一种单晶金刚石曲面精密加工方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种单晶金刚石曲面精密加工方法及系统，包括脉冲光纤激光器、扩束镜、聚焦透镜、三维精密运动平台、球状弹性研磨体、冷却液与触媒混合循环装置和计算机；所述冷却液与触媒混合循环装置包括搅拌机构和液流循环装置机构，搅拌机构用于将冷却液与触媒混合均匀，液流循环机构用于回收使用过的触媒和冷却液，并将使用过的触媒和冷却液送回搅拌机构；本发明专利技术利用激光动态烧蚀和触媒定点作用实现了单晶金刚石不同位置的差异性石墨化，并配合研磨的方式持续去除石墨，大大提高了单晶金刚石的加工效率，解决了单晶金刚石硬度极高而难以加工成曲面的行业难题，为单晶金刚石曲面加工提供了新方法和新装置。

【技术实现步骤摘要】
一种单晶金刚石曲面精密加工方法及系统
本专利技术涉及金刚石加工领域，尤其涉及一种单晶金刚石曲面精密加工方法及系统。
技术介绍
金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是目前在地球上发现的最坚硬的物质。单晶金刚石具有自然界最高的硬度、刚性、折射率和导热系数，以及极高的抗磨损性和化学稳定性等优越特性，在机械加工、光学材料、电子电器、宝石加工等领域被广泛应用，并且在光、热、电、声等高新
中的应用前景非常广阔。单晶金刚石在光学方面的性能特别优异，如高折射率、高杨氏模量、低热膨胀系数、高击穿电场等，使金刚石光学器件加工的研究在世界范围内得到广泛重视；但是，金刚石具有极其强烈的各向异性，金刚石同一晶面不同晶向的性能差异巨大，且硬度、刚性、耐磨性极高，给金刚石光学器件的加工，尤其是曲面加工带来了极大的困难。目前，机械研磨法是应用最广泛、技术条件最成熟的加工金刚石的方法，主要工作形式一般是将微细的金刚石磨粒涂覆在高速旋转的铸铁研磨盘上，被加工的金刚石晶体以一定的压力与研磨盘接触，通过金刚石磨粒与金刚石晶体表面的对磨实现对金刚石晶体的加工，但是，该方法效率极低，表面研磨质量较差，且无法实现曲面的加工；申请号201810534195.6的专利，公开了一种3D自由曲面金刚石加工机，虽然能够加工出不同的曲面，但仍属于机械对磨的范畴，无法克服金刚石硬度极高、极其耐磨的困难，无法实现高效、高质量加工。近年来兴起的新型激光加工技术在金刚石领域的应用多局限于切割和开槽，无法应用于金刚石表面的正常加工；申请号CN201910847236.1的专利，公开了一种激光原位辅助单晶金刚石典型晶面的研磨方法，利用激光法辅助机械研磨法，虽然克服了金刚石难磨的困难，实现了高效研磨，但并不能应用于曲面加工。目前行业内尚无任何一种方法或装置可以实现对单晶金刚石曲面的高效精密加工。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单晶金刚石曲面精密加工方法及系统，能够利用激光动态烧蚀配合触媒定点作用的方式使待加工金刚石设定部位石墨化，实现单晶金刚石曲面的高精度、高效率加工，解决目前单晶金刚石加工效率极低且无法加工曲面的难题。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种单晶金刚石曲面精密加工方法，包括以下步骤：步骤1：设置加工参数；依据待加工金刚石的待加工曲面几何尺寸特征构建3D曲面数据化模型，将该模型导入计算机，并在计算机内设置加工参数；所述加工参数包括加工节拍、脉冲光纤激光器的出光参数、球状弹性研磨体和待加工金刚石的旋转方式和速率、冷却液与触媒混合物的流量和搅拌速率；所述脉冲光纤激光器的出光参数包括功率参数、Q频参数和脉宽参数；步骤2：初始化加工装置；将待加工金刚石放置于加工工位上，调整三维精密运动平台坐标，带动脉冲光纤激光器、扩束镜和聚焦透镜移动，使激光束聚焦在待加工金刚石去除材料最多的位置，以该位置作为加工参考点；步骤3：生成加工轨迹；以激光