CN203265910U - 固体激光珩磨加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种固体激光珩磨加工装置，解决了现有进行激光珩磨加工时在工件表面生成的储油凹坑较浅、粗糙度有限，且生产效率低的问题。所述固体激光珩磨加工装置包括激光系统和珩磨机床，所述激光系统包括固体激光器组及对应的外光路系统，所述固体激光器组由K个固体激光器组成，Ｋ≥1，所述固体激光器包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与输出镜之间还设有电机驱动的机械调制盘,所述机械调制盘上开有至少一个通光孔，所述谐振腔内还包括望远准直系统，所述机械调制盘位于所述望远准直系统的共焦平面上。本实用新型具有不仅可产生更深的储油凹坑，而且可以获得更高的加工效率。

Description

固体激光珩磨加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光加工装置，具体的是说一种应用于发动机缸套、活塞、凸轴等工件的固体激光珩磨加工装置。

背景技术

目前，表面微造型技术大量用于提高材料的硬度、耐磨、耐高温、抗氧化等性能，其中激光表面微造型技术以其加工速度快、成本低、无污染、非接触式、无工具磨损、优良的尺寸控制精度等优点而应用发展最迅猛。

珩磨技术广泛用于汽车制造、航空航天、火炮、导弹、模具、摩托车、拖拉机、坦克、舰船、工业缝纫机、空调制冷、液压气动、雷达、广播电视设备、油泵油嘴、轴承、工程机械、管乐器等制造领域。结合数控系统与激光珩磨的光机电一体化的数控激光珩磨技术是世界上最先进的珩磨技术之一，也是现代珩磨技术的发展趋势。

用于激光珩磨的激光器使用较广泛的是CO₂激光器和固体激光器。

固体激光器主要包括：YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、LiSAF激光器、陶瓷激光器等。用于激光珩磨的固体激光器比较广泛的是YAG激光器。

YAG激光器主要有Nd:YAG激光器、Yb:YAG激光器、Er:YAG激光器、Tm:YAG激光器等几种。传统YAG激光珩磨装置的基本原理是：采用声光调Q的YAG激光器作为脉冲激光发生源，由激光器发射出的脉冲激光束经光路系统聚焦后，直接作用于被加工的工件表面进行微造型；通过控制调Q频率与工件的转速，实现所要求的表面微凹坑分布。例如：江苏大学开发的“一种激光表面微造型装置及方法”（专利号200810155787.3），就是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为加工光源的。

采用声光调Q的YAG激光器其声光调Q器件具有较高的脉冲频率，但其衍射效率有限，当激光增益很高时，声光调Q器件无法提供足够高的损耗使激光器的振荡有效关断，这使得声光调Q脉冲激光器的单脉冲能量和平均功率都较低，从而导致在较深储油坑要求下生产效率较低，如江苏大学申请公开的“一种激光表面微造型方法”（专利号200610039758.1），难以满足实际生产需求。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种结构简单、可靠性高，可以实现两个或两个以上脉冲串固体激光器并联的固体激光珩磨加工装置，所述激光珩磨加工装置不仅可以获得较高的加工效率，而且可以产生足够深的储油微凹坑。

所述固体激光珩磨加工装置，包括激光系统和珩磨机床，所述激光系统包括固体激光器组及对应的外光路系统，所述固体激光器组由K个固体激光器组成，Ｋ≥1，所述固体激光器包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与输出镜之间还设有电机驱动的机械调制盘,所述机械调制盘上开有至少一个通光孔，所述谐振腔内还包括望远准直系统，所述机械调制盘位于所述望远准直系统的共焦平面上。

所述望远准直系统由一个透射式聚焦镜与所述输出镜在激光光轴上相对设置而构成；或者由一对透射式聚焦镜在激光光轴上相对设置而构成。

所述外光路系统为依次设置的扩束准直系统、导光机构以及激光加工头。

所述固体激光器组为至少两个固体激光器时，其中任意两个固体激光器可共用同一个机械调制盘进行Q调制，或者各自采用独立的机械调制盘进行Q调制。

所述激光加工头包括沿激光光束传输线路依次布置的聚焦镜和保护镜。

所述激光加工头还包括有反射镜，所述反射镜位于聚焦镜与保护镜之间，或位于聚焦镜之前。

当固体激光器K≥2时，任意两个固体激光器输出的脉冲激光光束由同一个激光加工头输出。

所述激光系统可以全部安装在珩磨机床上，或部分安装在珩磨机床上，只要保证激光加工头输出的激光光束能作用在工件表面即可，所述激光加工头可在传动机构的带动下做垂直于转盘的直线运动，所述传动机构可以为珩磨机床自带的用于带动激光加工头的传动机构。

