CN212443756U - 一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置 - Google Patents

Abstract

一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，包括加热机构、磨削机构；所述加热机构包括激光发生器、支撑箱、冷水机；所述激光发生器固定安装在支撑箱上方，所述激光发生器用铝板罩进行密封，所述支撑箱左侧设置有冷水机，所述冷水机与激光发生器连接；所述磨削机构包括三轴直线电机平台、电主轴装置和刀具装置，所述三轴直线电机平台设置在支撑箱右侧并且所述三轴直线电机平台的X、Y、Z轴三个方向采用光栅尺进行回零运动和运动反馈调节。本实用新型所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，结构简单，采用激光加热辅助磨削的方式，提高了加工效率，提高了石英玻璃型材表面完整性和磨削表面质量。

Description

一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置

技术领域

本实用新型涉及磨削装置技术领域，具体涉及一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置。

背景技术

随着光学与电子信息科学、材料加工与制造科学的不断融合，石英玻璃型材在国防、航天、能源、民用等领域的应用也越来越广泛，要求石英玻璃型材具有更高的加工精度和表面质量。在国防工业领域，激光制导中所用的许多激光元件如激光反镜、激光陀螺腔体、非球面透镜等均采用高精度石英玻璃型材，这些石英玻璃型材的超精密加工精度将直接影响着制导的精度；在民用工业领域，手机的光电模组、摄像机、照相机等成像设备、医疗设备和通信装置等上面的各种透镜，特别是光学曲面透镜都要求有很高的形状精度与表面质量。

现阶段，为获得符合要求的石英玻璃型材通常需要以下三个工序:第一步工序是磨削，能够在较高的材料去除率下，实现较小的表面粗糙度和较低的亚表层损伤。第二步工序是精密研磨加工，以去除材料上一道工序造成的损伤层的同时并提高工件的面型精度。第三步工序是超精密抛光，是进一步降低材料的表面粗糙度和消除亚表面损伤，最终获得满足要求的超光滑无损伤的工件表面。

现有技术中的磨削装置一般是使用固着磨粒的砂轮对样品工件进行磨削，磨削效果达不到日益增长的对石英玻璃型材的加工精度和表面质量的要求，此外，石英玻璃型材硬度高、断裂韧度差，是典型的硬脆难加工材料，操作不当时还会使石英玻璃型材表面存在的划痕、凹坑及亚表面的横向和纵向微裂纹等缺陷与损伤，严重时会影响其光学特性的稳定性和使用寿命等性能。因此，要研发出一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，进一步降低材料的表面粗糙度和消除亚表面损伤，具有优良的形状精度与表面质量。

中国专利申请号为 CN201820895226.6公开了一种用于石英玻璃磨削的金刚石砂轮，通过改进磨削装置的砂轮以来降低材料的表面粗糙度和提高使用寿命，没有提高用于石英玻璃型材的磨削装置的形状精度与表面质量、加工效率。

实用新型内容

实用新型目的：为了克服以上不足，本实用新型的目的是提供一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，结构简单，使用方便，结构简单，采用激光加热辅助磨削的方式，解决了现有技术中砂轮磨削装置在加工石英玻璃型材时由于石英玻璃脆性高、断裂韧性低、强度高导致的缺陷、损伤，通过激光发生器发出的激光加热来提高石英玻璃型材的温度，石英玻璃型材的强度、硬度通常随温度的升高而降低，使材料易于去除，从而提高加工效率，提高了其表面完整性和磨削表面质量，应用前景广泛。

技术方案：一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，包括加热机构、磨削机构；所述加热机构包括激光发生器、支撑箱、冷水机；所述激光发生器固定安装在支撑箱上方，所述激光发生器用铝板罩进行密封，所述支撑箱左侧设置有冷水机，所述冷水机与激光发生器连接；所述磨削机构包括三轴直线电机平台、电主轴装置和刀具装置，所述三轴直线电机平台设置在支撑箱右侧并且所述三轴直线电机平台的X、Y、Z轴三个方向采用光栅尺进行回零运动和运动反馈调节；所述电主轴装置和刀具装置安装在所述三轴直线电机平台的XZ 平面上，石英玻璃型材安装于所述电主轴装置上并且水平于三轴直线电机平台的XZ 平面，石英玻璃型材的左侧朝向激光发生器发出的激光和右侧朝向刀具装置。

本实用新型所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，结构简单，采用激光加热辅助磨削的方式，解决了现有技术中砂轮磨削装置在加工石英玻璃型材时由于石英玻璃脆性高、断裂韧性低、强度高导致的缺陷、损伤，通过激光发生器发出的激光加热来提高石英玻璃型材的温度，石英玻璃型材的强度、硬度通常随温度的升高而降低，使材料易于去除，从而提高加工效率，提高了其表面完整性和磨削表面质量。

