而是与激光加工平面的入射面垂直，获得具有类似P态偏振特性的加工图形。偏振方向设定为与扫掠路径不相关而是与激光加工平面的入射面平行，获得具有类似S态偏振特性的加工图形。

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均位于聚焦光斑扫掠路径的切线上，使加工图形整体上具有角向偏振特性。

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均位于过加工图形中心的直线上，使加工图形整体上具有径向偏振特性，

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均与聚焦光斑扫掠路径的切线相交，交角大于0°且小于180°，使加工图形整体上兼有角向偏振和径向偏振特性。

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈周期性连续变化，使加工图形整体上具有圆偏振特性或椭圆偏振特性。

采用偏振驱动装置，实时改变出射(指穿过偏振驱动装置的)激光的偏振方位角。优先选择由中空旋转电机及置于其中的偏振光学元件(如：二分之一波片或法拉第旋光器等)组成的机械式装置。激光光束穿过电机中央通孔和置于电机上的偏振光学元件，通过控制电机带动偏振光学元件自转来改变出射光的偏振方向。

为了实施激光加工方法，本发明还提供一种装置，包括

激光光源，用于产生激光光速；

反射镜，用于改变激光光速的方向；

聚焦镜，用于接收入射的激光光纤，并形成聚焦光斑；

振镜，用于控制聚焦光斑的扫掠范围；

偏振驱动装置，用于改变出射激光的偏振方位角。

本发明的反射镜，其安装于光学调整架或振镜之上以实现按需改变聚焦光斑扫掠方向，形成加工图形。

本发明的聚焦镜，至少由一片镜片组成，优先搭载多镜片的场镜。

以超硬材料刀具加工为例，在采用本发明提供的方法的机加工设备上，能以高效率地工业化制造无崩边、形状任意，后刀面光滑，及可选择性地获得各种刃口圆弧半径的超硬材料刀具。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的方法，将具有线偏振特性的聚焦光斑沿扫掠路径在激光加工平面上实施连续扫掠，并形成加工图形。在此期间，还通过聚焦光斑移动与偏振角度同步改变，使得通过加工图形得到的加工效果与直接使用角向偏振光和径向偏振光加工取得的加工效果相当。再以加工图形沿着工件表面轮廓加工轨迹移动，以此缩短总加工轨迹长度，增加单次加工深度，以及实现所需的刃口圆弧半径的刀刃加工。

本发明提供的方法，一方面对工件表面轮廓加工轨迹方向和偏振方向的直接关系进行了解耦，使偏振方向只和受振镜控制的聚焦光斑扫掠方向相关。另一方面，以高速振镜往复运动替代中低速机械轴运动，大幅减少宽度和深度方向上的加工轨迹长度，提高了加工效率。

本发明提供的方法，在不使用锥形全反镜等复杂光学元件前提下通过结合线偏振光束的移动和其偏振方位角的改变，获得了与只有使用锥形全反镜或腔内整形技术类似的角向偏振光特征的加工图形和径向偏振光特征的加工图形。在超硬材料刀具加工应用中获得比使用圆偏振光加工更高加工效率的同时，实现了刃口圆弧半径的可控和可变。

以超硬材料刀具加工为例，在相同激光输出功率下，应用本发明的方法不仅可以显著提高现有激光直写加工技术的材料去除率，至少20％。还提高了单次材料去除的深度，并减少平面方向分刀，显著缩短加工总路径长度50％以上，综合加工效率平均提高50％以上。

应用本发明的方法，还显著提高现有激光直写加工技术的灵活性，在功率、频率和脉宽等参数不变的前提下，可以按需控制激光加工处的表面粗糙度和边缘锐利程度。以聚晶金刚石材料刀具加工为例，加工表面粗糙度能低至Ra0.05微米，刃口圆弧半径低至1000纳米以下。

