一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种硬脆材料加工方法，具体涉及一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法及系统。克服传统单点扫描加工存在的加工精度低、加工效率低的问题，方法包括：安装工件、调平待加工的硬脆材料工件、确定激光焦点位置、确定加工程序及加工。系统包括四轴运动平台及激光加工系统；激光加工系统包括飞秒激光器，依次设置在飞秒激光器出射光路中的扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、空间光调制器、二向色镜、二色相镜、二维扫描振镜及场镜。本发明专利技术基于扫描振镜实现线扫描加工，C轴每转一定角度，即可实现该角度下所有单槽一层的加工，C轴旋转360度，即可实现螺纹一层的加工；相对于单点扫描本发明专利技术的加工效率及加工精度均有很大提升。

【技术实现步骤摘要】
一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法及系统
本专利技术涉及一种硬脆材料加工方法，具体涉及一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法及系统。
技术介绍
硬脆材料由于加工难、易碎，目前使用化学腐蚀、离子束刻蚀或超快激光加工的方法进行加工。但化学腐蚀存在加工精度低、工序复杂及化洗液存在污染的问题；离子束刻蚀通过掩模加工，加工精度完全取决于掩模精度。超快激光加工是一种非接触式的加工，对材料无选择性，基本所有实体材料都可加工。由于其独特的物理效应与物质作用的特殊机理，超快激光制造的热效应与热扩散小，加工无重铸层与微裂纹，实现了真正意义上的激光“冷”加工。螺纹属于功能性结构，其加工精度直接影响了最终器件的使用寿命。利用超快激光可在硬脆材料表面加工螺纹。但是传统加工方法通过单点扫描方式实现，由于机床各轴运动速度限制，使得单点扫描加工效率低；并且单点扫描加工深度不容易控制，导致加工精度低。
技术实现思路
为了克服利用传统单点扫描加工方法在硬脆材料表面加工螺纹时，存在的加工精度低、加工效率低的问题，本专利技术提供一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法及系统。本专利技术的技术方案是提供一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1、安装工件；将待加工的硬脆材料工件安装至四轴运动平台的C轴上；步骤2、调平待加工的硬脆材料工件；步骤3、确定激光焦点位置；步骤4、确定加工程序；利用激光参数以及待加工的螺纹参数计算单槽加工参数，并确定四轴运动平台的C轴运行轨迹、扫描振镜扫描轨迹及四轴运动平台的Z轴运行轨迹；步骤4.1、确定单槽加工参数；将单槽定义为：沿螺纹轴向中心抛开，两个相邻螺牙之间的槽；其中单槽加工参数包括沿单槽深度方向的扫描次数n及每次扫描长度L′；a、确定沿单槽深度方向的扫描次数n：将单槽沿槽深方向分为n层，每一层的厚度与扫描振镜扫描一次能够加工的深度Δh相等；因此，沿单槽深度方向的扫描次数即为n，n＝h/Δh，其中h为单槽深度；b、确定沿单槽深度方向扫描时，每次扫描长度L′：L′＝L1-(i-1)×ΔL，其中ΔL为沿单槽深度方向的相邻两次扫描长度的变化量，ΔL＝(L1-L)/n；i为当前扫描的次数，i≤n；L1为首次扫描长度，对应螺纹牙底沿螺纹轴向方向的长度值；L为第n次扫描长度，对应螺纹牙顶沿螺纹轴向方向的长度值；步骤4.2、确定四轴运动平台的C轴运行轨迹、扫描振镜扫描轨迹及四轴运动平台的Z轴运行轨迹；C轴运行轨迹：C轴每一次的旋转角度为(360°×x)/2000πR；其中R为加工螺纹的外半径，单位为毫米；x为光斑尺寸，单位为微米；扫描振镜的扫描轨迹：C轴每旋转一次至相应加工位置后，扫描振镜沿X轴从起始位置扫描至终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1-(i-1)×ΔL，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；不同的加工位置对应的扫描振镜在X轴的起始位置不同，当C轴旋转360°后，扫描振镜的起始位置与初始起始位置相差一个螺距P；Z轴运行轨迹：C轴每旋转360°，四轴运动平台的Z轴上升Δh的高度；步骤5、加工；步骤5.1、螺纹第一层扫描加工；步骤5.11、启动加工系统，四轴运动平台的C轴保持不动；控制扫描振镜按照扫描轨迹，沿X轴从初始起始位置扫描至初始终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；步骤5.12、加工结束后，C轴旋转(360