本發(fā)明涉及機械制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光旋切加工的裝置及方法。

背景技術(shù)：

激光加工是利用高能量激光束經(jīng)過透鏡聚焦后，在焦點上達到極高的能量密度作用在加工材料上，靠光熱效應(yīng)使待加工材料處于高溫并發(fā)生氣化進而達到切割或打孔的加工方法。激光加工時，在焦點處的材料達到上萬度的高溫，在如此高的溫度下，材料被瞬間熔化或氣化蒸發(fā)，材料的氣化物夾帶著熔化物噴濺而出，同時伴隨著爆炸和沖擊，在被加工零件上形成了加工痕跡。激光加工方法以其加工速度快、生產(chǎn)效率高、精度高、材料加工范圍廣泛、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，得到精細(xì)微加工行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

激光打孔技術(shù)是最早達到實用化的激光加工技術(shù)。由于激光打孔具有以上所述的顯著優(yōu)點，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著科學(xué)技的高速發(fā)展，激光鉆孔技術(shù)已經(jīng)在航天航空、汽車制造、電子儀表、食品藥品、化工和醫(yī)療器械等多種行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。所加工的零部件主要有：飛機機翼、飛機防冰系統(tǒng)、航空渦輪發(fā)動機燃燒室及渦輪葉片、儀表寶石軸承、集成電路板、燃油泵、噴油嘴、過濾器等。與其他打孔技術(shù)相比，激光打孔技術(shù)突出的特點是高能激光束能量集中，打孔效率高，孔徑調(diào)節(jié)方便，且在加工時不需要使用電解液等液體介質(zhì)，加工區(qū)域整潔，設(shè)備易實現(xiàn)多軸數(shù)控，具有較高的柔性以及較好的自動化程度，容易實現(xiàn)光、機、電一體化加工。

激光加工優(yōu)點很多，但仍有很多的不足。例如，激光打孔時，容易出現(xiàn)熔融物飛濺堆積在孔周圍、孔內(nèi)壁出現(xiàn)重鑄層、微裂紋，孔錐度較大等；激光切割時，由于錐度原因形成坡形切割邊。一般激光加工路徑中，單路徑打孔時，孔周圍殘留物或者孔內(nèi)毛刺較多，不論是圓形孔還是方形孔，這種濺射物的殘留都存在，而且在激光入口端的濺射物殘留較為嚴(yán)重。這些濺射物的殘留是由激光加工過程中液態(tài)材料的噴濺導(dǎo)致的。在加工中，液態(tài)材料在激光脈沖作用產(chǎn)生的壓強下發(fā)生濺射，從孔邊緣濺出并最終形成附著在孔邊緣的濺出物。在微孔加工中，相對較厚的材料來說，若材料鉆孔直徑與厚度之比達到1：5以上，由于激光光斑較小，切割縫隙也較小，加工時材料不能完全氣化去除，即使通過激光旋切的方法將待加工孔輪廓處的材料熔融為液態(tài)材料，孔內(nèi)的材料也難以從孔內(nèi)噴出。

綜上，激光在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對于脈沖激光打孔或激光切割時存在的缺陷和不足，加工路徑的設(shè)計是非常必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種激光旋切加工的裝置，克服現(xiàn)有的激光加工工藝加工效率低、加工質(zhì)量差等缺陷。

為此目的，本發(fā)明提出了一種激光旋切加工的裝置，包括：激光器、螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片和聚焦鏡；所述激光器用于發(fā)射脈沖激光；所述脈沖激光經(jīng)過所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片和聚焦鏡后聚焦在待加工材料的表面；

所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片包括繞同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的第一光楔和第二光楔，使經(jīng)過所述聚焦鏡聚焦后的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圓周運動；

其中，所述旋轉(zhuǎn)軸與所述脈沖激光的光軸同軸；所述聚焦鏡與所述待加工材料之間的距離隨著所述待加工材料的加工深度的增加而相應(yīng)減小，使所述聚焦光斑始終位于所述待加工材料的表面；改變所述第一光楔與第二光楔的相對角度決定所述聚焦光斑作圓周運動的半徑大小。