在激光发生器工作的过程中，本实用新型采用冷水机对激光发生器进行循环冷却，使激光发生器保持一个较低的稳定温度，保证了使用安全性和提高使用寿命，所述冷水机的冷却液可以采用去离子水。

本实用新型所述三轴直线电机平台为现有技术中的常见装置，其在X、Y、Z轴三个方向是采用光栅尺进行回零运动和运动反馈调节，满足石英玻璃型材的加工精度要求。此外，所述三轴直线电机平台的X、Y、Z轴三轴可以进行联动，能完成基本的直线运动和圆弧运动。

进一步的，上述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，所述激光发生器为CO2脉冲激光器并且采用大功率开关电源供电。

本实用新型所述的激光发生器采用CO2脉冲激光器，这是因为CO2激光的波长为10.6μm，石英玻璃型材的振动波长在 9-11μm之间，因此CO2激光可以在石英玻璃型材工件表面上充分吸收。此外，CO2脉冲激光器的输出功率的大小可以通过调节占空比的大小来控制。调节方便。

进一步的，上述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，所述电主轴装置包括电主轴、弹簧夹头，所述电主轴垂直安装在所述三轴直线电机平台的Y 轴上，石英玻璃型材通过弹簧夹头装夹在所述电主轴上。

电主轴垂直安装在三轴直线电机平台的 Y 轴上，通过三轴直线电机平台的 Y 轴的运动来实现石英玻璃型材的进给速度。

进一步的，上述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，所述刀具装置包括刀架板、刀杆、磨削刀具，所述刀架板安装连接在所述三轴直线电机平台的XZ 平面上，所述刀杆通过夹具垂直安装在刀架板上并且朝向石英玻璃型材，所述磨削刀具安装在刀杆上并且朝向石英玻璃型材。

所述刀架板安装连接在所述三轴直线电机平台的XZ 平面上，通过三轴直线电机平台的X 轴调整刀架板上的磨削刀具的切削深度和通过Z 轴调整磨削刀具的对刀。磨削刀具可拆卸的安装在刀杆上，可以根据需要进行选择，灵活性高。

进一步的，上述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，所述加热机构还包括激光外光路，所述激光外光路安装在支撑箱内并且位于激光发生器的下方；所述支撑箱四周外壳采用铁皮进行封装。

由于激光发生器体积较大，不方便经常对激光发生器整体进行位置调节，因此在激光发生器下方设置有激光外光路，通过激光外光路对调节激光发生器发出激光的光斑大小和光束位置，提高了灵活性。激光外光路安装在支撑箱内，并且支撑箱四周外壳采用铁皮进行封装减小激光的辐射，避免激光对操作者的意外伤害。

进一步的，上述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，所述激光外光路包括反射装置和聚焦装置、激光光嘴，所述激光发生器发出的激光经下方的反射装置反射后经聚焦装置聚焦后进入激光光嘴，所述激光光嘴穿设所述支撑箱并且朝向石英玻璃型材。

进一步的，上述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，所述反射装置由若干个个反射镜和若干个个位置调节支架组成；所述聚焦装置由聚焦镜和调节支架组成。

本实用新型所述反射装置由若干个个反射镜和相对应的位置调节支架组成，反射镜的个数、直径可以根据实际需要进行选择，通过反射镜相对应的位置调节支架可以微调反射镜的角度，实现了激光光束方向的调节，让激光沿石英玻璃型材径向位置打在石英玻璃型材表面，对石英玻璃型材进行软化；聚焦装置由聚焦镜和调节支架组成，聚焦镜的直径、焦距可以根据实际需要进行选择，聚焦镜对反射装置反射出来的光束进行聚焦，通过改变出聚焦镜与石英玻璃型材之间的距离来实现光斑大小调节，同时可以调节光斑的能量密度。

本实用新型的有益效果为：

（1）本实用新型所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，结构简单，使用方便，结构简单，采用激光加热辅助磨削的方式，解决了现有技术中砂轮磨削装置在加工石英玻璃型材时由于石英玻璃脆性高、断裂韧性低、强度高导致的缺陷、损伤，通过激光发生器发出的激光加热来提高石英玻璃型材的温度，石英玻璃型材的强度、硬度通常随温度的升高而降低，使材料易于去除，从而提高加工效率，提高了其表面完整性和磨削表面质量，应用前景广泛；

（2）本实用新型所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，采用冷水机对激光发生器进行循环冷却，使激光发生器保持一个较低的稳定温度，保证了使用安全性和提高使用寿命；

