專利名稱：一種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光技術領域，尤其是一種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)及方法。
背景技術：
現(xiàn)代制造技術是一個國家發(fā)展經濟的重要手段之一，也是衡量一個國家工業(yè)水平高低的重要依據(jù)。從目前來看，現(xiàn)代制造技術的發(fā)展主要呈現(xiàn)兩個趨勢一個是追求制造系統(tǒng)自動化的計算機集成制造技術；另一個就是尋求制造系統(tǒng)微細加工極限的微機械制造技術。隨著國民經濟和科學技術的發(fā)展，人們對產品小型化和精密化的要求也越來越高，作為現(xiàn)代制造技術發(fā)展兩大趨勢之一的微細加工技術，在航空航天、醫(yī)學、傳感器、精密 模具、生物技術、微電子器件制造等方面有著廣泛的應用。例如隨著人類社會不斷發(fā)展進步，人們的環(huán)保意識正越來越強，各國對柴油機排放的廢氣所造成的環(huán)境污染越來越重視，柴油機的排放法規(guī)日趨嚴格，而噴油嘴噴孔加工質量直接影響柴油機的燃油噴射和燃燒性能，所用的噴油嘴噴孔直徑也越來越小，目前IOum量級的直徑尺寸的小孔，鉆削加工噴孔或電火花加工噴孔的方式將越來越難以適應。激光加工是一門21世紀發(fā)展極快的制造新技術，各國政府和工業(yè)部門都非常重視激光器和激光加工技術設備的發(fā)展。在微細加工領域，激光加工還具備其他任何技術都無法比擬的技術優(yōu)勢，它區(qū)別于傳統(tǒng)的激光材料加工，它是一個多光子吸收的過程，非線性作用過程占主導地位，因此具有不可比擬的優(yōu)點。在制造尺寸很小的孔的方面，已經有一系列非接觸、無摩擦的技術，它們使用了緊密聚焦的光束，這些技術已經在微電子制造工藝和發(fā)動機零件的制造中建立了一定地位。如果小孔必須是圓錐形，將遇到特別的困難，因為在打孔方向上直徑不斷在增加。為了進行螺旋式打孔，專門打孔的光學裝置能夠以可變的旋轉直徑來對激光光束進行旋轉。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)及方法，其采用超短脈沖激光旋轉微加工制作精細圓孔，能夠解決傳統(tǒng)的機械和電火花加工精細圓孔等加工手段的技術缺陷，徹底改變目前精細圓錐形孔毛刺多，精度難以控制以及可靠性不強等缺點。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的這種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)，包括激光發(fā)生單元、激光偏轉單元、激光旋轉單元、錐度控制單元和激光加工單元；所述激光發(fā)生單元產生一束短脈沖激光給激光偏轉單元的入射端，所述激光偏轉單元將短脈沖激光進行偏轉后由其出射端發(fā)送給激光旋轉單元的入射端；所述激光旋轉單元使激光光束旋轉并由其出射端射向錐度控制單元的入射端，所述錐度控制單元修正激光束與光軸之間的水平距離，然后激光束由錐度控制單元出射端射向激光加工單元上的被加工工件。上述激光偏轉單元包括激光全反鏡、楔形鏡和楔形鏡驅動電機，所述激光全反鏡將激光發(fā)生單元產生的超短脈沖激光反射至楔形鏡上；所述楔形鏡由楔形鏡驅動電機帶動能夠繞垂直于光軸的軸線旋轉。上述激光旋轉單元包括棱鏡以及帶動所述棱鏡繞光軸旋轉的空心軸傳動電動機。所述棱鏡為道威棱鏡、阿貝棱鏡、V-棱鏡、施密特棱鏡、雙斜方棱鏡或雙光楔。上述錐度控制單元包括平板玻璃和平板玻璃驅動電機，所述平板玻璃驅動電機驅動平板玻璃旋轉消除出射光線偏離的距離。上述激光加工單元包括聚焦透鏡和三維移動平 臺；所述聚焦透鏡水平設置在三維移動平臺的上方，所述三維移動平臺上設置有調整樣品處于水平位置的調整架。