優(yōu)選的，該裝置還包括：互相連接的控制系統(tǒng)和探測系統(tǒng)；

所述探測系統(tǒng)用于探測所述待加工材料的位置；

所述控制系統(tǒng)用于根據(jù)所述待加工材料的位置以及預(yù)設(shè)的切割形狀，確定切割路徑。

優(yōu)選的，該裝置還包括：三維移動平臺；所述三維移動平臺用于承載所述待加工材料；

所述控制系統(tǒng)還用于根據(jù)所述切割路徑控制所述三維移動平臺移動。

優(yōu)選的，該裝置還包括：吸氣系統(tǒng)，所述吸氣系統(tǒng)設(shè)置在所述三維移動平臺的上方，用于吸走加工過程中產(chǎn)生的殘渣。

優(yōu)選的，所述聚焦光斑作圓周運動的直徑最大值與所述聚焦光斑的直徑之和為加工形成的目標(biāo)孔徑的尺寸。

優(yōu)選的，所述聚焦光斑作螺旋圓周運動，相鄰兩環(huán)形路徑之間的間距小于等于所述聚焦光斑的直徑。

優(yōu)選的，該裝置還包括：依次設(shè)置的光閘、擴束鏡、孔徑光闌；所述激光器發(fā)射的脈沖激光依次經(jīng)過所述光閘、擴束鏡、孔徑光闌后進入所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片。

優(yōu)選的，該裝置還包括：驅(qū)動所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動電機。

另一方面，本發(fā)明實施例還提供了一種采用上述任意一種所述的激光旋切加工的裝置進行激光旋切加工的方法，該方法包括：

通過激光器用于發(fā)射脈沖激光；

通過螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片將經(jīng)過聚焦鏡聚焦后的聚焦光斑在待加工材料的表面作圓周運動；其中，所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片包括繞同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的第一光楔和第二光楔；所述旋轉(zhuǎn)軸與所述脈沖激光的光軸同軸；

改變所述第一光楔與第二光楔的相對角度控制所述聚焦光斑作圓周運動的半徑大?。?/p>

隨著所述待加工材料的加工深度的增加，控制所述聚焦鏡與所述待加工材料之間的距離相應(yīng)減小，使所述聚焦光斑始終位于所述待加工材料的表面。

優(yōu)選的，該方法還包括：

探測所述待加工材料的位置；

根據(jù)所述待加工材料的位置以及預(yù)設(shè)的切割形狀，確定切割路徑；

根據(jù)所述切割路徑控制用于承載所述待加工材料的三維移動平臺移動。

本發(fā)明實施例提供的激光旋切加工的裝置及方法，通過利用螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片的聚焦光路，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)聚焦光斑的聚焦位置和運動軌跡，精確控制聚焦光斑隨著切割深度的增加而相應(yīng)下降，從而使聚焦光斑始終位于待加工材料的表面，使待加工的位置始終處于脈沖激光能量匯聚處，進而使切割碎屑污染小，獲得良好的切割截面質(zhì)量，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案，可以克服傳統(tǒng)切割中存在的加工效率低、錐度大、重鑄層大、易產(chǎn)生污染和易損壞器件等缺點。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例提供的激光旋切加工的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的激光旋切加工的加工路徑的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的另一種激光旋切加工的加工路徑的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的激光旋切加工方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種激光旋切加工的裝置，該裝置可以用于旋切打孔和掃描切割，該裝置包括：激光器1、螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6和聚焦鏡9；所述激光器1用于發(fā)射脈沖激光；所述脈沖激光經(jīng)過所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6和聚焦鏡9后聚焦在待加工材料12的表面；

所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6包括繞同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的第一光楔61和第一光楔62，使經(jīng)過所述聚焦鏡9聚焦后的聚焦光斑在所述待加工材料12的表面作圓周運動；

其中，所述旋轉(zhuǎn)軸與所述脈沖激光的光軸同軸；所述聚焦鏡9與所述待加工材料12之間的距離隨著所述待加工材料12的加工深度的增加而相應(yīng)減小，使所述聚焦光斑始終位于所述待加工材料12的表面；改變所述第一光楔61與第一光楔62的相對角度決定所述聚焦光斑作圓周運動的半徑大小。

