CN118124021A - 切削机构及切削系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种切削机构及切削系统,切削机构包括刀具以及激光组件。刀具包括用于切削加工件的刃口以及变焦曲面,且该刀具的材料为透光材料。激光组件配置为能够发射激光,该激光能够由变焦曲面投入至刀具内。变焦曲面配置成能够对透过的激光进行分散,并使透过变焦曲面的激光的所形成的光斑覆盖刃口。透出于刀具的激光辐照于加工件待加工处,从而改变加工件待加工处的材料性质,以便于降低工件待切削处的切削力而提高材料去除率,减小加工损伤,提高加工质量。于是具有该切削机构的切削系统能够有效提高脆硬材料的加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及光学零件制造设备领域,特别涉及一种一种切削机构及切削系统。
背景技术
光学零件的制造主要分为两类,以零件最终的成型结构分为平面(回转对称零件)和自由曲面(非回转对称零件)。以零件的可加工性分为两类,塑性易加工材料和硬脆性难加工材料。对于塑性易加工的(平面和自由曲面)、以及脆性难加工平面零件。现在都有相关的加工方法能够实现。但对于脆性的自由曲面零件,目前还没有较好的加工方法在保证加工效率、形貌精度、表面质量和亚表面质量的情况下实施加工。简言之,现有的加工方法要不然做不出来,或做出来质量差无法使用。
平面零件结构简单,采用普通的加工方法即可得到满足要求的表面形貌和表面精度。非回转对称零件,主要指零件包含自由曲面。或零件包含微槽,微透镜、微棱镜、微反射镜阵列。由于自由曲面零件形状不规则,尺寸较小,无法通过普通的加工工艺制造,更遑论加工过程中保证其形貌精度和表面质量精度的问题了。
自由曲面和微阵列的传统加工方法主要有以下几种:磨削抛光工艺、增材成型工艺、铣削工艺、特种加工工艺(电子束、离子束)、光刻工艺以及快速、慢速刀具伺服工艺。以加工后的产品质量(形貌精度和表面质量精度)高低来排序,光刻工艺在微尺寸加工上精度最高,效果最好的。但是该加工工艺门槛高,装置设备复杂,成本高昂。磨削抛光工艺、增材成型工艺、铣削工艺、特种加工工艺(电子束、离子束)工艺门槛一般,装置设备一般,成本一般但是产品质量较低。而快速刀具伺服工艺能够在保证生产周期和生产成本较低的情况下,同时保证形貌精度、表面质量和亚表面质量。
对于传统的快速刀具伺服系统,如果被加工件材料特性好、成型性、切削性好,即传统意义上的材料较软适合切削。则该加工件加工完成后的自由曲面或是微阵列系统的产品质量会比较理想。但对于一些脆硬材料的加工件,例如硅片、融石英、碳化硅,则被加工件的成型性、切削性则不佳,在加工过程中,切削会不规则的崩碎,材料去除不连贯,导致产品质量难以控制。
而脆性难加工自由曲面零件,恰好就是应用在光学和国防设备中的关键光学零件。例如光刻机反射折射镜、芯片微电子透镜、导弹整流罩等。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种切削机构及切削系统,旨在解决非平面光学零件的加工质量的技术问题。
为实现上述目的,本发明提出一种切削机构,其特征在于,包括:
刀具,包括刃口,所述刀具的材料为透光材料,所述刀具包括变焦曲面;
激光组件,配置成发射激光由所述变焦曲面透入所述刀具内;
其中,所述变焦曲面配置成能够对透过的所述激光进行分散,并使透过所述变焦曲面的所述激光的所形成的光斑覆盖所述刃口。
在一些实施例中,所述刃口具有相对布置的第一端以及第二端,由所述第一端指向所述第二端的方向为第一方向;
所述变焦曲面配置成使透过所述变焦曲面的所述激光的所形成的光斑呈预设形状,且所述光斑沿所述第一方向的尺寸大于沿与所述第一方向不平行的其他方向的尺寸。
在一些实施例中,所述变焦曲面位于所述刀具背离所述刃口的一侧。
在一些实施例中,所述激光组件包括激光发生装置,所述激光发生装置产生的激光直接射向所述变焦曲面。
在一些实施例中,所述激光组件包括激光发生装置以及激光调节装置,所述激光发生装置用于产生所述激光,所述激光调节装置用于改变所述激光的路径和/或对所述激光进行聚焦。
在一些实施例中,所述激光调节装置包括反射部,所述反射部通过反射所述激光从而改变所述激光的路径;和/或,所述激光调节装置包括折射部,所述激光穿过所述折射部后发生折射从而调整所述激光的路径。