本發(fā)明還提出一種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的方法，包括以下步驟I)產生一束超短脈沖激光；2)將超短脈沖激光束通過激光全反鏡反射后，通過楔形鏡垂直向下射出，以此時超短脈沖激光束所在的直線為激光旋轉軸；3)將超短脈沖激光束通過棱鏡后射向平板玻璃，平板玻璃通過偏轉來修正激光束與光軸之間的水平距離后，再經過聚焦透鏡使激光束射向被加工工件，所述棱鏡的入射光束與出射光束的光束方向一致，且入射點與出射點的連線與激光旋轉軸平行；此時調整加工工件使超短脈沖激光束與加工工件表面垂直；4)以垂直于光軸的軸線為旋轉軸轉動楔形鏡，使楔形鏡的出射光線與激光旋轉軸產生夾角；同時旋轉棱鏡，使棱鏡的出射光線繞激光旋轉軸旋轉；棱鏡與平板玻璃必須同步旋轉，同時偏轉的平板玻璃修正光束與光軸之間的水平距離且楔形鏡和平板玻璃同步偏轉；5)由平板玻璃射出的激光束通過聚焦透鏡后對被加工工件進行螺旋式打孔。本發(fā)明具有以下有益效果(I)本發(fā)明利用超短脈沖激光加工設備，采取光學系統(tǒng)裝置，實現(xiàn)激光光束以旋轉的方式來掃描，可以得到錐度可控的微圓孔。(2)本發(fā)明得到圓維形的小孔具有無毛刺，精度聞，效率聞、粗糖度聞、可罪性聞以及飛秒激光無熱影響區(qū)的優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明激光旋轉加工微型孔的示意圖；圖2是相對轉動的雙光楔示意圖；圖3是可以實現(xiàn)光束旋轉的其他棱鏡。其中，圖I中1_超短脈沖激光器；2_激光光束準直系統(tǒng)；3_光全反鏡；4_楔形鏡驅動電機；5_楔形鏡；6_棱鏡；7_棱鏡的空心軸傳動高速電動機；8_聚焦透鏡；9_工控計算機；10_ 二維移動平臺；11-平板玻璃驅動電機；12_待鉆孔樣品；13_平板玻璃，14-激光光束旋轉軸；A_實現(xiàn)激光光束旋轉的光電控制部分，A’ -實現(xiàn)激光光束偏轉的光電控制部分，是激光旋轉精細加工微小圓錐孔設備的核心；圖3中(a )阿貝棱鏡，(b ) V-棱鏡，(c )施密特棱鏡，(d )雙斜方棱鏡。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述本發(fā)明提出的激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)包括激光發(fā)生單元、激光偏轉單元、激光旋轉單元、錐度控制單元和激光加工單元；所述激光發(fā)生單元產生一束短脈沖激光給激光偏轉單元的入射端，激光偏轉單元將短脈沖激光進行偏轉后由其出射端發(fā)送給激光旋轉單元的入射端；激光旋轉單元使激光光束旋轉并由其出射端射向錐度控制單元的入射端，錐度控制單元修正激光束與光軸之間的水平距離，然后激光束由錐度控制單元出射端射向激光加工單元上的被加工工件。以下詳細介紹組成本發(fā)明系統(tǒng)的各個單元激光發(fā)生單元激光發(fā)生單元用于產生一束超短脈沖激光，其包括超短脈沖激光器I和激光光束 準直系統(tǒng)2，激光光束準直系統(tǒng)2設置于超短脈沖激光器I的激光束出射端，由超短脈沖激光器I發(fā)出一束激光束，進入激光光束準直系統(tǒng)2進行準直后射向激光偏轉單元。激光偏轉單元激光偏轉單元包括激光全反鏡3、楔形鏡5和楔形鏡驅動電機4，激光全反鏡3將激光發(fā)生單元產生的超短脈沖激光反射至楔形鏡5上；楔形鏡5由楔形鏡驅動電機4帶動能夠繞垂直于光軸的軸線旋轉。激光旋轉單元激光旋轉單元包括棱鏡6以及帶動所述棱鏡6繞光軸旋轉的空心軸傳動電動機7。空心軸傳動電動機7可選高速6000rmp電動機。在本發(fā)明的方案中，棱鏡6可以有多種選擇道威棱鏡、阿貝棱鏡、V-棱鏡、施密特棱鏡、雙斜方棱鏡或雙光楔。錐度控制單元錐度控制單元包括平板玻璃13和平板玻璃驅動電機11，平板玻璃驅動電機11驅動平板玻璃13旋轉消除出射光線偏離的距離。