所述通光孔为带有锥度的切口或者是其它几何形状的通孔。

本实用新型中固体激光器主要的工作原理如下：机械调制盘旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元提供能量，那么将在连续泵浦单元的固体激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘的旋转，当通光部位旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在固体激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘旋转的过程中，非通光部位与通光部位交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启；如果此时通过连续泵浦单元提供连续的激光能量，那么激光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。本实用新型中固体激光器的Q调制方法特别适合于激光珩磨。一方面这种方法可以关断任意高功率的激光振荡，因此可以适合高平均功率激光脉冲；另一方面通过控制激光开启的速度，从而获得脉冲串组激光输出，形成适合于激光珩磨的理想激光脉冲。

本实用新型中，当所述机械调制盘上的通光孔大于一个时，这些通光部位可呈圆周等间距分布于机械调制盘上，此时当机械调制盘的转速恒定时，相邻激光脉冲的时间间隔是完全一致的，激光器输出脉冲的重复频率是恒定的。当所述通光孔大于一个时，也可呈圆周非等间距分布于机械调制盘上，此时即使机械调制盘的转速恒定，激光器输出的相邻脉冲的脉冲间隔也是不一致的，即激光输出脉冲的重复频率不是恒定的。

本实用新型提供的固体激光珩磨加工装置在具体加工时，同现有技术一样，待加工的工件由珩磨机床上的二维平移导轨控制移动和定位，并由二维平移导轨上的转盘带动旋转，其转速由珩磨机床控制。珩磨机床上的二维平移导轨作二维垂直平移运动，其移动速度由珩磨机床控制。激光加工头可在珩磨机床的控制下做垂直于转盘的直线运动。固体激光器组中K（K≥1）个固体激光器输出的K路脉冲激光束经过准直扩束系统、导光机构，再经激光加工头后分别聚焦于工件表面，并对其实施加工，从而在工件表面加工出所需的储油微凹坑分布。在珩磨机床对转盘转速、每个固体激光器的Q调制频率及激光加工头的垂直上下移动速度的集中控制下，所述每个固体激光器对应的聚焦光点在工件表面加工形成事先设定的储油微凹坑分布，同时可以通过对每个固体激光器输出功率、Q调制频率进行控制，从而在工件表面加工出微凹坑深度及其点阵形状可控的微凹坑点阵分布。

本实用新型的优点是：

1．本实用新型固体激光珩磨加工装置可以采用一个固体激光器工作，也可以采用两个或两个以上固体激光器并联工作，每个固体激光器的激光输出功率、Q调制频率及脉冲串组形式均由可珩磨机床控制。而且，两个或两个以上固体激光器同时工作时，不但可以根据实际需要控制每个固体激光器的输出功率，而且可以控制它们的Q调制频率输出。同时，可以通过精心设计外光路系统而使聚焦光点在工件表面加工出所需要的储油微凹坑点阵分布。两个或两个以上固体激光器以相同的激光输出并联工作时，可成倍提高工作效率。

2．本实用新型固体激光器的关断由于是通过机械调制盘的非通光部位实现的，当激光被关断时实际上就等同于在激光器中直接插入了一个机械开关，因此对应的关断能力几乎是无限的。这种关断方式对激光器功率没有任何限制，可以适用于高功率激光器，从而形成足够高的激光脉冲功率和脉冲频率。

3．本实用新型固体激光器不但具有与声光脉冲调Q激光器一样的高重复频率脉冲输出，而且可以同时产生与转镜调Q、电光调Q及染料调Q等脉冲激光器一样的高峰值功率巨脉冲输出。不仅如此，该脉冲Q调制激光器解决了目前声光调Q脉冲激光器在实现高稳定、高重复频率、高峰值功率及高脉冲能量激光脉冲输出时的固有困难。综上所述，本实用新型借助脉冲Q调制激光器提供的稳定性高、重复频率高、峰值功率高及脉冲能量高，而脉宽短的脉冲激光输出，可满足更深的储油微凹坑要求，同时获得更高的加工频率和加工效率。

4．本实用新型固体激光器组中各固体激光器的Q开关属于慢开关，但谐振腔内增设的望远准直系统使得Q开关的开启速度得到极大的提高，能实现输出Q调制周期内包只包含一个激光小脉冲，因此激光输出脉冲能量高，有利于工件表面材料气化，形成较好质量的储油微凹坑。