需要說明的是，如圖2所示，螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6包括第一光楔61和第一光楔62，舉例來說，圖2中的第一光楔61和第一光楔62的主截面平行且異相設(shè)置，經(jīng)過第一光楔61和第一光楔62后的光束為與光軸平行的光束，通過改變第一光楔61或第一光楔62的偏轉(zhuǎn)角，可以改變經(jīng)過第一光楔62出射的光束的方向，從而改變聚焦后，聚焦光斑與光軸之間的距離，由于第一光楔61和第一光楔62繞光軸旋轉(zhuǎn)，所以形成的聚焦光斑也繞光軸作圓周運動形成光圈，圓周運動的半徑為聚焦光斑與光軸之間的距離。因此通過改變第一光楔61或第一光楔62的偏轉(zhuǎn)角，可以改變光圈的半徑大小，即可以改變作圓周運動的半徑。

進一步需要說明的是，為了使光學(xué)聚焦焦點始終在被加工的材料上表面上，實現(xiàn)最優(yōu)化的高效運用激光器1的能量，隨著加工深度的增加，需要調(diào)節(jié)焦點相應(yīng)下降，使焦點始終處于被加工材料表面。由于焦點的下降并同時作圓周運動，因此可以形成如圖3、4所示的螺旋光圈。其中，為了使焦點下降，可以通過改變聚焦鏡9與待加工材料12之間的距離，使聚焦鏡9的高度下降，縮小聚焦鏡9與待加工材料12之間的距離，從而使焦點下移。

具體的，通過調(diào)節(jié)螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6的偏轉(zhuǎn)角可以控制一次切割的切割道的寬度，經(jīng)過多次反復(fù)最終可以調(diào)制出合適的切割道寬度，提高切割效率，根據(jù)加工材料的屬性和加工方式(切割或打孔)可以設(shè)計不同的加工路徑和掃描方向。一般切割道寬度為聚焦光斑直徑的5-8倍即可。旋切打孔工藝是指打孔時沿著圓形路徑反復(fù)掃描，切割深度不斷加深，使材料逐層去除，對于旋切打孔，聚焦光斑掃描方向從內(nèi)到外，即螺旋光圈半徑逐漸增大，形成的目標(biāo)孔徑大小為螺旋光圈的直徑最大值與聚焦光斑的直徑之和，即目標(biāo)孔徑尺寸等于聚焦光斑作圓周運動的直徑最大值與聚焦光斑的直徑之和。若要切割出一定直徑的圓形材料，則聚焦光斑的掃描方向由外向內(nèi)，螺旋光圈半徑逐漸減小。進一步的，如圖3、4所示，聚焦光斑作螺旋圓周運動，相鄰兩環(huán)形路徑之間的間距a不能超過光斑直徑尺寸，即相鄰兩環(huán)形路徑之間的間距小于等于所述聚焦光斑的直徑，從而確保路徑之間的材料都能被掃描到并被去除。

其中，本發(fā)明實施例所采用的待加工材料12，可以是金屬材料、玻璃或類似玻璃的易碎、硬質(zhì)材料。所采用的激光器1可以為高頻率超短脈沖的皮秒激光器或飛秒激光器。超短脈沖激光短于絕大多數(shù)化學(xué)和物理反應(yīng)，比如機械和熱力學(xué)的特征時間等，峰值功率極高，由于超短激光脈沖與物質(zhì)相互中和產(chǎn)生獨特的多光子吸收過程，所以其加工精度可以突破相干極限的瓶頸，從而使納米加工和相應(yīng)微/納電子、微/納光學(xué)的許多構(gòu)想成為可能。而超快激光脈沖序列可以控制電離過程、選擇性地電離原子、控制分子中基態(tài)轉(zhuǎn)動等。

需要說明的是，采用高頻超短脈沖激光加工與傳統(tǒng)加工方法相比，具有許多獨到之處：

(1)加工范圍不受材料物理、機械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料。

(2)易于加工復(fù)雜型面、微細(xì)表面以及柔性零件。

(3)聚焦光斑小，易獲得良好的切割截面質(zhì)量，切割碎屑污染小，熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)等均比較小。