附图说明

图1为聚焦光斑一实施例的示意图；

图2为激光加工平面一实施例的示意图；

图3为聚焦光斑沿扫掠路径进行扫掠所成加工图形一实施例的示意图；

图4为聚焦光斑对激光加工平面进行扫掠所成加工图形另一实施例的示意图；

图5为线偏振态聚焦光斑一实施例的示意图；

图6为将具有线偏正态特征的聚焦光斑对激光加工平面进行扫掠的计算机模拟图形示意图；

图7为采用驱动偏振装置调整线偏振的一实施例的示意图；

图8为经图7获得的调整线偏振态对激光加工平面进行扫掠的一实施例的示意图；

图9本发明方法获得的类P或类S偏振态加工效果的加工图形上各处偏振方位角的分布示意图；

图10为本发明方法获得类C偏振态加工效果的加工图形上各处偏振方位角的分布示意图；

图11为本发明方法获得的类A偏振态加工效果的加工图形上各处偏振方位角的分布示意图；

图12为本发明方法获得的类R偏振态加工效果的加工图形上各处偏振方位角的分布示意图；

图13为本发明方法获得的类A与类R复合偏振态加工效果的加工图形上各处偏振方位角的分布示意图；

图14为本发明方法应用于方形边界时获得各类加工效果的加工图形上各处偏振方位角的分布示意图；

图15为本发明方法获得的多个偏振态混合特征的加工效果的加工图形上各处偏振方位角的分布示意图；

图16为现有技术中激光加工切缝的路径一实施例的示意图；

图17为本发明方法实施切缝激光加工路径的一实施例的示意图；

图18为图17所示激光加工路径的另一角度示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

采用激光对超硬材料实施加工时，确定待加工去除的超硬材料构造体，获得超硬材料构造体的轮廓，聚焦光斑所在的工件平面即为激光加工平面，该平面的轮廓限定了激光加工的第一边界，激光由首次接触构造体至最后完全通过构造体的总行程即为第二边界，也通常被认为是激光的加工深度。

以加工具有厚度的圆孔为例，其待加工去除的超硬材料构造体的轮廓为圆柱体，轮廓与激光入射方向相交的平面，即为激光加工平面，为圆形。该圆形的轮廓即为激光加工的第一边界，激光的聚焦光斑100(其外形如图1所示)将作用于第一边界内，使得的处于第一边界内的硬质材料得以去除。

通常情况下，作用于激光加工平面的聚焦光斑的面积小于或等于第一边界。当聚焦光斑面积等于第一边界，则通过1次作用，即在聚焦光斑能量可及处将激光加工平面内的超硬材料全部去除。当作用于激光加工平面的聚焦光斑的面积小于第一边界，则通常需要将聚焦光斑多次的作用于激光加工平面，才能将聚焦光斑能量所及处的超硬材料去除。随着加工深度的增加，而呈现出激光沿第一边界对超硬材料实施加工并逐层去除状态。

将若干个聚焦光斑100重叠就能将去除材料的面积扩大。比如：如图2所示图形的为例，若以其圆形边界400所划定的面积整体作用于超硬材料上，就能提高去除超硬材料的效率，缩短加工时间。为了实现此目的，则需要将聚焦光斑沿着扫掠路径进行移动，在圆形边界400内形成加工图形。

通过控制振镜，能使激光光斑沿扫掠路径形成加工图形。如图3所示，聚焦光斑100沿着环形扫掠路径300扫掠，即形成加工图形200。聚焦光斑100多次地作用并互相叠加，而形成加工图形。比较图3和图4可知，若要将圆形边界400内的超硬材料完全去除，则需要提高聚焦光斑100的作用频次，即增加密集度。虽然此等加工图形在构造体上并不能完整的呈现出来，但是随着聚焦光斑的移动，将每一时刻聚焦光斑组合在一起，比如：通过计算机模拟的方式，就能看到一个位于圆形边界400内的完整的加工图形。因此，在对激光加工平面实施加工之初，就可以产生一个位于圆形边界400内的完整的加工图形，以此扩大作用于超硬材料的面积，将加工图形的整体在超硬材料上进行移动，就能形成构造体，比如：一条更宽的切缝(相比于单一的聚焦光斑在超硬材料上产生的切缝)。这类图形通常可以通过绘制的方式获得，在计算机辅助下，可提高绘制的效率，形成聚焦光斑的加工数据，比如；加工坐标、移动速度等，利于在数控机床上实施自动化激光加工。即，聚焦光斑沿着已经设定的加工图形在激光加工平面上扫掠，去除超硬材料。

