用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制系统与方法技术方案

本发明专利技术属于超精密加工领域，公开了一种用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制系统与方法，控制系统包括：材料识别单元、数据处理单元和快速响应激光控制单元；材料识别单元用于对复合材料进行脆性颗粒和软金属基体的识别；数据处理单元用于对识别的材料进行处理并输出开关信号；快速响应激光控制单元用于根据开关信号控制激光发射单元是否发射激光束。快速响应激光控制单元包括电光调制器，通过电光调制器控制激光发生器的开关，达到选择性场辅助加工的目的，实现在普通金刚石切削来加工软金属基体和原位激光辅助加工来切削脆性颗粒之间进行高频精准快速切换。本发明专利技术可实现高效率高质量的高频精准激光控制，对复合材料进行选择性场辅助加工。选择性场辅助加工。选择性场辅助加工。

【技术实现步骤摘要】
用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制系统与方法


[0001]本专利技术属于超精密加工
，更具体地，涉及一种用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制系统与方法。

技术介绍

[0002]以铝基碳化硅、硅铝合金等为代表的复合材料，由软金属基体和脆性颗粒(硅、碳化硅等)组成，具备优良的光学、机械、物理和化学性能等广泛应用于航空航天，载波器，热沉件以及汽车配件中。但是复合材料属于难加工材料，由于基体是软金属材料，延性很高，熔点较低，所以在切削过程中十分容易产生积屑瘤，由此导致加工表面质量降低，并且内部的脆性颗粒会导致加工过程中刀具磨损十分严重，使工件的加工精度和表面质量严重下降。
[0003]激光原位辅助加工技术是适用于脆性材料加工的经济高效和最具潜力的方法，在激光原位辅助加工工艺中，工件材料被聚焦后的激光束局部加热后，其表面硬度可显著降低，所以脆性材料就可以通过塑性变形的方式去除，还能提高刀具的寿命。但是复合材料中的软金属基体却不能使用激光加热，因为软质基体材料在激光加热后，在进行切削过程中容易导致金刚石刀具的粘粘，造成加工过程的切削力和切削温度的急剧升高，大大降低了切削加工性能，不仅造成了复合材料的亚表面损伤急剧增加，还会导致面形精度的保持性降低，所以需要在进行切削过程中关闭激光发生器，从而达到在加工脆性材料时是使用的激光原位辅助切削，而在加工软质基体材料时是进行的普通单点金刚石切削，这样就能够保证在加工整个工件的过程中大大减少出现刀具磨损严重，温度急剧升高，刃口处的应力集中和加工效率低的问题，然而复合材料等金属基复合材料的超精密激光辅助切削要想实现上述功能，面临着激光快速切换，不同基体的快速识别等难点，这已成为选择性场辅助加工技术的核心难题。
[0004]因此，亟需一种控制技术，用来实现激光快速切换并且能够在位快速识别不同基体，从而进行复合材料的选择性场辅助加工，以达到高效切削的目的。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术目的在于提供一种用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制系统与方法，旨在解决现有技术中针对复合材料的加工不能快速识别不同基体导致加工效率低和加工精度低的问题。
[0006]本专利技术提供了一种用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制系统，包括：材料识别单元、数据处理单元和快速响应激光控制单元；所述材料识别单元用于对待加工复合材料进行脆性颗粒和软金属基体的识别；所述数据处理单元的输入端连接至所述材料识别单元的输出端，用于对识别的材料进行处理并输出开关信号；所述快速响应激光控制单元的输入端连接至所述数据处理单元的输出端，用于根据所述开关信号控制激光发射单元是否发射激光束。
[0007]本专利技术通过实现激光高频精准控制，使得激光原位辅助加工实现对于脆性材料和软金属基体的有选择性加工，从而使得在加工脆性颗粒时，利用激光原位辅助切削可以将热影响区最小化，避免了热裂纹等现象的产生，最终达到加工精度的提高；加工效率的提高则由材料快速识别技术和数据处理技术来控制激光开关高频切换从而实现的。
[0008]其中，快速响应激光控制单元设置在所述激光发射单元内部。
[0009]更进一步地，快速响应激光控制单元包括：电光调制器，用于当识别的材料是软金属基体时，输出用于控制激光发生单元实现“关闭”状态的第一控制信号；当识别的材料是脆性颗粒时，输出用于控制激光发生单元实现“打开”状态的第二控制信号。
[0010]作为本专利技术的一个实施例，电光调制器包括：调Q晶体、偏振片、激光棒、全反镜、泵浦源、调Q晶体外部电源、输出镜和谐振腔；全反镜、激光棒、谐振腔和输出镜依次设置在激光束的光路上；调Q晶体和偏振片均设置在谐振腔内，且在激光棒的前方沿着光束出射方向依次设置有偏振片和调Q晶体；泵浦源与激光棒并联连接，调Q晶体外部电源设置在谐振腔外，且与调Q晶体并联连接，用于快速控制调Q晶体的折射率的变化。