束聚焦在加工参考点时三维精密运动平台的坐标作为起始点坐标，在计算机内将起始点坐标对应代入步骤1所述的3D曲面数据化模型，计算三维精密运动平台的运动轨迹；步骤4：去除待加工金刚石表面材料；脉冲光纤激光器在设置的功率参数、Q频参数、脉宽参数条件下发射激光束，激光束透过待加工金刚石聚焦在加工表面并通过热传导在加工表面产生高温；冷却液与触媒混合循环装置按照设置的流量和搅拌速率工作，将混合均匀的冷却液和触媒持续、稳定地浇注在待加工金刚石和球状弹性研磨体的接触部；球状弹性研磨体和待加工金刚石按照设置的旋转方式和速率转动，使冷却液和触媒混合物在加工表面形成均匀的液膜，并研磨去除掉待加工金刚石在高温和触媒作用下碳化生成的石墨；三维精密运动平台按照步骤3计算出的运动轨迹匀速移动；步骤5：分层去除待加工金刚石材料；按照步骤4的控制过程对待加工金刚石表面进行加工，加工时长达到步骤1设置的加工节拍时间后，计算机控制三维精密运动平台带动脉冲光纤激光器向远离待加工金刚石的方向移动，移动距离等于待加工金刚石加工参考点位置在当前时间的材料去除厚度；步骤6：重复步骤4和步骤5，直至脉冲光纤激光器按照设置的加工节拍时间向远离待加工金刚石的方向分段移动完指定距离后为止，所述移动指定距离等于待加工金刚石加工参考点的理论材料去除总厚度，完成待加工金刚石曲面的加工。一种单晶金刚石曲面精密加工系统，包括脉冲光纤激光器、扩束镜、聚焦透镜、三维精密运动平台、球状弹性研磨体、冷却液与触媒混合循环装置和计算机；脉冲光纤激光器，用于在计算机的控制下，发出固定波长的平行激光束，对待加工金刚石进行烧蚀加工；扩束镜，用于扩大脉冲光纤激光器生成的激光束直径；聚焦透镜，用于将平行激光束聚焦；三维精密运动平台，用于固定脉冲光纤激光器、扩束镜和聚焦透镜，并驱动脉冲光纤激光器、扩束镜和聚焦透镜在X、Y、Z的三维方向上运动，其中脉冲光纤激光器、扩束镜和聚焦透镜在三维精密运动平台依次排列，且透过聚焦透镜的激光束垂直射向待加工金刚石的加工曲面的背面；球状弹性研磨体，与待加工金刚石的加工曲面接触，用于对待加工金刚石的加工曲面进行研磨抛光，去除石墨化成分；冷却液与触媒混合循环装置，用于将冷却液与触媒搅拌混合均匀，并将混合均匀后的冷却液与触媒浇注在待加工金刚石和球状弹性研磨体的接触部；计算机，用于控制脉冲光纤激光器、三维精密运动平台、球状弹性研磨体和冷却液与触媒混合循环装置动作。所述冷却液与触媒混合循环装置包括搅拌机构和液流循环装置机构，搅拌机构用于将冷却液与触媒混合均匀，液流循环机构用于回收使用过的触媒和冷却液，并将使用过的触媒和冷却液送回搅拌机构。本专利技术的有益效果：本专利技术解决了单晶金刚石硬度极高而难以加工成曲面的行业难题，为单晶金刚石曲面加工提供了新方法和新装置；本专利技术利用激光动态烧蚀和触媒定点作用实现了单晶金刚石不同位置的差异性石墨化，并配合研磨的方式持续去除石墨，大大提高了单晶金刚石的加工效率；本专利技术针对不同的加工曲面，仅需调整加工运动轨迹，无需频繁更换硬件配件，通用性好，加工成本低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的方法流程图；图2为本专利技术的结构示意图；图3为本专利技术所述的圆弧曲面的示意图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1和图3所示：本专利技术所述的一种单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶金刚石曲面精密加工方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：设置加工参数；/n依据待加工金刚石的待加工曲面几何尺寸特征构建3D曲面数据化模型，将该模型导入计算机，并在计算机内设置加工参数；所述加工参数包括加工节拍、脉冲光纤激光器的出光参数、球状弹性研磨体和待加工金刚石的