激光束从光源射出后，经由扩束准直等一系列(常规)变化后，穿过偏振驱动装置，随后再入射振镜，经由计算机控制的振镜中的反射镜改变光束方向以利于按所要获得的加工图形实施扫掠，改变方向的激光最终经由场镜聚焦以形成由聚焦光斑的扫掠路径所构成的特定加工图形。将激光经振镜出射的聚焦光斑作用于激光加工平面，使得聚焦光斑沿设定的扫掠路径扫掠并形成加工图形，再以加工图形沿着工件表面轮廓加工轨迹移动，以去除激光加工平面内的超硬材料。

聚焦光斑围绕加工图形的中心移动且与偏振角度同步改变，使得各个聚焦光斑均以各自的偏振角度沿着扫略路径依次排布而产生加工图形，再以该加工图形为一个整体在工件表面移动而进行材料去除，使得加工质量和加工效率达到直接采用角向偏振光和径向偏振光进行材料去除相当的加工效果。图5为本实施例的具有线偏振特性的聚焦光斑110，其在圆形边界内对超硬材料进行加工，各个时刻的聚焦光斑的偏振方位角保持不变，如图6所示。当其扫掠激光加工平面前，其产生的加工图形可通过计算机模拟得到，并在实施加工时，按扫掠路径进行扫掠即可得到与加工图形一致的加工效果。在聚焦光斑对超硬材料实施去除的过程中，还应根据聚焦光斑扫掠的速度或者反射镜位置的反馈信号对激光的偏振方位角进行实时控制，确保出射的线偏振光的偏振方向与扫掠路径上当前聚焦光斑的运动方向的交角总是符合所需的加工角度。这些加工角度通常是根据加工的需求进行设定，以此通过调整聚焦光斑的扫掠路径及偏振方向与扫描路径间的夹角来获得各种不同的加工图形，这些加工图形与具有偏振特征的激光对超硬材料实施加工产生的加工效果相当。比如：将偏振方向设定为与扫掠路径不相关而是与激光加工平面的入射面垂直或平行，获得具有类似P态或S态偏振特性的加工图形。如图9所示的图形与具有P偏振态或S偏振态激光加工的效果相当，因此称为类P偏振态加工图形或类S偏振态加工图形。另如：各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈周期性连续变化，以获得具有类似C态偏振特征的加工图形。图10所示的图形与具有C偏振态激光加工的效果相当，因此称为类C偏振态加工图形。再如：各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均位于聚焦光斑扫掠路径的切线上，使加工图形整体上具有角向偏振特性。如图11所示的图形与具有A偏振态激光加工的效果相当，因此称为类A偏振态加工图形。又如：各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均位于过加工图形中心的直线上，使加工图形整体上具有径向偏振特性。图12所示的扫掠图形与具有R偏振态激光加工的效果相当，因此称为类R偏振态加工图形。通过调整加工角度，还能使扫掠图形同时具有A偏振态和R偏振态相复合的激光加工的效果类似，各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均与聚焦光斑扫掠路径的切线相交，交角大于0°且小于180°，使加工图形整体上兼有角向偏振和径向偏振特性，因此称为类A与类R复合偏振态加工图形，如图13所示。变更扫掠路径，并结合特定偏振特征的激光，则可以形成各种图形，如：方形、圆形、点、线条状图形及其组合等，如图14所示，以此就能实现对各种复杂形态的加工。将将偏振方向与扫掠路径进行组合设定，则能获得具有多种偏振态相混合特征加工效果的加工图形，如图15所示，以此满足复杂加工的需求。

采用偏振驱动装置500，实时改变出射(指穿过偏振驱动装置的)激光束的偏振方位角，如图7所示。改变后加工图形上各处的聚焦光斑偏振方位角分布如图8所示，聚焦光斑均位于圆形边界400内。本实施例中，优先选择由中空旋转电机及置于其中的偏振光学元件(如：二分之一波片或法拉第旋光器等)组成的机械式装置。激光光束穿过电机中央通孔和置于电机上的偏振光学元件，通过控制电机带动偏振光学元件自转来改变出射光的偏振方向。偏振驱动装置还可以包括有作为起偏器的四分之一波片以确保入射到偏振光学元件的入射光为线偏振光；除了前述机械式回转结构，偏振驱动装置也可以是完全由不产生机械运动的液晶相位延迟器或称液晶偏振旋转器构成的电子式偏振驱动装置或是机械式和电子式两者的结合，技术人员可以根据光学系统所需调整带宽及成本综合确定具体实施方式。