5．本实用新型固体激光器组整体结构简单，体积小，可以非常方便地放置于珩磨机床上，因此固体激光器并联系统得到很大程度简化。

6．本实用新型固体激光珩磨加工装置整体结构简单，成本低，加工效率高，使用寿命长，工作稳定，生产维护容易，非常适用于工业生产应用。

附图说明

图1为固体激光珩磨加工装置整体外部结构示意图；

图2为一种固体激光在工件上加工储油微凹坑的示意图，其中激光加工头依次设置为聚焦镜501、反射镜502、保护镜503；

图3为一种固体激光在工件上加工储油微凹坑的示意图，其中激光加工头依次设置为聚焦镜501、保护镜503；

图4为本实用新型实施例1的固体激光器组1（只有一个固体激光器）的结构原理图，其中图4a为谐振腔内包括一对透射式聚焦镜（107、108），它们相对设置构成望远准直系统；图4b为谐振腔内包括一个透射式聚焦镜107，它与输出镜105相对设置构成望远准直系统；

图5为本实用新型实施例2的固体激光器组1（固体激光器共用一个机械调制盘）的结构原理图；

图6为本实用新型实施例3的固体激光器组1（固体激光器各自独用一个机械调制盘）的结构原理图；

图7为实施例2或3中形成的两束脉冲激光由同一激光加工头输出的示意图。

图8为本实用新型中固体激光器组产生的储油微凹坑分布示意图。其中，图8（a）是激光加工头5单程运动后加工出的效果示意图；图8（b）是加工出的网纹储油沟槽示意图。

其中，1－固体激光器组、101－全反镜、111－全反镜、121－全反镜、102－连续泵浦单元、112－连续泵浦单元、122－连续泵浦单元、103－高速电机、113－高速电机、123－高速电机、104－机械调制盘、114－机械调制盘、124－机械调制盘、105－输出镜、115－输出镜、125－输出镜、106－通光孔、116－通光孔、126－通光孔、107－透射式聚焦镜、117－透射式聚焦镜、127－透射式聚焦镜、108－透射式聚焦镜、118－透射式聚焦镜、128－透射式聚焦镜、2－扩束准直系统、3－导光机构、4－激光光束、401-激光光束、402-激光光束、5－激光加工头、501－聚焦镜、502－反射镜、503－保护镜、6－工件、7－珩磨机床、701－Y轴平移导轨、702－X轴平移导轨、703-转盘。

具体实施方式

实施例1：如图1，本实用新型激光珩磨加工装置中，包括激光系统和珩磨机床7，所述珩磨机床7的床身上装有Y轴平移导轨701和X轴平移导轨702，X轴平移导轨702上设有用于固定工件6并使工件6旋转的转盘703；所述激光系统安装于珩磨机床7上，包括固体激光器组1（只有一个固体激光器）及对应的外光路系统，所述外光路系统包括沿激光光束传输线路依次设置的扩束准直系统2、导光机构3及激光加工头5，所述激光加工头5可在传动机构（为珩磨机床7自带的用于带动激光加工头的传动机构，图中未示出）的带动下实现沿垂直方向上下移动，其移动速度可由珩磨机床7控制。本实施例中固体激光器组1输出一束脉冲激光光束4，激光系统的结构图如图2所示。

本实施例中固体激光器为YAG激光器。

参见图4a，固体激光器组1中的YAG激光器包括依次设置的全反镜101、连续泵浦单元102、透射式聚焦镜107、高速电机103驱动的机械调制盘104、透射式聚焦镜108和输出镜105。本实施例中所述连续泵浦单元102采用半导体光泵浦单元，所述机械调制盘104由铝材料制成，且位于由透射式聚焦镜107和108构成的望远准直系统的共焦平面上；在机械调制盘104上沿圆周均匀分布四个通光孔106（例如为带有锥度的切口或者是圆形通孔），这四个通光孔106可通过机械调制盘104的转动而间断供YAG激光器中的激光光轴（或称激光光束）通过。

参见图2，从固体激光器组1出射的激光光束4经过扩束准直系统2和导光机构3后入射到激光加工头5中的聚焦镜501，再经反射镜502的作用后，接着通过保护镜503从激光加工头出射，最终聚焦到工件6表面进行加工；或者激光光束4先入射到激光加工头5中反射镜502作用后，再经聚焦镜501聚焦后由保护镜503出射，最终聚焦到工件6表面进行加工；又或者参见图3，激光光束4不经反射直接入射到激光加工头5中聚焦镜501后由保护镜503出射，最终聚焦到工件6表面进行加工。本领域技术人员可根据具体需要选择上述三种结构中的任一结构实施。