[0011]工作时，当识别的材料为软金属基体时，外部电源产生电压，电压产生一定强度的电场，在电场的作用下，使得调Q晶体的折射率产生一定特性变化，使得激光棒产生的线偏振光透过调Q晶体时，激光光线的振动方向也发生改变，经过全反镜反射出来的光线将偏离激光棒，使谐振终止，从而使得激光发生器实现“关闭”状态，进而实现软金属基体的普通金刚石切削；当识别的材料为脆性颗粒时，控制外部电源不产生电压，保持调Q晶体的折射率不变，激光棒产生的线偏振光透过调Q晶体时也不会改变振动方向，控制激光发生器实现“打开”状态，实现脆性颗粒的激光原位辅助切削。
[0012]更进一步地，材料识别单元可以为光纤传感器或高速相机；采用光纤传感器对光通量进行分析识别或者通过高速相机拍照后进行图像处理。其中光纤传感器光斑大小和高速相机分辨率需参考晶粒大小，采集频率需参考识别区大小，切削转速，切削半径等。
[0013]更进一步地，激光发射单元包括：激光发生器、激光输出光纤和整形光路；激光发生器出射的激光通过激光输出光纤和整形光路后传送到所述待加工复合材料表面；整形光路用于对所述激光发生器出射的高能激光束进行准直和聚焦，避免激光能量的发散和泄露。
[0014]本专利技术还提供了一种用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制方法，包括下述步骤：
[0015](1)对待加工复合材料进行材料识别，并对识别的材料进行处理后输出开关信号；
[0016](2)当所述开关信号为用于控制激光发生单元实现“关闭”状态的第一控制信号时，通过打开电光调制器产生方向改变的线偏振光，使得激光在腔内无法谐振，从而实现软金属基体材料的加工；当所述开关信号为用于控制激光发生单元实现“打开”状态的第二控制信号时，通过关闭电光调制器使得激光在腔内谐振，从而实现脆性颗粒材料的加工。
[0017]其中，对激光发射器出射的高能激光束进行准直和聚焦后形成激光束，避免激光能量的发散和泄露。
[0018]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，主要具备以下的技术优点：
[0019](1)本专利技术通过电光调制器的设计，即通过在激光发生器内部的谐振腔内设计一
个偏振片和调Q晶体，用来改变谐振腔内激光束的振动方向，可使得选择性辅助加工通过快速改变调Q晶体的外部电压使得调Q晶体的折射率发生改变，从而使得激光束透过偏振片的振动方向发生改变，最终实现激光状态的快速切换，其中电光调制器主要根据激光发生器产生激光的工作波长(1064nm)，开放孔径大小，开关速度以及激光发生器的尺寸大小进行选择设计。
[0020](2)本专利技术通过激光高频精准控制，即通过激光发生器来产生激光光束，再通过激光发生器内的电光调制器和调Q晶体的外部电源来控制激光光束的发射，从而实现激光的高频精准控制，其中外部电源的控制技术需要通过材料识别技术来进行控制电源的开关，最终实现激光光束的开关即实现激光高频精准控制。最终使得激光原位辅助加工实现对于脆性材料和软金属基体的有选择性加工，从而使得在加工脆性颗粒时，利用激光原位辅助切削可以将热影响区最小化，避免了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于选择性场辅助加工的激光高频精准控制系统，其特征在于，包括：材料识别单元、数据处理单元和快速响应激光控制单元；所述材料识别单元用于对待加工复合材料进行脆性颗粒和软金属基体的识别；所述数据处理单元的输入端连接至所述材料识别单元的输出端，用于对识别的材料进行处理并输出开关信号；所述快速响应激光控制单元的输入端连接至所述数据处理单元的输出端，用于根据所述开关信号控制激光发射单元是否发射激光束。2.如权利要求1所述的激光高频精准控制系统，其特征在于，所述快速响应激光控制单元设置在所述激光发射单元内部。3.如权利要求1或2所述的激光高频精准控制系统，其特征在于，所述快速响应激光控制单元包括：电光调制器(6)，用于当识别的材料是软金属基体时，输出用于控制激光发生单元实现“关闭”状态的第一控制信号；当识别的材料是脆性颗粒时，输出用于控制激光发生单元实现“打开”状态的第二控制信号。4.如权利要求3所述的激光高频精准控制系统，其特征在于，所述电光调制器(6)包括：调Q晶体(601)、偏振片(603)、激光棒(604)、全反镜(605)、泵浦源(606)、调Q晶体外部电源(607)、输出镜(608)和谐振腔(609)；所述全反镜(605)、所述激光棒(604)、所述谐振腔(609)和所述输出镜(608)依次设置在激光束的光路上；所述调Q晶体(601)和所述偏振片(603)均设置在所述谐振腔(609)内，且在所述激光棒(604)的前方沿着光束出射方向依次设置有偏振片(603)和调Q晶体(601)；所述泵浦源(606)与所述激光棒(604)并联连接，所述调Q晶体外部电源(607)设置在所述谐振腔(609)外，且与所述调Q晶体(601)并联连接，用于快速控制所述调Q晶体(601)的折射率的变化。5.如权利要求4所述的激光高频精准控制系统，其特征在于，工作时，当识别的材料为软金...

【专利技术属性】
技术研发人员：许剑锋，刘昌林，陈肖，沈少金，张建国，王茂，肖峻峰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：