(4)各種加工方法易復(fù)合形成新工藝方法，便于推廣應(yīng)用。

綜上，本發(fā)明實施例提供的激光旋切加工的裝置，通過利用螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片的聚焦光路，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)聚焦光斑的聚焦位置和運動軌跡，精確控制聚焦光斑隨著切割深度的增加而相應(yīng)下降，從而使聚焦光斑始終位于待加工材料的表面，使待加工的位置始終處于脈沖激光能量匯聚處，進而使切割碎屑污染小，獲得良好的切割截面質(zhì)量，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案，可以克服傳統(tǒng)切割中存在的加工效率低、錐度大、重鑄層大、易產(chǎn)生污染和易損壞器件等缺點。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實施例提供的激光旋切加工的裝置還包括：互相連接的控制系統(tǒng)和探測系統(tǒng)8；

所述探測系統(tǒng)8用于探測所述待加工材料12的位置；

所述控制系統(tǒng)用于根據(jù)所述待加工材料12的位置以及預(yù)設(shè)的切割形狀，確定切割路徑。

具體的，探測系統(tǒng)8可以為同軸CCD對位觀察系統(tǒng)，如圖1所示，探測系統(tǒng)8與脈沖激光束的光軸同軸設(shè)置，從而可以準(zhǔn)確定位待加工材料12與光軸之間的位置關(guān)系。其中，控制系統(tǒng)可以將加工圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，形成實際切割路徑，在加工開始前，探測系統(tǒng)8可以采集待加工材料12的位置圖像信息，控制系統(tǒng)利用抓耙程序抓取待加工材料12上的定位標(biāo)志，計算補償值，實現(xiàn)所需的切割圖形和實際切割路徑的精確匹配。

進一步的，本發(fā)明實施例提供的裝置還包括三維移動平臺13；所述三維移動平臺13用于承載所述待加工材料12；

所述控制系統(tǒng)還用于根據(jù)所述切割路徑控制所述三維移動平臺13移動。

具體的，控制系統(tǒng)將切割圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后驅(qū)動三維平臺移動，形成切割道，同時，同軸CCD對位觀察系統(tǒng)實現(xiàn)切割圖形和實際切割道的精確匹配，并在加工時也能實時觀察加工進程和效果。

進一步的，本發(fā)明實施例提供的裝置還包括：吸氣系統(tǒng)10，所述吸氣系統(tǒng)10設(shè)置在所述三維移動平臺13的上方，用于吸走加工過程中產(chǎn)生的殘渣。具體的，在加工材料時，在激光劃線形成切割道前，可以將壓縮氣體沿著切割道吹下，將材料上的雜質(zhì)吹走，并通過設(shè)置在三維移動平臺13正上方的吸氣系統(tǒng)10將加工過程中產(chǎn)生殘渣吸走，其中，吸氣系統(tǒng)10可以與光軸同軸設(shè)置，以便將切割殘渣吸出，將殘渣對材料表面的影響降到最低，以提高激光旋切加工材料的工藝重復(fù)性和穩(wěn)定性。所以本發(fā)明采用新的思維方式，重新設(shè)計了脈沖激光旋切加工方案，輔以同軸輔助氣體，實現(xiàn)激光加工效果的提升，旋切加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)較理想的孔形精度。

進一步的，本發(fā)明實施例提供的裝置還包括：依次設(shè)置的光閘2、擴束鏡3、孔徑光闌4；所述激光器1發(fā)射的脈沖激光依次經(jīng)過所述光閘2、擴束鏡3、孔徑光闌4后進入所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6。

