光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术属于工件加工相关技术领域，其公开了光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法，所述微激光辅助加工系统包括激光发生器、壳体及加工刀具，所述激光发生器设置于所述壳体的一端，所述加工刀具连接于所述壳体的另一端所述加工刀具包括相连接的前刀面及后刀面，所述前刀面及所述后刀面之间的过渡部分形成有切削刃；所述激光发生器用于发射激光束，所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件。本发明专利技术结合了激光及单点车削工艺，降低了成本，提高了效率，延长了刀具使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法
本专利技术属于工件加工相关
，更具体地，涉及一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法。
技术介绍
近年来，非常流行用微激光辅助加工的方法加工传统方法难以加工的材料，相关的研究也越来越多。这些方法主要是通过向工件施加热量以引起工件材料的软化并促进工件的加工，且只有工件材料的待加工部分受到热量的作用，才不会对工件的剩余部分造成损伤。现有的微激光辅助加工方法大都要求将激光器和加工刀具分开放置，即在刀具与待加工区域接触之前用激光辐射加热和软化工件，这使得微激光辅助设备非常复杂，需要的激光器的功率大能耗大，价格昂贵且体积较大，不便于系统化的集成。如专利US4229640公开了一种通过使用切削刃和与之相邻的前刀面的切削工具加工工件的方法，加工刀具的前刀面从工件材料中提起切屑，其中将要被去除的工件材料的局部区域通过激光器加热，激光器和加工刀具布置在工件的被加热区域与加工刀具相邻的两个不同局部区域。该方法和装置需要大量的能量，因为需要至少大于材料的玻璃化转变温度或者高于多晶材料的热软化点的温度下才能实现材料的宏观变形，所以需要大功率(kW)的激光源。又如专利CN103567464A公开了激光加热辅助微车削装置及方法，所述激光加热辅助微车削装置包括旋转滑台、平动滑台、激光器和卡具，平动滑台固定在Y向滑台上，旋转滑台固定在平动滑台上，激光器通过卡具固定于旋转滑台上，激光器枪头轴线与机床刀具的刀尖所在铅直面共面，该方法将激光器与微车削装置结合，通过激光器的光线作用于微型刀尖前端，实现激光对待加工工件进行局部预热。一方面，该系统由于是特制的微车削装置，无法使之与现有的数控机床进行有效集成，适用范围较窄，且可加工的零件尺寸较小，待加工工件直径的取值范围为0.1mm～10mm；另一方面，激光器发出的光线作用在刀尖前端距刀尖一个光斑半径处的车削路径上，未能将激光和刀具进行有效耦合，能量利用效率不高。为了满足特定的几何形状、精度、表面完整性等要求，制造加工金属及其合金、陶瓷、玻璃、半导体和复合材料的需求日益凸显，一方面，金属及其合金材料由于其高断裂韧性，低硬度，无定向性，低孔隙率，高断裂应变和高冲击能量而更容易加工；另一方面，非金属，如陶瓷、半导体和光学晶体等材料的加工更具挑战性。例如，单晶硅具有坚硬、坚固、化学惰性和重量轻等特性，更重要的是其具有良好的光学性能，宽能带隙和较高的最大电流密度，这种性能的组合使其成为光学和光电行业的理想材料。由于单晶硅的高硬度、脆性特性和较差的机械加工性，加工硅而不引起表面和次表面损伤是非常难的，硅的加工主要受较高的加工成本和较低的产品可靠性限制，其中成本高主要是由于刀具昂贵，刀具磨损快，加工时间长，生产效率低及难以加工较高表面粗糙度和表面形貌造成的。相应地，本领域存在着发展一种经济高效的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法，其基于现有硬脆性材料的加工特点，研究及设计了一种经济高效的适用于脆硬性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法。所述微激光辅助加工系统的激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，如此增加了工件材料去除率的同时减小了加工过程中的切削力，结合了激光和单点车削工艺，结构简单，成本较低，延长了刀具使用寿命。此外，通过旋转所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮中的一个或者多个来控制所述激光束在所述加工刀具上的入射位置，使得激光束聚焦到切削刃或者偏向后刀面，以促进材料的塑性变形及热软化作用，提高材料去除率。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，所述微激光辅助加工系统包括激光发生器、壳体及加工刀具，所述激光发生器设置于所述壳体的一端，所述加工刀具连接于所述壳体的另一端所述加工刀具包括相连接的前刀面及后刀面，所述前刀面及所述后刀面之间的过渡部分形成有切削刃；所述激光发生器用于发射激光束，所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，实现了工件软化与加工的同时进行。进一步地，所述加工刀具包括激光束入射面，所述激光束入射面与所述切削刃分别位于所述加工刀具相背的两端；所述激光束自所述激光束入射面入射到所述加工刀具，且所述激光入射面上还设置有增透膜。