在一些实施例中,所述激光调节装置包括反射部,所述反射部包括用于反射所述激光的反射镜,所述反射镜包括第一反射面,所述反射镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧,所述激光发生装置设于所述反射镜沿所述第一方向的一侧并朝所述第一反射面发射所述激光;
或者;
所述激光调节装置包括反射部,所述反射部包括用于反射所述激光的全反射棱镜,所述全反射棱镜包括第二反射面,所述全反射棱镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧,所述激光发生装置设于所述全反射棱镜沿所述第一方向的一侧并朝所述第二反射面发射所述激光;
或者;
所述激光调节装置包括折射部,所述折射部设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧,所述激光发生装置设于所述折射部背离所述变焦曲面的一侧,所述激光发生装置发射的所述激光穿过所述折射部至所述变焦曲面。
在一些实施例中,所述切削机构还包括驱动部,所述驱动部配置成驱动所述刀具进行进给运动。
在一些实施例中,所述变焦曲面位于所述刀具背离所述刃口的一侧,由所述变焦曲面至所述刃口的方向为第二方向;
所述切削机构还包括控制器,所述控制器与所述驱动部耦合,所述控制器配置成用于获取控制信号,并根据所述控制信号控制所述驱动部驱动所述刀具沿第二方向平移。
本发明的第二方面还提供了一种切削系统,其特征在于,包括上述实施例中任一项所述的切削机构。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
在本发明的技术方案中,切削机构包括刀具以及激光组件。刀具包括用于切削加工件的刃口以及变焦曲面,且该刀具的材料为透光材料。激光组件配置为能够发射激光,该激光能够由变焦曲面投入至刀具内。变焦曲面配置成能够对透过的激光进行分散,并使透过变焦曲面的激光的所形成的光斑覆盖刃口。透出于刀具的激光辐照于加工件待加工处,从而改变加工件待加工处的材料性质,以便于降低切削力而提高材料去除率,减小加工损伤,提高加工质量。
相关技术中,虽然激光能够透过刀具对焦于加工件上,但刀具在对加工件切削加工过程中,由于加工件加工外形的变化,刃口的切削点会随工件的加工外形变化。相关技术中的激光只能始终透过刀具的某一个位置,即激光透过刀具的位置不随刃口的切削点的改变而改变,导致激光不能精准地对焦于刃口的切削点,进而使得激光无法有效辐照于工件待加工处。而本发明的切削机构中,通过变焦曲面能够使激光分散,并使透过变焦曲面的激光所形成的光斑覆盖于刃口,从而使得透出于刀具的激光能够辐照于加工件待切削处,以使工件待切削处的材料性质能够改变。于是具有该切削机构的切削系统能够有效提高脆硬材料的加工质量。
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,下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中刀具的结构示意图;
图2为本发明另一实施例中刀具的第一视角的结构示意图;
图3为本发明另一实施例中刀具的第二视角的结构示意图;
图4为本发明另一实施例中刀具于图3中局部A处的放大示意图;
图5为本发明一实施例中刀具组装于刀具载体的结构示意图;
图6为本发明一实施例中切削系统的工作原理图;其中,激光调节装置包括折射部;
图7为本发明又一实施例中切削系统的工作原理图;其中,激光调节装置包括反射部;
图8为本发明一实施例中切削系统与切削机构、FTS模块的关系示意图;
图9为本发明一实施例中沿激光行进方向,光斑覆盖于刃口的投影示意图;
图10为本发明一实施例中激光穿透刀具切削点的示意图;其中,激光于变焦曲面具有第一入射位置,变焦曲面使由第一入射位置透入的激光聚焦于刃口的第一切削点;
图11为本发明另一实施例中激光穿透刀具切削点的示意图;其中,激光于变焦曲面具有第二入射位置,变焦曲面使由第二入射位置透入的激光聚焦于刃口的第二切削点;需要说明的是,第一入射点与第二入射点沿第一方向分布,入射于变焦曲面的激光能够在变焦曲面的作用下聚焦于刀具刃口的切削点,刃口的形状分布于三维空间内。