激光加工單元激光加工單元包括聚焦透鏡8和三維移動平臺10 ;聚焦透鏡8水平設置在三維移動平臺10的上方，所述三維移動平臺10上設置有調整樣品處于水平位置的調整架。本發(fā)明結構如圖I所示，超短脈沖激光器I輸出的激光光束經過光束準直系統(tǒng)2，然后入射到安裝有激光全反鏡3的金屬筒內，調整激光全反鏡的角度，當楔形鏡5處于初始位置(即其驅動電機4沒有工作時)使光束由楔形鏡5出射時的光束方向垂直向下，以此時光束所在的直線為激光旋轉軸14。設備工作時，道威棱鏡6在棱鏡空心軸傳動高速電機7的帶動下，圍繞激光光束旋轉軸做高速旋轉運動，此時由楔形鏡5出射的光束入射到道威棱鏡表面，由道威棱鏡的性質知，其入射光束與出射光束的光束方向一致，且入射點與出射點的連線與光束旋轉軸平行。若驅動電機4開始工作，使得楔形鏡如圖I所示旋轉方向旋轉一定的角度，將使楔形鏡5的出射光線與光束旋轉軸產生夾角，并致使道威棱鏡的出射光線偏離光束旋轉軸，本發(fā)明利用由驅動電機11控制的平板玻璃13旋轉消除出射光線偏離的距離。聚焦透鏡8將經校正的激光光束匯聚到代加工樣品12上，通過控制楔形鏡旋轉的角度并控制光束系統(tǒng)旋轉，此激光加工裝置能夠實現(xiàn)以可變的旋轉直徑來對激光光束進行旋轉，進行螺旋式打孔。
本激光加工設備的原理就是利用激光光束偏轉后，使用特殊的光學裝置進行激光光束旋轉，實現(xiàn)螺旋式打孔。其中實現(xiàn)激光光束偏轉的光電控制部分A’，是激光旋轉精細加工微小圓錐孔設備的核心，可以使用不同的方法來或得偏轉的光束，圖I中所示的是用電機控制楔形鏡在圍繞垂直于光束旋轉軸的軸向轉動來或得偏轉角；第二種方法是精密控制激光全反鏡3在初始位置左右小角度來回擺動實現(xiàn)光束偏轉；第三種方法是使用兩個相同規(guī)格的雙光楔，它們繞共同的入射光軸產生相對轉動時，產生光束偏轉并旋轉，如圖2所
/Jn o產生光束旋轉的部分，也可以根據(jù)不同的需求，更換實現(xiàn)激光光束旋轉的光電控制部分A的旋轉棱鏡，如圖3所示圖I裝置中的道威棱鏡，可以用圖3中的每種棱鏡替代，可以產生同樣的激光光束旋轉，實現(xiàn)螺旋式打孔。
在設備鉆孔過程中當旋轉棱鏡一次的時候，激光就旋轉兩次。若相對于旋轉軸將激光光束傾斜，通過聚焦透鏡后，光束將在激光光束旋轉的方向上刻畫出一個圓形。在與旋轉軸平行的方向上移動激光光束，激光光束將以一定的入射角來刻畫圓形。雙錐型旋轉光束深入到材料內部較深處，像螺旋式的階梯，在底部變得更寬。得到了質量很高的小孔。使用這項技術，可以得到圓錐形的小孔。本發(fā)明工作過程激光脈沖經過上述的光學系統(tǒng)，使得激光脈沖聚焦到待加工樣品表面。待加工樣品被固定在與調整架相連的樣品夾中，調整架與三維移動平臺相連，調整架用來保證入射光線與樣品間相互垂直。計算機控制的三維移動平臺控制樣品位置，并使其上表面初始位置在激光焦面上。設備工作過程中，通過光束準直系統(tǒng)微調激光聚焦面，并在各電機共同控制下，實現(xiàn)螺旋式打孔。各電機控制及光束準直系統(tǒng)在計算機控制下共同協(xié)作。
權利要求
1.一種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)，其特征在于，包括激光發(fā)生單元、激光偏轉單元、激光旋轉單元、錐度控制單元和激光加工單元；所述激光發(fā)生單元產生一束短脈沖激光給激光偏轉單元的入射端，所述激光偏轉單元將短脈沖激光進行偏轉后由其出射端發(fā)送給激光旋轉單元的入射端；所述激光旋轉單元使激光光束旋轉并由其出射端射向錐度控制單元的入射端，所述錐度控制單元修正激光束與光軸之間的水平距離，然后激光束由錐度控制單元出射端射向激光加工單元上的被加工工件。
