專利名稱：激光表面加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及工件表面的激光處理技術(shù)，更具體地說(shuō)，是涉及一種激光表面加
O
背景技術(shù)：
目前激光的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，有一類激光加工是以點(diǎn)或孔的排布為主的激光加工領(lǐng)域，就是把這些點(diǎn)或孔，按照一定排布方式延伸到一個(gè)區(qū)域。如果逐點(diǎn)加工，激光源發(fā)出的激光使用效率太低，以致影響到應(yīng)用，甚至為了提高效率，降低了激光加工點(diǎn)的質(zhì)量或密度。在這些應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在通常采用激光脈沖工作方式，由于加工點(diǎn)和點(diǎn)之間是斷開的， 斷開區(qū)域?qū)す馐顷P(guān)斷狀態(tài)，所以激光加工是通、斷交替過(guò)程，這個(gè)就是激光器脈沖加工方式。在實(shí)際激光點(diǎn)加工中，我們通常需要的點(diǎn)的形貌是以圓心對(duì)稱的形貌點(diǎn)，如果我們采取逐點(diǎn)停下來(lái)加工，只能實(shí)現(xiàn)較慢的效率，再高的加工效率，只能采用在運(yùn)動(dòng)軌跡中， 控制激光出光與不出光，來(lái)完成點(diǎn)的加工。這樣就出現(xiàn)一種問(wèn)題見下圖圖1是在激光在關(guān)斷中的時(shí)序中在加工面上形成的激光路徑，由于激光有熱效應(yīng)，均勻向外擴(kuò)張一段區(qū)域見圖2中，實(shí)際出現(xiàn)在加工面上的加工痕跡外廓圖形見圖2，我們發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的點(diǎn)是細(xì)長(zhǎng)條外貌。如果要做出比較圓的形貌點(diǎn)，就要較小，我們知道Ax1=At1X運(yùn)動(dòng)速度。圖3 是取Δ、四分之一的形貌點(diǎn)形貌，如果把運(yùn)動(dòng)速度也降到四分之一，同樣能形成圖3的形貌點(diǎn)，此處形貌點(diǎn)圓度高多了，如果把At1和運(yùn)動(dòng)速度再降低，形貌點(diǎn)會(huì)更加圓。減少At1 數(shù)值，加工形貌點(diǎn)具有較好的圓度，但在保證點(diǎn)的能量的前提下，必須加大激光功率，加大激光功率肯定不是技術(shù)人員所希望的。另外時(shí)間At1減少，功率加大，在點(diǎn)的形成過(guò)程已經(jīng)出現(xiàn)被加工物體的氣化和爆炸現(xiàn)象，(注解如果需要這樣的氣化和爆炸點(diǎn)，本實(shí)用新型同樣可以實(shí)現(xiàn)，而且效率同樣會(huì)提高)，這樣的毛化點(diǎn)或形貌造型點(diǎn)的形貌是帶毛刺和比較銳利的，這樣的毛化點(diǎn)或形貌造型點(diǎn)耐磨性不好，對(duì)降低摩擦力也是不利的。如果減少運(yùn)動(dòng)速度，會(huì)帶來(lái)加工速度大幅的降低。這些因數(shù)已經(jīng)嚴(yán)重的限制了這類技術(shù)的使用和推廣，如激光毛化或形貌造型應(yīng)用領(lǐng)域。激光毛化或形貌造型技術(shù)是利用激光在物體表面加工非常微小的點(diǎn)，這些點(diǎn)有凸凹等形貌，在極高的加溫和冷卻速度的情況下，這些凸凹點(diǎn)的淬火硬度可以做到極高，這些點(diǎn)是密集排布，毛化或形貌造型的表面能改變面與面的之間的摩擦性能，既可以提高摩擦系數(shù)，也可以降低摩擦系數(shù)，同樣也可以提高摩擦件的使用壽命，這與毛化點(diǎn)的形貌、硬度及分布密度有關(guān)系，如發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，摩擦面經(jīng)過(guò)毛化或形貌造型處理的摩擦壽命能大幅或成倍的提高，大大延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，提高的多少，和點(diǎn)的形貌有非常大的關(guān)系，形貌點(diǎn)的不好，如有毛刺和比較銳利的形貌點(diǎn)，可能是反作用，致使這項(xiàng)技術(shù)無(wú)法實(shí)施。工件表面摩擦性能、硬度等物理性能與加工點(diǎn)的形貌有關(guān)系。