附图标号说明:
10-切削系统;
100-切削机构;
110-刀具;111-刃口;112-变焦曲面;113-第一端;114-第二端;
120-激光组件;121-激光发生装置;122-激光调节装置;1221-反射部;
1222-折射部;123-激光;1231-入射段;1232-光斑;
130-刀具载体;
200-FTS模块;
X-第一方向;Y-第二方向;Z-第三方向。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例,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作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。
在对非平面的光学零件制造过程中,由于非平面零件的形状不规则,尺寸较小,通常采用快速刀具伺服系统对该类零件进行加工。传统的快速刀具伺服系统对具有优良的材料特性、成型性以及切削性的工件加工后,能够得到表面形貌以及表面精度满足产品使用要求的零件。但对于硬度高、脆性大、断裂韧性低的材料,其弹性极限和强度非常接近,这些特性导致当对这些材料施加一定的外力时,其不容易发生变形,但当外力达到一定程度后,这种材料制成的零件的受力处会突然崩坏,并且其崩坏时无明显的塑性变形。这些特性的存在导致工件在切削加工过程中会产生不规则的崩碎,导致材料去除不连贯,最终导致加工出的零件的表面形貌以及表面精度很难满足产品使用要求,产品质量难以控制。
本申请人发现,当激光束照射到脆硬材料表面时,其能量会被吸收并转化为热能,使材料表面迅速加热。随着温度的升高,材料表面的水分和气体蒸发,形成一层“蒸气膜”,这层蒸气膜可以有效地防止热传导,使材料内部的热量无法向表面扩散,从而在材料内部形成高温。在高温下,脆硬材料的强度和硬度降低,变得容易切削。同时,激光束的能量密度非常高,可以在瞬间升高材料的温度,有利于提高工件加工效率,并且能够使材料在切割过程中保持较高的温度,从而有利于刀具对工件进行切削。
当工件由激光辐照升温并使其材料变性(由脆性向塑性转化)后,刀具能够轻易地加工出特定形状的工件,且该工件在加工完成的瞬间其表面形貌以及表面精度均可满足使用要求。但工件加工完成且其温度降低至常温的过程中,工件在热胀冷缩的作用下会收缩,导致工件的表面形貌以及表面精度等发生变化,很容易导致工件的最终形态不满足使用要求,进而导致废品率升高,不利于降低零件的制造成本。
于是本申请人提出了一种将刀具与激光结合的机构,该机构能够对脆硬材料进行加工并得到表面形貌以及表面精度均满足使用要求的零件。其中刀具采用透光材料,激光能够透过刀具聚焦于加工工件待切削处,使工件仅在被加工表面的被加工处的材料变性(脆硬材料的极限强度显著降低)。激光能够促进被加工区域材料的脆——塑性转化,降低切削力从而提高材料去除率,减少加工损伤、提高加工质量和加工效率。但本申请人发现,刀具在切削过程中,由于加工件的加工外形的变化,刀具的刃口的切削点是变化的,而非始终由刃口的某一固定位置对工件进行切削。但激光只能始终透过刀具的某一个位置,即激光透过刀具的位置不随刃口的切削点的改变而改变,导致激光于工件表面的位置偏离于刃口对工件的切削点,从而导致切削出的零件表面精度较低、表面形貌不佳,废品率较高,很难满足使用要求。
鉴于此,请参阅图1-图11,本申请提出一种切削机构100,该切削机构100包括刀具110以及激光组件120,刀具110能够用于切削工件。在一些实施方式中,切削机构100还包括刀具载体130,该刀具载体130用于承载刀具110,以便刀具110能够安装于切削机构100,即在具体实施方式中,刀具110位于刀具载体130的刀尖处,其能够直接接触于工件并对工件进行切削。刀具110的材料采用透光材料,在一种实施方式中,该刀具110所采用的材料可以是完全透明的材料。在另一种实施方式中,该刀具110所采用的材料还可以是具有颜色的其他透光材料。在一些实施例中,该刀具110可以采用具有透光特性的超硬合金材料制成。在另一些实施例中,该刀具110还可以采用具有透光性的晶体材料制成,该晶体材料可以是水晶,也可以是金刚石等。在一种实施方式中,刀具载体130也采用透光材料。在另一种实施方式中,刀具载体130也可采用其他非透光材料。为便于表述,以下以金刚石制成的刀具110为例进行说明。