（3）本实用新型所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，在激光发生器下方设置有激光外光路，通过激光外光路对调节激光发生器发出激光的光斑大小和光束位置，提高了灵活性。激光外光路安装在支撑箱内，并且支撑箱四周外壳采用铁皮进行封装减小激光的辐射，避免激光对操作者的意外伤害。

附图说明

图1为本实用新型所述石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型所述石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置的部分结构示意图；

图中：加热机构1、磨削机构2、激光发生器11、支撑箱12、冷水机13、激光外光路14、反射装置141、聚焦装置142、激光光嘴143三轴直线电机平台21、电主轴装置22、电主轴221、弹簧夹头222、刀具装置23、刀架板231、刀杆232、磨削刀具233、石英玻璃型材a。

具体实施方式

下面结合附图1、2和具体实施例，进一步阐明本实用新型。

如图1、2所示的上述结构的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，包括加热机构1、磨削机构2；所述加热机构1包括激光发生器11、支撑箱12、冷水机13；所述激光发生器11固定安装在支撑箱12上方，所述激光发生器11用铝板罩进行密封，所述支撑箱12左侧设置有冷水机13，所述冷水机13与激光发生器11连接；所述磨削机构2包括三轴直线电机平台21、电主轴装置22和刀具装置23，所述三轴直线电机平台21设置在支撑箱12右侧并且所述三轴直线电机平台21的X、Y、Z轴三个方向采用光栅尺进行回零运动和运动反馈调节；所述电主轴装置22和刀具装置23安装在所述三轴直线电机平台21的XZ 平面上，石英玻璃型材安装于所述电主轴装置22上并且水平于三轴直线电机平台21的XZ 平面，石英玻璃型材的左侧朝向激光发生器11发出的激光和右侧朝向刀具装置23。

此外，所述激光发生器11为CO2脉冲激光器并且采用大功率开关电源供电。

此外，所述电主轴装置22包括电主轴221、弹簧夹头222，所述电主轴221垂直安装在所述三轴直线电机平台21的Y 轴上，石英玻璃型材通过弹簧夹头222装夹在所述电主轴221上。

此外，所述刀具装置23包括刀架板231、刀杆232、磨削刀具233，所述刀架板231安装连接在所述三轴直线电机平台21的XZ 平面上，所述刀杆232通过夹具垂直安装在刀架板231上并且朝向石英玻璃型材，所述磨削刀具233安装在刀杆232上并且朝向石英玻璃型材。

进一步的，所述加热机构1还包括激光外光路14，所述激光外光路14安装在支撑箱12内并且位于激光发生器11的下方；所述支撑箱12四周外壳采用铁皮进行封装。

进一步的，所述激光外光路14包括反射装置141和聚焦装置142、激光光嘴143，所述激光发生器11发出的激光经下方的反射装置141反射后经聚焦装置142聚焦后进入激光光嘴143，所述激光光嘴143穿设所述支撑箱12并且朝向石英玻璃型材。

进一步的，所述反射装置141由若干个个反射镜和若干个个位置调节支架组成；所述聚焦装置142由聚焦镜和调节支架组成。

实施例

基于以上的结构基础，如图1、2所示。

本实用新型所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，结构简单，使用方便，采用激光加热辅助磨削的方式，解决了现有技术中砂轮磨削装置在加工石英玻璃型材时由于石英玻璃脆性高、断裂韧性低、强度高导致的缺陷、损伤，通过激光发生器11发出的激光加热来提高石英玻璃型材的温度，石英玻璃型材的强度、硬度通常随温度的升高而降低，使材料易于去除，从而提高加工效率，提高了其表面完整性和磨削表面质量。

其中，在激光发生器11工作的过程中，本实用新型采用冷水机13对激光发生器11进行循环冷却，使激光发生器11保持一个较低的稳定温度，保证了使用安全性和提高使用寿命，所述冷水机13的冷却液可以采用去离子水。

此外，本实用新型所述三轴直线电机平台21为现有技术中的常见装置，其在X、Y、Z轴三个方向是采用光栅尺进行回零运动和运动反馈调节，满足石英玻璃型材的加工精度要求。此外，所述三轴直线电机平台21的X、Y、Z轴三轴可以进行联动，能完成基本的直线运动和圆弧运动。由于三轴直线电机平台21为现有技术中的常见装置，本实用新型在这里就不对其结构、组成进行具体的说明，以及三轴直线电机平台21的X、Y、Z轴在附图中也没有进行图示。

进一步的，所述电主轴装置22包括电主轴221、弹簧夹头222，电主轴22垂直安装在三轴直线电机平台21的 Y 轴上，通过三轴直线电机平台21的 Y 轴的运动来实现石英玻璃型材的进给。