旋转方式和速率、冷却液与触媒混合物的流量和搅拌速率；所述脉冲光纤激光器的出光参数包括功率参数、Q频参数和脉宽参数；/n步骤2：初始化加工装置；/n将待加工金刚石放置于加工工位上，调整三维精密运动平台坐标，带动脉冲光纤激光器、扩束镜和聚焦透镜移动，使激光束聚焦在待加工金刚石去除材料最多的位置，以该位置作为加工参考点；/n步骤3：生成加工轨迹；/n以激光束聚焦在加工参考点时三维精密运动平台的坐标作为起始点坐标，在计算机内将起始点坐标对应代入步骤1所述的3D曲面数据化模型，计算三维精密运动平台的运动轨迹；/n步骤4：去除待加工金刚石表面材料；/n脉冲光纤激光器在设置的功率参数、Q频参数、脉宽参数条件下发射激光束，激光束透过待加工金刚石聚焦在加工表面并通过热传导在加工表面产生高温；冷却液与触媒混合循环装置按照设置的流量和搅拌速率工作，将混合均匀的冷却液和触媒持续、稳定地浇注在待加工金刚石和球状弹性研磨体的接触部；球状弹性研磨体和待加工金刚石按照设置的旋转方式和速率转动，使冷却液和触媒混合物在加工表面形成均匀的液膜，并研磨去除掉待加工金刚石在高温和触媒作用下碳化生成的石墨；三维精密运动平台按照步骤3计算出的运动轨迹匀速移动；/n步骤5：分层去除待加工金刚石材料；/n按照步骤4的控制过程对待加工金刚石表面进行加工，加工时长达到步骤1设置的加工节拍时间后，计算机控制三维精密运动平台带动脉冲光纤激光器向远离待加工金刚石的方向移动，移动距离等于待加工金刚石加工参考点位置在当前时间的材料去除厚度；/n步骤6：重复步骤4和步骤5，直至脉冲光纤激光器按照设置的加工节拍时间向远离待加工金刚石的方向分段移动完指定距离后为止，所述移动指定距离等于待加工金刚石加工参考点的理论材料去除总厚度，完成待加工金刚石曲面的加工。/n...

【技术特征摘要】
1.一种单晶金刚石曲面精密加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置加工参数；
依据待加工金刚石的待加工曲面几何尺寸特征构建3D曲面数据化模型，将该模型导入计算机，并在计算机内设置加工参数；所述加工参数包括加工节拍、脉冲光纤激光器的出光参数、球状弹性研磨体和待加工金刚石的旋转方式和速率、冷却液与触媒混合物的流量和搅拌速率；所述脉冲光纤激光器的出光参数包括功率参数、Q频参数和脉宽参数；
步骤2：初始化加工装置；
将待加工金刚石放置于加工工位上，调整三维精密运动平台坐标，带动脉冲光纤激光器、扩束镜和聚焦透镜移动，使激光束聚焦在待加工金刚石去除材料最多的位置，以该位置作为加工参考点；
步骤3：生成加工轨迹；
以激光束聚焦在加工参考点时三维精密运动平台的坐标作为起始点坐标，在计算机内将起始点坐标对应代入步骤1所述的3D曲面数据化模型，计算三维精密运动平台的运动轨迹；
步骤4：去除待加工金刚石表面材料；
脉冲光纤激光器在设置的功率参数、Q频参数、脉宽参数条件下发射激光束，激光束透过待加工金刚石聚焦在加工表面并通过热传导在加工表面产生高温；冷却液与触媒混合循环装置按照设置的流量和搅拌速率工作，将混合均匀的冷却液和触媒持续、稳定地浇注在待加工金刚石和球状弹性研磨体的接触部；球状弹性研磨体和待加工金刚石按照设置的旋转方式和速率转动，使冷却液和触媒混合物在加工表面形成均匀的液膜，并研磨去除掉待加工金刚石在高温和触媒作用下碳化生成的石墨；三维精密运动平台按照步骤3计算出的运动轨迹匀速移动；
步骤5：分层去除待加工金刚石材料；
按照步骤4的控制过程对待加工金刚石表面进行加工，加工时长达到步骤1设置的加工节拍时间后，计算机控制三维精密运动平台带动脉冲光纤激光器向远离待加工金刚石的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建辉，师超钰，
申请(专利权)人：郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41