其中,刀具110包括刃口111以及变焦曲面112,参阅图1至图3。激光组件120配置为能够发射激光123,且该激光123能够由变焦曲面112透入刀具110内。刃口111是指刀具110实际用于切削工件的部分。变焦曲面112是指一种采用特殊设计的曲面透镜结构,其能够使透入的激光123分散,且透过该变焦曲面112的激光123所形成的光斑1232能够覆盖于刃口111,刀具110切削工件时,无论刃口111的切削点如何改变,透出刀具110的激光123能够始终辐照于工件待切削处,即激光123的焦点能够始终位于工件待切削处,从而改变工件的待切削处的材料性质,以便于降低切削力而提高材料去除率,减小加工损伤,提高加工质量。将激光123由变焦曲面112发散并覆盖于刃口111的设计能够降低变焦曲面112的设计难度。需要说明的是,变焦曲面112能够使透入的激光123分散是指,透出于变焦曲面112的激光123所形成的光斑1232的面积大于激光123射入变焦曲面112时的入射光斑1232的面积。
以下对“焦点能够辐照于工件待切削处”进行如下定义:焦点的中心点与工件待切削处的中心点的间距满足:
时,即认为焦点位于工件待切削处,此时,焦点与工件待切削处可以完全重合、部分重合或彼此间隔。
其中,y代表焦点的中心点到工件待切削处的中心点的距离,单位:mm。
x1代表焦点特性参数,该参数由激光123的光斑1232的形状以及激光的功率决定,激光123的聚焦有很多种类型,例如高斯激光在平面上的光斑1232为圆形,x1取0-2.3*10000。
x2代表切削特性参数,该参数由被加工件的性质以及金刚石的刀具110性质所决定。被加工件的性质主要指的是材料特性、材料力学特性、硬度、断裂韧性等。金刚石刀具110特性主要指的是刀具110材料特性、刀具110的前后角、刃倾角等相关参数。x2取0-2.3*1000,且不取0。
R代表刀具110的切削刃的半径,通常指的就是切削刃圆弧的半径,R取0-10。
L代表激光123参数,激光123参数指的是激光的性质,即激光123的功率、波长、频率、发射方式等,L取0-58。
F代表聚焦参数,主要由起点到终点光路过程中所穿透的介质及激光123与介质发生反射、折射、吸收等综合性质决定,F取0-63。
α、β、γ代表空间相对位置参数,分别对应的是空间中x、y、z方向向量的位置参数。α、β、γ取0-10。需要说明的是,理论上,刃口111的切削点与工件待切削处为同一个点。
在一种优选的实施例中,焦点与工件表面的被切削位置可以部分重合,且焦点的一部分与被切削位置重合,焦点的另一部分位于被切削位置的前方(沿切削点的运动方向),这使得焦点的位于被切削位置前方的部分可以给待加工材料进行预热,加工材料预热后再由刀具110进行切削,提升了加工效率的同时,降低了对于脆硬材料的加工难度。
在一些实施方式中,参阅图4,刃口111具有相对布置的第一端113以及第二端114,为便于表述,定义由第一端113指向第二端114的方向为第一方向X。激光123包括射入变焦曲面112前的入射段1231,激光组件120配置为能够使该入射段1231沿第一方向X平移,从而实现激光123路径的改变。沿第一方向X平移的激光123射入变焦曲面112后,变焦曲面112能够将其依次聚焦于刃口111的实际切削点,且激光123能够透出刃口111并辐照于工件预切削点处。
变焦曲面112配置为能够使透过其的激光123所形成的光斑1232呈预设形状,且该光斑1232沿第一方向的尺寸大于光斑1232沿不平行于第一方向的其他方向的尺寸。预设形状根据刃口111的形状确定,为避免激光123能量的浪费,激光123经变焦曲面112发散(分散)所形成的光斑1232应尽量贴合并覆盖于刃口111。参见图9,为便于表述,以下定义第三方向Z垂直于第一方向以及第二方向,第二方向为变焦曲面112至刃口111的方向。即沿第一方向,激光123于刃口111形成的光斑1232呈发散状以使刃口111能够完全覆盖于光斑1232,沿第三方向Z,激光123于刃口111形成的光斑1232呈收拢状以使光斑1232能够尽量贴合并覆盖于刃口111。