进一步的，所述刀架板231安装连接在所述三轴直线电机平台21的XZ 平面上，通过三轴直线电机平台21的X 轴调整刀架板231上的磨削刀具233的切削深度和通过Z 轴调整磨削刀233具的对刀。磨削刀具233可拆卸的安装在刀杆232上，可以根据需要进行选择，灵活性高。

进一步的，本实用新型所述的激光发生器11采用CO2脉冲激光器，这是因为CO2激光的波长为 10.6μm，石英玻璃型材的振动波长在 9-11μm之间，因此CO2激光可以在石英玻璃型材工件表面上充分吸收。此外，CO2脉冲激光器的输出功率的大小可以通过调节占空比的大小来控制。调节方便。

进一步的，由于激光发生器11体积较大，不方便经常对激光发生器整体进行位置调节，因此在激光发生器11下方设置有激光外光路14，通过激光外光路14对调节激光发生器11发出激光的光斑大小和光束位置，提高了灵活性。激光外光路14安装在支撑箱12内，并且支撑箱12四周外壳采用铁皮进行封装减小激光的辐射，避免激光对操作者的意外伤害。

进一步的，所述激光外光路14包括反射装置141和聚焦装置142、激光光嘴143。所述反射装置141由若干个个反射镜和相对应的位置调节支架组成，反射镜的个数、直径可以根据实际需要进行选择，通过反射镜相对应的位置调节支架可以微调反射镜的角度，实现了激光光束方向的调节，让激光沿石英玻璃型材径向位置打在石英玻璃型材表面，对石英玻璃型材进行软化；聚焦装置142由聚焦镜和调节支架组成，聚焦镜的直径、焦距可以根据实际需要进行选择，聚焦镜对反射装置反射出来的光束进行聚焦，通过改变出聚焦镜与石英玻璃型材之间的距离来实现光斑大小调节，同时可以调节光斑的能量密度。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (7)

1.一种石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，其特征在于，包括加热机构（1）、磨削机构（2）；所述加热机构（1）包括激光发生器（11）、支撑箱（12）、冷水机（13）；所述激光发生器（11）固定安装在支撑箱（12）上方，所述激光发生器（11）用铝板罩进行密封，所述支撑箱（12）左侧设置有冷水机（13），所述冷水机（13）与激光发生器（11）连接；所述磨削机构（2）包括三轴直线电机平台（21）、电主轴装置（22）和刀具装置（23），所述三轴直线电机平台（21）设置在支撑箱（12）右侧并且所述三轴直线电机平台（21）的X、Y、Z轴三个方向采用光栅尺进行回零运动和运动反馈调节；所述电主轴装置（22）和刀具装置（23）安装在所述三轴直线电机平台（21）的XZ 平面上，石英玻璃型材安装于所述电主轴装置（22）上并且水平于三轴直线电机平台（21）的XZ 平面，石英玻璃型材的左侧朝向激光发生器（11）发出的激光和右侧朝向刀具装置（23）。

2.根据权利要求1所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，其特征在于，所述激光发生器（11）为CO2脉冲激光器并且采用大功率开关电源供电。

3.根据权利要求1所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，其特征在于，所述电主轴装置（22）包括电主轴（221）、弹簧夹头（222），所述电主轴（221）垂直安装在所述三轴直线电机平台（21）的Y 轴上，石英玻璃型材通过弹簧夹头（222）装夹在所述电主轴（221）上。

4.根据权利要求3所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，其特征在于，所述刀具装置（23）包括刀架板（231）、刀杆（232）、磨削刀具（233），所述刀架板（231）安装连接在所述三轴直线电机平台（21）的XZ 平面上，所述刀杆（232）通过夹具垂直安装在刀架板（231）上并且朝向石英玻璃型材，所述磨削刀具（233）安装在刀杆（232）上并且朝向石英玻璃型材。

5.根据权利要求1所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，其特征在于，所述加热机构（1）还包括激光外光路（14），所述激光外光路（14）安装在支撑箱（12）内并且位于激光发生器（11）的下方；所述支撑箱（12）四周外壳采用铁皮进行封装。

6.根据权利要求5所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，其特征在于，所述激光外光路（14）包括反射装置（141）和聚焦装置（142）、激光光嘴（143），所述激光发生器（11）发出的激光经下方的反射装置（141）反射后经聚焦装置（142）聚焦后进入激光光嘴（143），所述激光光嘴（143）穿设所述支撑箱（12）并且朝向石英玻璃型材。

7.根据权利要求6所述的石英玻璃型材的高效可控精密磨削装置，其特征在于，所述反射装置（141）由若干个个反射镜和若干个个位置调节支架组成；所述聚焦装置（142）由聚焦镜和调节支架组成。

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