激光源的使用壽命和利用率與激光源關(guān)斷頻率高低有關(guān)系；為了追求比較圓或或質(zhì)量比較高的的形貌點(diǎn)，激光器需要保持較高的關(guān)斷頻率，這導(dǎo)致的激光源的具有較低使用壽命和較低使用效率。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是解決上述問(wèn)題，提供一種激光表面加工裝置。激光表面加工裝置，包括發(fā)射M路激光束的激光源、將每路激光束分切成沿時(shí)間軸分布、循環(huán)照射的N組激光的分光裝置，分光裝置包括將M路激光束形成循環(huán)掃描激光的掃描光學(xué)裝置、改變循環(huán)掃描激光方向的折反光學(xué)裝置，其中M > 1，N > 2。進(jìn)一步地，所述激光表面加工裝置還包括聚焦光學(xué)裝置，所述分光裝置輸出的 MXN組激光經(jīng)聚焦光學(xué)裝置聚焦后輸出。進(jìn)一步地，所述聚焦光學(xué)裝置是P個(gè)聚焦鏡片，其中MXN>P> 1。進(jìn)一步地，所述聚焦光學(xué)裝置是可調(diào)節(jié)位置、能將MXN組激光聚攏或發(fā)散的光學(xué)元件。進(jìn)一步地，所述折反光學(xué)裝置是具有MXN個(gè)面的反射鏡或MXN個(gè)反射鏡或MXN 個(gè)折射鏡。激光表面加工方法，激光源發(fā)射M路激光束，每路激光束經(jīng)分光裝置分光后，形成沿時(shí)間軸分布、循環(huán)照射的N組激光，MXN組激光作用于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件表面，其中M > 1， N彡2。進(jìn)一步地，所述分光裝置包括用形成循環(huán)掃描激光的掃描光學(xué)裝置、改變循環(huán)掃描激光方向的折反光學(xué)裝置。更進(jìn)一步地，所述折反光學(xué)裝置是具有MXN個(gè)面的反射鏡或MXN個(gè)反射鏡或 MXN個(gè)折射鏡。進(jìn)一步地，所述掃描光學(xué)裝置是具有回轉(zhuǎn)功能或往復(fù)功能的鏡片；更具體的，所述掃描光學(xué)裝置是擺動(dòng)鏡。進(jìn)一步地，所述掃描光學(xué)裝置是可轉(zhuǎn)動(dòng)的、鏡面按照周期或圓周分布的多面鏡。進(jìn)一步地，MXN組激光經(jīng)聚焦光學(xué)裝置聚焦后作用于工件表面。更進(jìn)一步的，所述聚焦光學(xué)裝置是可調(diào)節(jié)位置、能將MXN組激光聚攏或發(fā)散的光學(xué)元件，通過(guò)調(diào)節(jié)所述聚焦光學(xué)裝置從而改變工件表面激光光斑大小或激光加工點(diǎn)的分布密度。特別地，所述聚焦光學(xué)裝置根據(jù)工件表面距離實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光光斑大小或激光加工點(diǎn)的分布密度。用激光改變物體表面摩擦狀態(tài)的方法，其采用了前述任一激光表面加工方法。本實(shí)用新型提供的激光表面加工裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)1、由于本實(shí)用新型中的分光技術(shù)能克服了激光源間歇式工作的技術(shù)缺陷，能保證激光源處于持續(xù)工作狀態(tài)，延長(zhǎng)了激光源的使用壽命，提高了激光源的利用率，同時(shí)也提高了表面加工的效率。2、本實(shí)用新型中的聚焦光學(xué)裝置中的聚焦光學(xué)元件位置可調(diào)節(jié)技術(shù)， 能快速、方便地改變工件表面激光光斑大小、激光加工點(diǎn)的分布密度。3、工作中的激光表面加工裝置能根據(jù)工件表面距離實(shí)時(shí)調(diào)劑聚焦光學(xué)裝置，保證激光光斑大小、激光加工點(diǎn)的分布密度的一致性。4、具有回轉(zhuǎn)功能或往復(fù)功能的鏡片能在單周期內(nèi)輸出更加無(wú)序的激光加工點(diǎn)，能滿足無(wú)序性表面毛化加工領(lǐng)域的特殊需求。