进一步地，所述加工刀具包括连接于所述前刀面远离所述后刀面的一端的上表面，所述前刀面与所述上表面之间形成的夹角为前角，所述前角为大于90°且小于135°的大值负前角；或者为大于136°且小于165°的中度负前角；或者为大于166°且小于179°的小值负前角；或者为等于180°的零度前角；或者为大于181°且小于210°的正前角。进一步地，所述激光束折射到所述切削刃的入射角大于5°。进一步地，所述激光束折射到所述切削刃的入射角为7°。进一步地，所述入射角为32°，所述加工刀具的后角为5°。进一步地，所述微激光辅助加工系统还包括准直透镜、聚焦透镜、聚焦旋钮、刀具高度调节机构及旋转机构，所述准直透镜收容于所述壳体内，其通过光纤连接于所述激光发生器；所述聚焦透镜收容于所述壳体内，其位于所述加工刀具与所述准直透镜之间；所述聚焦旋钮连接于所述聚焦透镜，通过旋转所述聚焦旋钮来移动所述聚焦透镜，以调节光路焦点的位置；所述刀具高度调节机构连接于所述壳体，其用于调节所述加工刀具相对于所述工件及光路中心的位置；所述旋转机构连接于所述壳体，其用于带动所述切削刃以任意的角度旋转。进一步地，所述微激光辅助加工系统还包括光束定位台，所述光束定位台连接于所述聚焦透镜，其用于将所述激光束定位到所述切削刃；所述微激光辅助加工系统还包括收容于所述壳体内的X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮及Z轴调节旋钮，所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮分别与所述准直透镜及多个所述聚焦透镜相连接，通过旋转所述X轴调节旋钮、所述Y轴调节旋钮及所述Z轴调节旋钮中的一个或者多个来控制所述激光束在所述加工刀具上的入射位置。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统的使用方法，该使用方法包括以下步骤：判断待加工的工件材料的抗拉强度与抗压强度的大小，并根据判断结果来选择所述加工刀具的前角的角度值，以对待加工工件进行加工。进一步地，当工件材料的抗压强度大于抗拉强度时，选用的加工刀具的前刀面与上表面之间形成的前角的角度值为90°～165°；当工件材料的抗拉强度大于抗压强度时，选用的加工刀具的前刀面与上表面之间形成的前角的角度值为180°～210°。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的适用于硬磁性材料的微激光辅助加工系统及其使用方法主要具有以下有益效果：1.所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，如此增加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述微激光辅助加工系统包括激光发生器、壳体及加工刀具，所述激光发生器设置于所述壳体的一端，所述加工刀具连接于所述壳体的另一端所述加工刀具包括相连接的前刀面及后刀面，所述前刀面及所述后刀面之间的过渡部分形成有切削刃；所述激光发生器用于发射激光束，所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，实现了工件软化与加工的同时进行。

【技术特征摘要】
1.一种光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述微激光辅助加工系统包括激光发生器、壳体及加工刀具，所述激光发生器设置于所述壳体的一端，所述加工刀具连接于所述壳体的另一端所述加工刀具包括相连接的前刀面及后刀面，所述前刀面及所述后刀面之间的过渡部分形成有切削刃；所述激光发生器用于发射激光束，所述激光束穿过所述壳体后入射到所述加工刀具，并自所述切削刃及所述前刀面与所述后刀面中的至少一个面出射，出射后的激光束辐射到待加工的工件上以软化所述工件，实现了工件软化与加工的同时进行。2.如权利要求1所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述加工刀具包括激光束入射面，所述激光束入射面与所述切削刃分别位于所述加工刀具相背的两端；所述激光束自所述激光束入射面入射到所述加工刀具，且所述激光入射面上还设置有增透膜。3.如权利要求1所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述加工刀具包括连接于所述前刀面远离所述后刀面的一端的上表面，所述前刀面与所述上表面之间形成的夹角为前角，所述前角为大于90°且小于135°的大值负前角；或者为大于136°且小于165°的中度负前角；或者为大于166°且小于179°的小值负前角；或者为等于180°的零度前角；或者为大于181°且小于210°的正前角。4.如权利要求1-3任一项所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述激光束折射到所述切削刃的入射角大于5°。5.如权利要求4所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述激光束折射到所述切削刃的入射角为7°。6.如权利要求4所述的光学硬脆性材料的微激光辅助加工系统，其特征在于：所述入射角为32°，所述加工刀具的后角为5°。7.如权利要求1-3任一项所述的光学硬脆性材料的微...

【专利技术属性】
技术研发人员：许剑锋，陈肖，柯金洋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42