实施例2：参见图4b，与实施例1不同是：固体激光器组1中的YAG激光器包括依次设置的全反镜101、连续泵浦单元102、透射式聚焦镜107、高速电机103驱动的机械调制盘104和输出镜105。所述机械调制盘104位于由透射式聚焦镜107和输出镜105构成的望远准直系统的共焦平面上。

实施例3：参见图5，与实施例1不同的是：固体激光器组1包括两个固体激光器（即两个YAG激光器），其中第一个固体激光器包括依次设置的全反镜111、连续泵浦单元112、透射式聚焦镜117、高速电机103驱动的机械调制盘104、透射式聚焦镜118和输出镜115；第二个固体激光器包括全反镜121、连续泵浦单元122、透射式聚焦镜127、高速电机103驱动的机械调制盘104（两个固体激光器共用）、透射式聚焦镜128和输出镜125。参见图7，两个固体激光器输出的两束激光光束401、402依次经扩束准直系统2、导光机构3以及激光加工头5以不同角度同时聚焦到工件6表面进行加工。工作效率成倍提高。据此原理，还可设计3个、4个或更多个并联的固体激光器形成固体激光器组1。

实施例4：参见图6，与实施例3不同的是：两个YAG激光器第一个包括依次设置的全反镜111、连续泵浦单元112、透射式聚焦镜117、高速电机113驱动的机械调制盘114、透射式聚焦镜118和输出镜115；第二个包括全反镜121、连续泵浦单元122、透射式聚焦镜127、高速电机123驱动的机械调制盘124、透射式聚焦镜128和输出镜125。

工作过程：如图1所示，在具体珩磨加工时，把待加工工件6装夹到珩磨机床7上的转盘703上，这样，工件的旋转由转盘703带动，其转速由珩磨机床7控制。珩磨机床7上平移导轨可作二维平移运动（具体为Y轴平移导轨701在Y轴上作平移运动，X轴平移导轨702在X轴上作平移运动），通过它可以调整工件的位置，其移动速度由珩磨机床7控制；同时，珩磨机床7的数控系统可以控制固体激光器组1内YAG激光器各自的Q调制频率、Q调制深度及脉冲串组形式。固体激光器组1发出的K束脉冲激光束经扩束准直系统2扩束准直后，再经过导光机构3，然后通过激光加工头5聚焦于工件表面形成非常小的聚焦光点，进而对工件6的表面实施微凹坑加工。在珩磨机床7对工件6的转速和位置、机械调制盘104转速以及激光加工头沿垂直方向的直线运动速度的集中控制下，所述聚焦光点在工件6表面加工形成螺旋扫描线形式的储油微凹坑点阵分布，具体结合图9所示，图9（a）是激光加工头5单程运动后加工出的效果示意图，θ反映激光加工头5的运动速度与工件6的旋转速度大小关系，激光加工头5的运动速度与工件6的旋转速度比值越大，则θ越大；图9（b）是加工出的网纹储油沟槽示意图，其中θ表示网纹交叉角，一般而言θ≤70°，在一定程度上，θ越大，加工效率越高。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固体激光珩磨加工装置，包括激光系统和珩磨机床，所述激光系统包括固体激光器组及对应的外光路系统，其特征在于，所述固体激光器组由K个固体激光器组成，Ｋ≥1，所述固体激光器包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与输出镜之间还设有电机驱动的机械调制盘,所述机械调制盘上开有至少一个通光孔，所述谐振腔内还包括望远准直系统，所述机械调制盘位于所述望远准直系统的共焦平面上。

2.如权利要求1所述的固体激光珩磨加工装置,其特征在于，所述望远准直系统由一个透射式聚焦镜与所述输出镜在激光光轴上相对设置而构成；或者由一对透射式聚焦镜在激光光轴上相对设置而构成。

3.如权利要求1所述的固体激光珩磨加工装置,其特征在于，所述外光路系统为依次设置的扩束准直系统、导光机构以及激光加工头。

4.如权利要求1-3任一项所述的固体激光珩磨加工装置,其特征在于，所述固体激光器组为至少两个固体激光器时，其中任意两个固体激光器共用同一个机械调制盘进行Q调制，或者各自采用独立的机械调制盘进行Q调制。

5.如权利要求3所述的固体激光珩磨加工装置，其特征在于，所述激光加工头包括沿激光光束传输线路依次布置的聚焦镜和保护镜。

6.如权利要求5所述的固体激光珩磨加工装置,其特征在于，所述激光加工头还包括有反射镜，所述反射镜位于聚焦镜与保护镜之间，或位于聚焦镜之前。

7.如权利要求１所述的固体激光珩磨加工装置,其特征在于，当固体激光器K≥2时，任意两个固体激光器输出的脉冲激光光束由同一个激光加工头输出。 

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