°×x)/2000πR角度，到下一个加工位置，扫描振镜沿X轴从第二起始位置扫描至第二终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；步骤5.13、重复步骤5.12)的操作，直到C轴旋转360°后，螺纹第一层扫描加工结束；步骤5.2、第二层扫描加工；调节Z轴上升Δh的高度，重复步骤5.1)的操作；其中，每一次扫描的长度为L1-ΔL，转台旋转360°后，螺纹第二层加工结束；步骤5.3、第三层……第n层扫描加工；重复步骤5.2)的操作，直到整个螺纹加工结束；第三层、第四层……第n层加工时，对应的每一次扫描的长度依次为L1-2ΔL，L1-3ΔL……L1-nΔL。为了进一步地提高加工精度，步骤5.3之后，还包括：使用测距传感器对螺纹深度进行测量，如果螺纹深度符合要求，则加工结束，Z轴回到初始位置；如果螺纹深度不够，则根据测量值与目标值的差值调用对应深度的加工程序，再次加工，直到深度符合设计要求。进一步地，步骤2包括以下过程：步骤2.1、利用同轴相机检测硬脆材料工件中心位置，调整四轴运动平台的手动位移台，将硬脆材料工件中心位置调整到同轴相机的中心位置，使得硬脆材料工件与X轴平行；步骤2.2、沿X轴移动测距传感器，根据测距传感器读数结合手动位移台将硬脆材料工件调平，使得硬脆材料工件与XY平面平行。进一步地，步骤3具体包括以下过程：步骤3.1、按设定步长调节四轴运动平台的Z轴坐标，在每一个Z轴坐标下使用激光在硬脆材料工件表面打点；步骤3.2、然后使用同轴相机观察不同坐标下的打点形貌，选取单点轮廓最清晰的点，该点对应的Z轴坐标即为焦点位置；步骤3.3、将Z轴坐标固定在焦点位置，使用测距传感器测量硬脆材料工件表面，并将该点清零；步骤3.4、后续调整Z轴坐标至测距传感器读数为零时，即为焦点位置。本专利技术还提供一种实现上述在硬脆材料表面加工螺纹的方法的系统，其特殊之处在于：包括四轴运动平台及激光加工系统；四轴运动平台用于固定待加工工件，并按照确定的加工程序进行工作；激光加工系统包括飞秒激光器，依次设置在飞秒激光器出射光路中的扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、空间光调制器、二向色镜、二色相镜、二维扫描振镜及场镜；激光加工系统还包括测距传感器及同轴视觉系统；飞秒激光器出光后通过扩束镜扩束，再经过第一反射镜和第二反射镜反射进入空间光调制器，将高斯光斑整成平顶光；接着光束进入二向色镜，融合测距传感器的测距光束进入二色相镜，再融合视觉系统光路，进入二维扫描振镜，最后通过场镜将激光聚焦到待加工工件表面。本专利技术的有益效果是：1、加工效率高；本专利技术基于扫描振镜实现线扫描加工，且C轴每转一定角度，即可实现该角度下所有单槽一层的加工，C轴旋转360度，即可实现螺纹一层的加工；相对于单点扫描加工的机床三轴运行，振镜的扫描速度快，且通过线扫描实现，因此本专利技术的加工效率有很大提升。2、加工精度高；单点扫描加工时需要YXC三轴联动实现，由于三个轴的运行距离较远，激光运行远距离会导致加工位置偏差最终会导致加工质量变低。而本专利技术利用扫描振镜在X方向扫描，机床的X轴固定，机床C轴每转一定角度，扫描振镜沿X方向的扫描长度及扫描深度固定，激光在整个加工过程中重叠率一致，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、安装工件；/n将待加工的硬脆材料工件安装至四轴运动平台的C轴上；/n步骤2、调平待加工的硬脆材料工件；/n步骤3、确定激光焦点位置；/n步骤4、确定加工程序；/n利用激光参数以及待加工的螺纹参数计算单槽加工参数，并确定四轴运动平台的C轴运行轨迹、扫描振镜扫描轨迹及四轴运动平台的Z轴运行轨迹；/n步骤4.1、确定单槽加工参数；/n将单槽定义为：沿螺纹轴向中心抛开，两个相邻螺牙之间的槽；其中单槽加工参数包括沿单槽深度方向的扫描次数n及每次扫描长度L′；/na、确定沿单槽深度方向的扫描次数n：/n将单槽沿槽深方向分为n层，每一层的厚度与扫描振镜扫描一次能够加工的深度Δh相等；因此，沿单槽深度方向的扫描次数即为n，n＝h/Δh，其中h为单槽深度；/nb、确定沿单槽深度方向扫描时，每次扫描长度L′：/nL′＝L1-(i-1)×ΔL，其中ΔL为沿单槽深度方向的相邻两次扫描长度的变化量，ΔL＝(L1-L)/n；i为当前扫描的次数，i≤n；L1为首次扫描长度，对应螺纹牙底沿螺纹轴向方向的长度值；L为第n次扫描长度，对应螺纹牙顶沿螺纹轴向方向的长度值；/n步骤4.2、确定四轴运动平台的C轴运行轨迹、扫描振镜扫描轨迹及四轴运动平台的Z轴运行轨迹；/nC轴运行轨迹：C轴每一次的旋转角度为(360°×x)/2000πR；其中R为加工螺纹的外半径，单位为毫米；x为光斑尺寸，单位为微米；/n扫描振镜的扫描轨迹：