在一些实施方式中,为使激光123于刃口111处形成的光斑1232能够尽量贴合并覆盖于刃口111,沿第三方向Z且垂直于激光123射入变焦曲面112的方向观察,变焦曲面112靠近刃口111的一侧呈凸起状,激光123通过该凸起发散,从而使得激光123于刃口111形成的光斑1232呈发散状并能够完全覆盖刃口111。在一些实施方式中,该光斑1232也可仅覆盖部分刃口111,激光123射入变焦曲面112之前的路径可以变换,以使光斑1232能够始终覆盖于刃口111的切削点。沿第一方向且垂直于激光123射入变焦曲面112的方向观察,变焦曲面112靠近刃口111的一侧呈凹陷状,激光123通过该凹陷处收拢,从而使得激光123于刃口111形成的光斑1232呈收拢状且光斑1232能够尽量贴合并覆盖于刃口111。
需要说明的是,切削机构100在对工件加工过程中,在一种实施方式中,可以是工件运动,而刀具110不动,通过改变工件的位置以便刀具110能够对其进行切削。在另一种实施方式中,还可以是工件不动,而刀具110运动,通过改变刀具110的位置以便对工件的表面进行切削。在又一种实施方式中,还可以是工件运动,刀具110也能够运动,通过改变两者的位置关系以实现刀具110对工件的切削。
在一些实施方式中,变焦曲面112可以是位于刀具110背离刃口111的一侧。在另一些实施方式中,变焦曲面112还可以设置于刀具110相邻于刃口111的任意一侧。为便于表述,以下以变焦曲面112设置于刀具110背离刃口111的一侧为例进行说明。激光123能够通过该变焦曲面112聚焦于刃口111的实际切削点,从而使得透过该刀具110的激光123的焦点能够聚焦于工件预切削处。避免激光123辐照于工件的表面的其他暂无需切削的位置,而导致工件预切削点区域的材料仍处于脆硬特性,进而导致工件的切削处崩碎,影响工件的成品率。
在一些实施方式中,激光组件120配置为能够其发射出的激光123的路径,以弥补在某些实施方式下激光123于刃口111所形成的光斑1232无法有效覆盖于刃口111。变焦曲面112配置为当激光123的路径切换后能够使激光123透过其所形成的光斑1232始终覆盖刃口111。使得无论刃口的切削点如何变换,通过刀具110的激光123能够始终辐照于工件待切削处。在一种实施方式中,激光123的路径的改变可以是通过改变激光123射入变焦曲面112的入射角度,并保证激光123射入变焦曲面112的入射点位置不变来实现,变焦曲面112能够使由不同入射角度的透入的激光123发散,并使透出其的激光123所形成的光斑1232覆盖于刃口111。在另一种实施方式中,激光123的路径的改变还可以是通过改变激光123穿透变焦曲面112的入射点位置来实现,变焦曲面112能够使由不同入射点透入的激光123发散,并使透出其的激光123所形成的光斑1232覆盖于刃口111。在又一种实施方式中,激光123的路径的改变还可以通过改变激光123于变焦曲面112的入射点的位置以及改变激光123于变焦曲面112的入射角度来实现。
在一些实施方式中,请参阅图6和图7,激光组件120包括激光发生装置121以及激光调节装置122,激光发生装置121能够用于产生激光123,激光调节装置122能够用于改变激光123的路径。在一种实施方式中,参阅图7,激光调节装置122包括反射部1221,激光发生装置121可以设置于反射部1221任意一侧。为便于表述,以下以激光发生装置121设置于反射部1221靠近变焦曲面112的一侧,且激光发生装置121沿垂直于第一方向X的方向远离变焦曲面112为例进行说明。该反射部1221能够通过反射激光123从而改变激光123的路径,即反射部1221能够将具有不同入射角度、不同入射位置的激光123反射至变焦曲面112的不同的位置,变焦曲面112又将透射而来的激光123发散并覆盖于刃口111,以使透出刀具110的激光123能够有效辐照于工件待切削处。需要说明的是,此时激光123的入射段1231为激光123位于反射部1221以及变焦曲面112之间的部分。
请参阅图6,在另一种实施方式中,激光调节装置122包括折射部1222,激光发生装置121可以设置于激光调节装置122背离变焦曲面112的一侧。激光123能够穿透折射部1222,且折射部1222能够将具有不同入射角度、不同入射位置的激光123折射至变焦曲面112的不同的位置。需要说明的是,此时激光123的入射段1231为激光123位于折射部1222以及变焦曲面112之间的部分。在又一种实施方式中,激光调节装置122还可用于聚焦激光123,以使具有不同入射位置、不同入射角度的激光123能够透入变焦曲面112。