[0020]圖1是在激光在關(guān)斷中的時(shí)序中在加工面上形成的激光路徑圖示；圖2是實(shí)際出現(xiàn)在加工面上的加工痕跡圖示；圖3是Δ、是圖2中Δ、四分之一時(shí)形貌點(diǎn)的形貌圖示；圖4是激光表面加工裝置原理圖；圖5是多面鏡反射激光束示意圖；圖6是多面鏡出光擺動(dòng)范圍的原理圖；圖7是具有N個(gè)面的反射鏡工作原理圖；圖8是加工點(diǎn)在工件上的1000倍放大分布圖圖9是實(shí)施例1表面加工痕跡；圖10是擺動(dòng)鏡工作原理圖；圖11是實(shí)施例2表面加工痕跡；圖12是組合光學(xué)元件工作光路圖；圖13是凹面鏡工作原理圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1激光表面加工裝置，如圖4所示，包括發(fā)射3路激光束的激光源5、將每路激光束分切成沿時(shí)間軸分布的、循環(huán)照射的N組激光的分光裝置(N ^ 2)、聚焦光學(xué)裝置。分光裝置包括將3路激光束形成循環(huán)掃描激光的掃描光學(xué)裝置、改變循環(huán)掃描激光方向的折反光學(xué)裝置。掃描光學(xué)裝置具體為轉(zhuǎn)動(dòng)的的多面鏡1 ；折反光學(xué)裝置為3個(gè)具有N個(gè)面的反射鏡 2 ；聚焦光學(xué)裝置是可調(diào)節(jié)位置、能將3XN組激光聚攏或發(fā)散的光學(xué)元件，本實(shí)施中光學(xué)元件具體選用凸透鏡3。通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦光學(xué)裝置內(nèi)部的位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(圖4中未示出位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))，實(shí)現(xiàn)凸透鏡3位置的變化，從而實(shí)現(xiàn)改變工件表面激光光斑大小、激光加工點(diǎn)的分布密度的目的。工作原理激光表面加工裝置的激光源發(fā)出的3路激光束照射在分光裝置中的轉(zhuǎn)動(dòng)的多面鏡上；如圖5所示，3路激光束投射到轉(zhuǎn)動(dòng)的多面鏡1上后，被多面鏡1反射出，形成具有一定角度的激光掃描區(qū)域，即形成一出光擺動(dòng)范圍，多面鏡1形成該出光擺動(dòng)范圍的原理圖見圖6 ；參閱圖7，3個(gè)具有N個(gè)面的反射鏡2的3XN個(gè)面設(shè)置在3路激光束出光擺動(dòng)范圍內(nèi)，將擺動(dòng)的激光分成3XN組并反射至凸透鏡3，3XN組激光經(jīng)凸透鏡3聚焦后照射在待加工工件4的表面上形成3XN個(gè)加工點(diǎn)，圖8是加工點(diǎn)9在工件4上的1000倍放大分布圖；本實(shí)施例中的凸透鏡3可根據(jù)加工點(diǎn)的工藝要求預(yù)先調(diào)整位置，使得改變工件表面激光光斑大小、激光加工點(diǎn)的分布密度。特別的，本實(shí)施例提供的裝置還能加工具有凹凸不平加工表面的工件，聚焦光學(xué)裝置能在加工過(guò)程中根據(jù)工件表面凹凸?fàn)顟B(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整凸透鏡3的位置，使得投射在工件表面的光斑保持一致大小，從而保證工件表面加工的一致性。本實(shí)施例所提供的激光表面加工裝置，在聚焦光學(xué)裝置保持固定的情況下，投射到工件4表面上的加工痕跡具有圖9所示的加工痕跡，這種加工痕跡在每個(gè)加工周期內(nèi)高度有序排列。實(shí)施例2
5[0038]激光表面加工裝置，本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，分光裝置中將3路激光束形成循環(huán)掃描激光的掃描光學(xué)裝置不是采用轉(zhuǎn)動(dòng)的多面鏡，取而代之的是往復(fù)擺動(dòng)的擺動(dòng)鏡，擺動(dòng)鏡是一往復(fù)擺動(dòng)的平面鏡，其工作原理如圖10所示，擺動(dòng)鏡6往復(fù)擺動(dòng)將投射到擺動(dòng)鏡6上的激光反射出，形成夾角為θ的激光掃描區(qū)域。本實(shí)施例提供的激光表面加工裝置，在聚焦光學(xué)裝置保持固定的情況下，投射到工件4表面上的加工痕跡具有圖11所示的加工痕跡，在每個(gè)加工周期內(nèi)這種加工痕跡與實(shí)施例1相比具有較高的無(wú)序性，這種單周期內(nèi)加工痕跡無(wú)序性排列的方式在無(wú)序性表面毛化加工領(lǐng)域具有很好的工藝性能。實(shí)施例3激光表面加工裝置，本實(shí)施例子與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，聚焦光學(xué)裝置的光學(xué)元件采用如圖12所示的組合光學(xué)元件7，組合光學(xué)元件7是由多個(gè)光學(xué)元件組合而成的。