C轴每旋转一次至相应加工位置后，扫描振镜沿X轴从起始位置扫描至终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1-(i-1)×ΔL，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；不同的加工位置对应的扫描振镜在X轴的起始位置不同，当C轴旋转360°后，扫描振镜的起始位置与初始起始位置相差一个螺距P；/nZ轴运行轨迹：C轴每旋转360°，四轴运动平台的Z轴上升Δh的高度；/n步骤5、加工；/n步骤5.1、螺纹第一层扫描加工；/n步骤5.11、启动加工系统，四轴运动平台的C轴保持不动；控制扫描振镜按照扫描轨迹，沿X轴从初始起始位置扫描至初始终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；/n步骤5.12、加工结束后，C轴旋转(360°×x)/2000πR角度，到下一个加工位置，扫描振镜沿X轴从第二起始位置扫描至第二终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；/n步骤5.13、重复步骤5.12)的操作，直到C轴旋转360°后，螺纹第一层扫描加工结束；/n步骤5.2、第二层扫描加工；/n调节Z轴上升Δh的高度，重复步骤5.1)的操作；其中，每一次扫描的长度为L1-ΔL，转台旋转360°后，螺纹第二层加工结束；/n步骤5.3、第三层……第n层扫描加工；/n重复步骤5.2)的操作，直到整个螺纹加工结束；第三层、第四层……第n层加工时，对应的每一次扫描的长度依次为L1-2ΔL，L1-3ΔL……L1-nΔL。/n...

【技术特征摘要】
1.一种在硬脆材料表面加工螺纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、安装工件；
将待加工的硬脆材料工件安装至四轴运动平台的C轴上；
步骤2、调平待加工的硬脆材料工件；
步骤3、确定激光焦点位置；
步骤4、确定加工程序；
利用激光参数以及待加工的螺纹参数计算单槽加工参数，并确定四轴运动平台的C轴运行轨迹、扫描振镜扫描轨迹及四轴运动平台的Z轴运行轨迹；
步骤4.1、确定单槽加工参数；
将单槽定义为：沿螺纹轴向中心抛开，两个相邻螺牙之间的槽；其中单槽加工参数包括沿单槽深度方向的扫描次数n及每次扫描长度L′；
a、确定沿单槽深度方向的扫描次数n：
将单槽沿槽深方向分为n层，每一层的厚度与扫描振镜扫描一次能够加工的深度Δh相等；因此，沿单槽深度方向的扫描次数即为n，n＝h/Δh，其中h为单槽深度；
b、确定沿单槽深度方向扫描时，每次扫描长度L′：
L′＝L1-(i-1)×ΔL，其中ΔL为沿单槽深度方向的相邻两次扫描长度的变化量，ΔL＝(L1-L)/n；i为当前扫描的次数，i≤n；L1为首次扫描长度，对应螺纹牙底沿螺纹轴向方向的长度值；L为第n次扫描长度，对应螺纹牙顶沿螺纹轴向方向的长度值；
步骤4.2、确定四轴运动平台的C轴运行轨迹、扫描振镜扫描轨迹及四轴运动平台的Z轴运行轨迹；
C轴运行轨迹：C轴每一次的旋转角度为(360°×x)/2000πR；其中R为加工螺纹的外半径，单位为毫米；x为光斑尺寸，单位为微米；
扫描振镜的扫描轨迹：C轴每旋转一次至相应加工位置后，扫描振镜沿X轴从起始位置扫描至终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1-(i-1)×ΔL，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；不同的加工位置对应的扫描振镜在X轴的起始位置不同，当C轴旋转360°后，扫描振镜的起始位置与初始起始位置相差一个螺距P；
Z轴运行轨迹：C轴每旋转360°，四轴运动平台的Z轴上升Δh的高度；
步骤5、加工；
步骤5.1、螺纹第一层扫描加工；
步骤5.11、启动加工系统，四轴运动平台的C轴保持不动；控制扫描振镜按照扫描轨迹，沿X轴从初始起始位置扫描至初始终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；
步骤5.12、加工结束后，C轴旋转(360°×x)/2000πR角度，到下一个加工位置，扫描振镜沿X轴从第二起始位置扫描至第二终止位置实现S/P次的扫描，每一次扫描的长度为L1，相邻两次的扫描间隔为P1；其中S为螺纹长度，P为螺距；
步骤5.13、重复步骤5.12)的操作，直到C轴旋转360°后，螺纹第一层扫描加工结束；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，安永刚，田新锋，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61