在具体实施方式中,变焦曲面112设置于刀具110背离刃口111的一侧,刃口111具有相对布置的第一端113以及第二端114,由第一端113指向第二端114的方向为第一方向X。在一种实施方式中,参阅图7,激光调节装置122所包括的反射部1221配置为能够沿第一方向X平移,激光发生装置121的设置位置不变,即激光123的入射角度不变。反射部1221沿第一方向X平移时,由于激光123入射于反射部1221的位置不同,使得激光123能够由反射部1221反射至变焦曲面112的不同位置。在另一种实施方式中,反射部1221还可沿垂直于第一方向X的方向运动,以改变激光123入射于该反射部1221的位置,进而改变激光123的入射段1231的路径。
为便于表述,以下以激光发生装置121设置于折射部1222背离变焦曲面112的一侧为例进行说明。在一些实施方式中,参阅图6,激光调节装置122所包括的折射部1222可以配置为能够绕垂直于第一方向X的轴线旋转,以使激光123于该折射部1222的入射角度能够改变,从而使得激光123由该折射部1222折射出的入射段1231(激光123位于变焦曲面112与折射部1222之间的部分)的路径能够发生变化。在另一些实施方式中,折射部1222还可以配置为能够绕平行于第一方向X的轴线旋转。
在一些实施方式中,激光发生装置121设置于变焦曲面112背离刀具110的一侧,且该激光发生装置121配置为能够运动以使其发射出的激光123入射于变焦曲面112的入射位置、入射角度能够变化,从而使得激光123的入射段1231的路径能够变化,进而使得激光123能够透入变焦曲面112,并通过变焦曲面112发散,以使光斑1232有效覆盖于刃口111。此时激光组件120可不设置激光调节装置122。
在一些实施方式中,反射部1221包括用于反射激光123的反射镜,该反射镜包括第一反射面。具体地,该反射镜可以设置于变焦曲面112背离刃口111的一侧。激光发生装置121可以设置于反射镜沿第一方向X的一侧,且该激光发生装置121能够向第一反射面发射激光123。在另一些实施方式中,激光发生装置121还可以设置于垂直于第一方向X且反射镜靠近变焦曲面112的一侧。
在一些实施方式中,反射部1221可以包括用于反射激光123的全反射棱镜,该全反射棱镜包括第二反射面,且该全反射棱镜可以设置于变焦曲面112背离刃口111的一侧。激光发生装置121可以设置于全反射棱镜沿第一方向X的一侧,且其能够向第二反射面反射激光123。通过调整全反射棱镜相对于变焦曲面112的位置关系,即可使激光123的入射段1231(即激光123位于变焦曲面112与全反射棱镜之间的部分)的路径发生改变。需要说明的是,全反射棱镜是一种利用光的全反射原理制成的能改变光线方向的器件,光的全反射原理是指当光从光密介质射向光疏介质时,入射角超过某一角度(临界角)时,折射光完全消失,只剩下反射光线的现象。
在一些实施方式中,折射部1222设置于变焦曲面112背离刃口111的一侧,激光发生装置121可以设置于折射部1222背离变焦曲面112的一侧,以使激光发生装置121发射的激光123能够透过该折射部1222,并通过该折射部1222折射至变焦曲面112。在激光123射到变焦曲面112时,变焦曲面112会根据其形状和材料属性对激光123进行聚焦和/或发散,从而改变激光123的光束大小和传播方向。在一种实施方式中,变焦曲面112可以是凸透镜或凹透镜结构。在另一种实施方式中,变焦曲面112也可以是更复杂的多面体结构。变焦曲面112的主要作用是通过对激光123的聚焦和/或发散来改变激光123的传播方向。
在一些实施方式中,切削机构100还包括驱动部,该驱动部配置为能够驱动刀具110进行进给运动。具体来说,驱动部可以根据切削机构100获取的工件外形参数以及各类预设参数来控制刀具110的移动。在一种实施方式中,为了更好地描述这种配置,可以设想一个加工场景。在该加工场景中,工件是静止的,而切削机构100能够获取工件的外形参数以及预设参数。这些参数被输出到驱动部,驱动部根据这些参数能够精确地控制刀具110的运动。于是,刀具110就能够对工件进行切削处理,实现精确的加工。在另一种实施方式中,工件也可以相对刀具110运动。切削机构100采用更为先进的机加工系统中,例如五轴联动加工中心等。在这种情况下,切削机构100不仅会输出刀具110的运动参数,还会输出工件的运动参数。这些参数被一起输送到驱动部,由驱动部根据这些参数来驱动刀具110对工件进行切削处理。