2.根據(jù)權利要求I所述的激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光偏轉單元包括激光全反鏡(3 )、楔形鏡(5 )和楔形鏡驅動電機(4 )，所述激光全反鏡(3 )將激光發(fā)生單元產生的超短脈沖激光反射至楔形鏡(5)上；所述楔形鏡(5)由楔形鏡驅動電機(4)帶動能夠繞垂直于光軸的軸線旋轉。
3.根據(jù)權利要求I所述的激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光旋轉單元包括棱鏡(6)以及帶動所述棱鏡(6)繞光軸旋轉的空心軸傳動電動機(7)。
4.根據(jù)權利要求3所述的激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)，其特征在于，所述棱鏡(6 )為道威棱鏡、阿貝棱鏡、V-棱鏡、施密特棱鏡、雙斜方棱鏡或雙光楔。
5.根據(jù)權利要求I所述的激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)，其特征在于，所述錐度控制單元包括平板玻璃(13 )和平板玻璃驅動電機(11 )，所述平板玻璃驅動電機(11)驅動平板玻璃(13)旋轉消除出射光線偏離的距離。
6.根據(jù)權利要求I所述的激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光加工單元包括聚焦透鏡(8)和三維移動平臺(10);所述聚焦透鏡(8)水平設置在三維移動平臺(10)的上方，所述三維移動平臺(10)上設置有調整樣品處于水平位置的調整架。
7.一種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的方法，其特征在于包括以下步驟 I)產生一束超短脈沖激光； 2)將超短脈沖激光束通過激光全反鏡(3 )反射后，通過楔形鏡(5 )垂直向下射出，以此時超短脈沖激光束所在的直線為激光旋轉軸(14); 3)將超短脈沖激光束通過棱鏡(6)后射向平板玻璃(13)，平板玻璃(13)通過偏轉來修正激光束與光軸之間的水平距離后，再經過聚焦透鏡(8)使激光束射向被加工工件，所述棱鏡(6 )的入射光束與出射光束的光束方向一致，且入射點與出射點的連線與激光旋轉軸(14)平行；此時調整加工工件使超短脈沖激光束與加工工件表面垂直； 4)以垂直于光軸的軸線為旋轉軸轉動楔形鏡(5)，使楔形鏡(5)的出射光線與激光旋轉軸(14)產生夾角；同時旋轉棱鏡(6)，使棱鏡(6)的出射光線繞激光旋轉軸(14)旋轉；棱鏡(6)與平板玻璃(13)必須同步旋轉，同時偏轉的平板玻璃(13)修正光束與光軸之間的水平距離且楔形鏡(5)和平板玻璃(13)同步偏轉； 5)由平板玻璃(13)射出的激光束通過聚焦透鏡(8)后對被加工工件進行螺旋式打孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光束旋轉加工微小圓錐形孔的系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括激光發(fā)生單元、激光偏轉單元、激光旋轉單元、錐度控制單元和激光加工單元；所述激光發(fā)生單元產生一束短脈沖激光給激光偏轉單元的入射端，所述激光偏轉單元將短脈沖激光進行偏轉后由其出射端發(fā)送給激光旋轉單元的入射端；所述激光旋轉單元使激光光束旋轉并由其出射端射向錐度控制單元的入射端，所述錐度控制單元修正激光束與光軸之間的水平距離，然后激光束由錐度控制單元出射端射向激光加工單元上的被加工工件。本發(fā)明能夠解決傳統(tǒng)的機械和電火花加工精細圓孔等加工手段的技術缺陷，徹底改變目前精細圓錐形孔毛刺多，精度難以控制以及可靠性不強等缺點。
文檔編號B23K26/04GK102950385SQ20121047051
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權日2012年11月16日
發(fā)明者李明, 程光華, 楊小君 申請人:中科中涵激光設備(福建)股份有限公司