如圖1所示，激光器1發(fā)出的脈沖激光可以經(jīng)過電動光閘2，由電動光閘2控制開關(guān)光，具體的，可以由軟件控制感應(yīng)信號來控制光閘2的開啟和關(guān)閉，從而實現(xiàn)激光器1的外部控制激光開關(guān)；脈沖激光經(jīng)過光閘2后再經(jīng)過電動擴束鏡3對光束進行同軸擴束，一方面改善光束傳播的發(fā)散角，達到光路準(zhǔn)直的目的，另一方面，可以控制激光最終聚焦光斑的大小，從而得到理想的光斑大小，實現(xiàn)激光穩(wěn)定切割的目的。經(jīng)過擴束鏡3擴束后光束經(jīng)過孔徑光闌4，擋去邊緣質(zhì)量較差的光。之后可以通過兩片45度全反射鏡51、52，使光路垂直改向，然后再入射到螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6，其中，該裝置還包括：驅(qū)動所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動電機7，螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6的高速旋轉(zhuǎn)使形成的聚焦光斑做圓周運動，改變螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6的兩個光楔的相對角度可以控制聚焦光斑做圓周運動的半徑大小。脈沖激光經(jīng)過螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6后可以通過1片45度全反射鏡53使光路垂直改向，然后經(jīng)過聚焦鏡9聚焦后聚焦在待加工材料12的上表面。隨著加工深度的增加，通過改變聚焦鏡9與待加工材料12之間的距離，使聚焦光斑下降，從而使聚焦光斑作螺旋圓周運行，形成如圖3、4所示的螺旋光圈。

通過采用高重復(fù)頻率、超短脈沖激光器1發(fā)射脈沖激光，并通過螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6將聚焦光斑高速旋轉(zhuǎn)起來，隨著切割深度的變化，聚焦光斑的下降，形成如圖3、4所示的螺旋光圈。聚焦光斑不同行進速度下，形成如圖3和圖4所示，不同的密集程度的螺旋光圈，獲得可調(diào)節(jié)的切割線間距，并形成重復(fù)切割，提高切割效率。對于不同的材料，激光的去除能力不同，需要控制聚焦光斑采用不同的進行速度，形成不同的重復(fù)率的螺旋光圈進行有效切割。其中，驅(qū)動電機7通常的轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分，切割材料時聚焦光斑的行進速度選擇2-4毫米/秒，加工效率較高。螺旋光圈的直徑選擇過大會造成激光加工面積的增大，影響加工效率，光圈過小也會造成光無法往下聚焦，不容易切穿材料，所以光圈直徑和加工材料的厚度比一般選擇1:2時加工效率較高。

如圖1所示，可以在三維移動平臺13上方設(shè)置CCD照明燈11，便于同軸CCD對位觀察系統(tǒng)探測到清晰的待加工材料12的位置圖像信息，便于進行加工過程和加工效果的觀察。

另一方面，如圖5所示，本發(fā)明實施例提供了一種采用上述實施例提供的激光旋切加工的裝置進行激光旋切加工的方法，該方法包括：

S1：通過激光器1用于發(fā)射脈沖激光；

S2：通過螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6將經(jīng)過聚焦鏡9聚焦后的聚焦光斑在待加工材料12的表面作圓周運動；其中，所述螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片6包括繞同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的第一光楔61和第一光楔62；所述旋轉(zhuǎn)軸與所述脈沖激光的光軸同軸；

S3：改變所述第一光楔61與第一光楔62的相對角度控制所述聚焦光斑作圓周運動的半徑大??；

S4：隨著所述待加工材料12的加工深度的增加，控制所述聚焦鏡9與所述待加工材料12之間的距離相應(yīng)減小，使所述聚焦光斑始終位于所述待加工材料12的表面。

進一步的，該方法還包括：

探測所述待加工材料12的位置；

根據(jù)所述待加工材料12的位置以及預(yù)設(shè)的切割形狀，確定切割路徑；

根據(jù)所述切割路徑控制用于承載所述待加工材料12的三維移動平臺13移動。

本發(fā)明實施例提供的激光旋切加工的方法，通過利用螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片的聚焦光路，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)聚焦光斑的聚焦位置和運動軌跡，精確控制聚焦光斑隨著切割深度的增加而相應(yīng)下降，從而使聚焦光斑始終位于待加工材料的表面，使待加工的位置始終處于脈沖激光能量匯聚處，進而使切割碎屑污染小，獲得良好的切割截面質(zhì)量，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案，可以克服傳統(tǒng)切割中存在的加工效率低、錐度大、重鑄層大、易產(chǎn)生污染和易損壞器件等缺點。

雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。