在一些实施方式中,变焦曲面112设于刀具110背离刃口111的一侧,为便于表述,定义由变焦曲面112指向刃口111的方向为第二方向Y。切削机构100还包括控制器,该控制器能够与驱动部耦合。具体来说,控制器可以是一个独立的设备,也可以是切削机构100的一部分。控制器的主要功能是获取控制信号,并根据这些控制信号来控制驱动部驱动刀具110沿第二方向Y移动。
当控制器接收到控制信号后,控制器能够将这些信号传递给驱动部。驱动部根据这些信号来驱动刀具110沿第二方向Y移动,从而使得刀具110能够对工件进行切削加工。以实现精确控制刀具110的移动和切削加工过程,从而提高加工质量和效率。
此外,为了更好地适应不同的加工需求,控制器还可以配置为能够根据预设参数或外部输入自动调整刀具110的移动速度、进给速度等加工参数。于是,切削机构100可以根据实际加工情况来自动调整加工参数,从而更好地适应不同的加工需求。
在一些实施方式中,刀具110的进给还可以通过操作人员手动控制。刀具110的进给通过人工控制具有简单易操作的优势,即手动进给不需要复杂的控制系统和设备,降低了使用成本。手动进给适用于小批量或单件生产,即手动进给可以快速调整和适应不同的加工需求,提高生产效率。手动进给的加工精度可控,即手动进给可以通过操作人员的技能和经验控制加工精度,对一些需要高精度加工的零件可以实现更好的质量控制。手动进给还能提高加工效率,即通过操作人员手动控制刀具110进给,可以更好地掌握加工节奏和效率,从而优化加工过程,提高整体加工效率。
本发明的第二方面还提供了一种切削系统10,该切削系统10包括了上述任意一项实施例中表述的切削机构100。驱动部被配置为能够驱动刀具110进行进给运动,这使得刀具110能够对工件进行切削处理。在这个过程中,驱动部通过精确控制刀具110的移动,确保切削过程的精确性和稳定性。激光123组件120是另一个重要的组成部分,其包括激光发生装置121和激光调节装置122。激光发生装置121用于发射激光123,而激光调节装置122则用于调整激光123的路径和发射方向。该激光组件120的特别之处在于,其可以使激光123通过设置于刀具110的变焦曲面112进行发散和/或收拢,从而使透出变焦曲面112的激光123所形成的光斑1232覆盖于刃口111。使得无论刃口的切削点如何变化,激光123均能辐照于工件待切削处,以改变工件待切削处的材料性质,进而便于刀具110能够有效对工件进行材料去除,避免工件在加工过程中崩碎。
具体来说,激光123从激光发生装置121发出,经过激光调节装置122的调整,使其能够射入变焦曲面112,又通过变焦曲面112发散、收拢并透出变焦曲面112,透出于变焦曲面112的激光123所形成的光斑1232覆盖刃口111。透出于刀具110的激光123辐照于工件待切削处,从而实现高效、高精度的切削处理。此外,该切削系统10还可以配备传感器和反馈控制系统,以实时监测和调整切削过程。例如,传感器可以监测工件的位置、形状和材质,以及刀具110的磨损程度和温度等参数。这些信息被反馈到控制器中,用于调整驱动部和激光组件120的工作参数,以确保切削过程的稳定性和精度。
请参阅图6至图8,在一些实施方式中,切削系统10还包括FTS(fast tool servo)模块200。在一种实施方式中,FTS模块200是独立于加工机床的一套单独的装置,其加工原理为通过驱动切削刀具110在预设方向(通常为机床主轴)上进行高频和预设的运动来实现加工。在一种实施例中,FTS模块200可以采用一维驱动类型的装置,即FTS模块200驱动刀具110沿第二方向Y运动。在另一种实施例中,FTS模块200还可以采用二维驱动类型的装置,即FTS模块200能够驱动刀具110沿第一方向X以及第二方向Y运动。在又一种实施例中,FTS模块200也可以采用压电驱动类型的装置。在还一种实施例中,FTS模块200还可以采用线圈驱动类型的装置。FTS模块200在切削系统10中能够起到以下的作用:
确保控制的精确性:通过精准控制刀具110等部件的运动,最终保持被加工件的表面面型精度和形状精度。
确保刀具110运动的准确性:可以实现自动化控制和操作。这有助于减少人工干预,提高生产过程的稳定性和一致性。
提高加工质量:FTS模块200有助于提高切削系统10的加工质量。它能够减少刀具110在运动过程中的振动和变形,避免加工过程中的误差累积,从而提高整体加工质量。
灵活布局:FTS模块200的布局设计灵活,可以根据切削系统10的实际需求进行定制。这使得FTS模块200能够适应各种不同的加工环境和设备配置,方便系统的集成和扩展。
需要说明的是,若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,若全文中出现的“和/或”、“且/或”或者“及/或”,其含义包括三个并列的方案,以“A和/或B”为例,包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种切削机构,其特征在于,包括:
刀具,包括刃口,所述刀具的材料为透光材料,所述刀具包括变焦曲面;
激光组件,配置成发射激光由所述变焦曲面透入所述刀具内;
其中,所述变焦曲面配置成能够对透过的所述激光进行分散,并使透过所述变焦曲面的所述激光的所形成的光斑覆盖所述刃口。
2.如权利要求1所述的切削机构,其特征在于,
所述刃口具有相对布置的第一端以及第二端,由所述第一端指向所述第二端的方向为第一方向;
所述变焦曲面配置成使透过所述变焦曲面的所述激光的所形成的光斑呈预设形状,且所述光斑沿所述第一方向的尺寸大于沿与所述第一方向不平行的其他方向的尺寸。
3.如权利要求1所述的切削机构,其特征在于,
所述变焦曲面位于所述刀具背离所述刃口的一侧。
4.如权利要求1所述的切削机构,其特征在于,
所述激光组件包括激光发生装置,所述激光发生装置产生的激光直接射向所述变焦曲面。
5.如权利要求1所述的切削机构,其特征在于,
所述激光组件包括激光发生装置以及激光调节装置,所述激光发生装置用于产生所述激光,所述激光调节装置用于改变所述激光的路径和/或对所述激光进行聚焦。
6.如权利要求5所述的切削机构,其特征在于,
所述激光调节装置包括反射部,所述反射部通过反射所述激光从而改变所述激光的路径;和/或,所述激光调节装置包括折射部,所述激光穿过所述折射部后发生折射从而调整所述激光的路径。
7.如权利要求6所述的切削机构,其特征在于,
所述激光调节装置包括反射部,所述反射部包括用于反射所述激光的反射镜,所述反射镜包括第一反射面,所述反射镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧,所述激光发生装置设于所述反射镜沿所述第一方向的一侧并朝所述第一反射面发射所述激光;
或者;
所述激光调节装置包括反射部,所述反射部包括用于反射所述激光的全反射棱镜,所述全反射棱镜包括第二反射面,所述全反射棱镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧,所述激光发生装置设于所述全反射棱镜沿所述第一方向的一侧并朝所述第二反射面发射所述激光;
或者;
所述激光调节装置包括折射部,所述折射部设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧,所述激光发生装置设于所述折射部背离所述变焦曲面的一侧,所述激光发生装置发射的所述激光穿过所述折射部至所述变焦曲面。
8.如权利要求1所述的切削机构,其特征在于,
所述切削机构还包括驱动部,所述驱动部配置成驱动所述刀具进行进给运动。
9.如权利要求8所述的切削机构,其特征在于,
所述变焦曲面位于所述刀具背离所述刃口的一侧,由所述变焦曲面至所述刃口的方向为第二方向;
所述切削机构还包括控制器,所述控制器与所述驱动部耦合,所述控制器配置成用于获取控制信号,并根据所述控制信号控制所述驱动部驱动所述刀具沿第二方向平移。
10.一种切削系统,其特征在于,包括权利要求1-9任一项所述的切削机构。
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