通过控制激光的偏振方向与扫掠路径的关系，使得产生具有类似R态的加工图形，增加激光的加工深度，或者类似A态的加工图形实现对刃口圆弧半径的按需可调加工。

在刀具加工中，一般来说受激光聚焦特性影响，必须用聚焦光斑逐点逐层扫描材料的全部待去除区域，这使得激光在加工深度的方向上和平面方向上都需要多次往复加工以完成材料去除，图16所示。而在本实施例中，首先可以根据激光加工平面上所需要的加工宽度设定加工图形以及聚焦光斑的扫掠路径，以此有效减少聚焦光斑在激光加工平面上的逐行机械轴运动，如图17和图18所示。以在超硬材料600上切割一个宽度为N的切缝为例，若直接使用直径为n的聚焦光斑100，则在激光加工平面上需要机械轴往复N/n次才能加工。若该超硬材料的切缝的加工深度达到1.6mm时，则需要40次以上。使用受振镜控制的具有线偏振特性的聚焦光斑110扫掠一个宽度为N的图形，并机械轴只需要沿着切缝的长度方向上实施1次相对移动就能覆盖整个范围内的材料，将其去除，加工效率显著提高。

将聚焦光斑扫掠形成的加工图形的类偏振态设定为有更高材料去除率的R态以获得更大的单次加工深度从而减少聚焦光斑在深度方向上的逐层机械轴运动。通过振镜控制图形扫掠的速度一般至少是机械轴运动控制速度的10倍以上，因此这样的加工方式将大大提高整体加工效率。

在刀具刃部的精加工中，往往需要根据刀具的不同使用工况加工出不同刃口圆弧半径的刀具(例如：用于微细切削的金刚石微铣刀需要小于300纳米的刃口圆弧半径，而用于钛合金粗切的金刚石替换式刀粒需要约2,500nm～4,000nm的刃口圆弧半径)，这在通常加工中需要综合运用线切割、磨削、激光和抛光等不同的加工工艺来针对性的制造某一尺寸范围刃口圆弧半径的刀具刃口，这大大增加了生产工艺环节及其复杂性。在本实施例中，通过对扫掠图形的类偏振态进行设定，即使得从偏振驱动装置出射的线偏振光的偏振方向总是与扫掠路径上当前聚焦光斑的运动方向的夹角得以保持，而获得具有类似A态(即偏振方向设定为与扫掠路径始终平行)加工图形或R态偏振特征(即偏振方向设定为与扫掠路径始终垂直)加工图形，或具有类似复合A态和R态偏振特征的加工图形(即偏振方向设定为与扫掠路径始终保持一固定夹角)，通过用具有不同偏振特征的加工图形对超硬材料边缘进行去除，能可控的获得不同边缘锐利程度，即不同刃口圆弧半径地切削刃口。进一步地，甚或还可以实现不同部位切削刃锐利程度间的渐变和差异。

以具有如下表1和表2所示加工要求的刀具为例，采用如表3和表4所示的激光加工方案实施加工。

表1

表2

表3

表4

综上可见，本实施例的激光加工方法显著提高了加工效率的同时，可有选择性地获得特定刃口圆弧半径，并且兼顾被加工表面粗糙度(Ra≤50nm)及显著减少刃口崩刃发生。

本实施例的激光加工方法，激光发射器射出的激光先射入一段腔道，再自腔道射出后，再进入激光投射中继部件，激光投射中继部件改变激光的传播路径后再射出激光，最后由出光部件接收后射出，用于对工件实施加工。激光在腔道内传播，或沿直线传播，或沿折线传播。激光在腔道的出口端沿着直线传播，在右手直角坐标系中，回转轴为A轴、B轴或C轴，使出光部件射出的激光绕回转轴方向分布，激光聚焦于该回转轴范围内，即以与回转轴为中心半径100mm的回转(圆)面内，尤其是聚焦于回转轴线上。实现激光以回转的方式实施机加工。本实施例中，腔道设置于Y轴上，回转轴为B轴，出光部件绕B轴转动。