實(shí)施例4激光表面加工裝置，本實(shí)施例子與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，聚焦光學(xué)裝置的光學(xué)元件采用如圖13所示的凹面鏡8。實(shí)施例5激光表面加工方法，采用實(shí)施例1所提供的激光表面加工裝置，激光表面加工裝置的激光源發(fā)出的3路激光束照射在分光裝置中的轉(zhuǎn)動(dòng)的多面鏡上；如圖5所示，3路激光束投射到轉(zhuǎn)動(dòng)的多面鏡1上后，被多面鏡1反射出，形成具有一定角度的激光掃描區(qū)域，即形成一出光擺動(dòng)范圍，多面鏡1形成該出光擺動(dòng)范圍的原理圖見圖6 ；參閱圖7，3個(gè)具有N 個(gè)面的反射鏡2的3ΧΝ個(gè)面設(shè)置在3路激光束出光擺動(dòng)范圍內(nèi)，將擺動(dòng)的激光分成3ΧΝ組并反射至凸透鏡3，3XN組激光經(jīng)凸透鏡3聚焦后照射在運(yùn)動(dòng)的工件4的表面上，形成3XN 個(gè)加工點(diǎn)。實(shí)施例6本實(shí)施例與實(shí)施例5基本相同，不同之處在于工件4的表面為不規(guī)則曲面，加工過(guò)程中聚焦光學(xué)裝置的位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)凸透鏡3的位置保證激光投射到工件4表面的光斑大小及分布密度相同。以上內(nèi)容是結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.激光表面加工裝置，其特征是包括發(fā)射M路激光束的激光源、將每路激光束分切成沿時(shí)間軸分布、循環(huán)照射的N組激光的分光裝置，分光裝置包括將M路激光束形成循環(huán)掃描激光的掃描光學(xué)裝置、改變循環(huán)掃描激光方向的折反光學(xué)裝置，其中M > 1，N > 2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面加工裝置，其特征是所述激光表面加工裝置還包括聚焦光學(xué)裝置，所述分光裝置輸出的MXN組激光經(jīng)聚焦光學(xué)裝置聚焦后輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面加工裝置，其特征是所述聚焦光學(xué)裝置是P個(gè)聚焦鏡片，其中MXN>P彡1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面加工裝置，其特征是所述聚焦光學(xué)裝置是可調(diào)節(jié)位置、能將MXN組激光聚攏或發(fā)散的光學(xué)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面加工裝置，其特征是所述折反光學(xué)裝置是具有 M X N個(gè)面的反射鏡或MXN個(gè)反射鏡或MXN個(gè)折射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面加工裝置，其特征是所述掃描光學(xué)裝置是具有回轉(zhuǎn)功能或往復(fù)功能的鏡片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光表面加工裝置，其特征是所述掃描光學(xué)裝置是擺動(dòng)鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面加工裝置，其特征是所述掃描光學(xué)裝置是可轉(zhuǎn)動(dòng)的、鏡面按照周期或圓周分布的多面鏡。
專利摘要本實(shí)用新型涉及工件表面的激光處理技術(shù)，公開了一種激光表面加工裝置，內(nèi)置的激光源發(fā)射出的M路激光束，經(jīng)分光裝置分光后，形成沿時(shí)間軸分布的、循環(huán)照射的M×N組激光，M×N組激光經(jīng)折反光學(xué)裝置改變方向后投射到工件表面，本實(shí)用新型能保證激光源處于持續(xù)工作狀態(tài)，延長(zhǎng)了激光源的使用壽命，提高了激光源的利用率，同時(shí)也提高了表面加工的效率；其中M≥1，N≥2。
文檔編號(hào)G02B26/10GK201970014SQ20112001424
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者張志杰 申請(qǐng)人:施政輝