上述各项实施例提供的装置安装于机加工设备上，比如：以三个直线运动轴、一个用于固定工件的回转运动轴和一个激光束回转轴相组合形成空间五轴激光机加工方案，就能实现以多轴方式对工件进行机加工，制造复杂和多样构造的产品。比如：机床具有至少三个直线轴，其中一个直线轴上安装本发明的装置(比如：设置在X轴和Z轴确定的平面上，并沿Z轴直线移动)，另一个直线轴上安装转动定位机构，驱动被加工工件回转的定位(比如：将工件设置于X轴和Y轴确定的平面上)，消除应力、振动、弹性形变或温度等因素导致光束与转台回转轴相对位置无法保持的情形，提高激光加工的精密度，利于对各种规格零件实施激光加工。

Claims (11)

1.一种超硬材料的激光加工方法，其特征在于以具有线偏振特性的聚焦光斑的移动和其偏振方位角的改变，将工件表面轮廓加工轨迹方向和偏振方向直接关系解耦，使偏振方向只和振镜运动相关。

2.根据权利要求1所述的超硬材料的激光加工方法，其特征在于以线偏振态激光的聚焦光斑在平面沿扫掠路径移动，以及在扫掠的同时实时控制激光的偏振角度，使得各个聚焦光斑均以各自的偏振角度沿着扫掠路径依次排布而产生加工图形，接着再以该加工图形为一个整体在材料表面移动，并去除移动路径上的材料以获得所需的构造。

3.根据权利要求1所述的超硬材料的激光加工方法，其特征在于以偏振驱动装置实时改变出射激光的偏振方位角，激光光束穿过电机中央通孔和置于电机上的偏振光学元件，通过控制电机带动偏振光学元件自转来改变出射光的偏振方向。

4.根据权利要求1所述的超硬材料的激光加工方法，其特征在于聚焦光斑围绕加工图形的中心移动且与偏振角度同步改变，使得各个聚焦光斑均以各自的偏振角度沿着扫略路径依次排布而产生加工图形，再以该加工图形为一个整体在工件表面移动而进行材料去除，使得加工质量和加工效率达到直接采用角向偏振光和径向偏振光进行材料去除相当的加工效果。

5.根据权利要求1所述的超硬材料的激光加工方法，其特征在于将激光经振镜出射的聚焦光斑作用于激光加工平面，使得聚焦光斑沿设定的扫掠路径扫掠并形成加工图形，再以加工图形沿着工件表面轮廓加工轨迹移动，以去除激光加工平面内的超硬材料；

在聚焦光斑沿设定的扫掠路径扫掠时，还对偏振方向与扫掠路径的相关性进行设定，使聚焦光斑围绕加工图形中心移动，

当沿着扫掠路径依次排布的各聚焦光斑的偏振方向相同，使产生的加工图形整体上具有线偏振特性；或

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均位于过加工图形中心的直线上，使加工图形整体上具有径向偏振特性；或

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均位于聚焦光斑扫掠路径的切线上，使加工图形整体上具有角向偏振特性；或

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹均与聚焦光斑扫掠路径的切线相交，交角大于0°且小于180°，使加工图形整体上兼有角向偏振和径向偏振特性；或

各个聚焦光斑的光矢量端点在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈周期性连续变化，使加工图形整体上具有圆偏振特性或椭圆偏振特性。

6.根据权利要求1所述的超硬材料的激光加工方法应用于机加工设备，以对超硬材料实施加工，形成刀具刃口。

7.一种机加工设备，其特征在于采用权利要求1所述的超硬材料的激光加工方法加工。

8.一种装置，用于实施权利要求1所述的超硬材料的激光加工方法，其特征在于包括：

激光光源，用于产生激光光速；

反射镜，用于改变激光光速的方向；

聚焦镜，用于接收入射的激光光纤，并形成聚焦光斑；

振镜，用于控制聚焦光斑的扫掠范围；

偏振驱动装置，用于改变出射激光的偏振方位角。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述反射镜安装于光学调整架或振镜之上以实现按需改变聚焦光斑扫掠方向，形成加工图形。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述的聚焦镜搭载多镜片的场镜。

11.一种机加工设备，其特征在于包括权利要求10所述的装置。

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