本发明专利技术提出了一种基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的装置及方法，包括飞秒或者皮秒激光器、透镜组以及砂轮固定平台；所述的透镜组包括依次设置的反射镜、光阑、轴锥镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜，飞秒或者皮秒激光器输出的激光光束经反射镜反射、光阑控制光斑形状后，初始高斯光束经过轴锥镜，转化为具有无衍射距离的贝塞尔光束，再经过下一个平凸透镜提升光的峰值功率密度，通过第二平凸透镜将光束聚焦的焦点辐照于砂轮之上，所述的砂轮安装在砂轮固定平台上。砂轮固定平台上。砂轮固定平台上。
【技术实现步骤摘要】
一种基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整装置与方法，属于激光修整砂轮的
技术介绍
[0002]在过去的几十年里，对高精度零件的需求急剧增加，而硬而脆的材料必须通过磨削工艺进行加工。超精密磨削是超精密加工中能够兼顾加工精度、表面质量和加工效率的加工手段。其目的是产生具有高表面光洁度、高形状精度、高表面完整性的零件。为了减小时间和成本，通过精密磨削工艺获得的表面质量变得更加重要。
[0003]然而在超精密磨削过程中，砂轮会不可避免地出现一些问题：
[0004]1.砂轮表面会磨损或堵塞，导致磨削颤振和热损伤，影响工件的表面完整性。
[0005]2.磨损的砂轮表面容易失去正确的几何形状，导致工件表面精度降低。
[0006]3.对复杂曲面零件磨削时，更容易造成砂轮表面的不均匀磨损，产生的砂轮轮廓误差直接复制到工件表面。
[0007]目前可应用于磨削不同材料的砂轮多种多样，面向金属、陶瓷、树脂和橡胶等不同结合剂的砂轮，普通磨料(碳化硅、氧化硅等)砂轮与超硬磨料(单晶金刚石、PCD、CBN等)砂轮，而超硬磨料砂轮如金刚石砂轮因其超硬特性存在着修整难度大、接触式修整修整器磨损严重、修整效率和精度通常偏低等问题，而且会对磨粒的整体结构造成破坏，降低其强度和硬度；修整后的砂轮表面形貌较差，表面沟槽多，砂轮的磨削性能降低，并且较严重的会污染环境，这在一定程度上也造成了金刚石砂轮的应用问题。
[0008]与传统的基于力的机械修整方法相比，基于激光的方法避免了力或硬接触的直接影响，并且具有各种显著的优点：有广泛的适用性；产生的热影响区域小，精度和效率高；无磨损损失，高精度和高柔性。因此，激光修整法也是一种绿色的修整技术，具有显著的发展潜力和广阔的应用前景。
[0009]目前有许多激光修整技术的研究，但都仅仅局限于普通的高斯激光，用普通的高斯光束修整，光斑直径过大，很难保证砂轮的修整精度，而且需要很精准地找好焦点位置进行加工。
技术实现思路
[0010]本专利技术是克服现有技术存在的不足，并且改善现有激光修整的不足之处，提供一种基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的方法与装置。本专利技术提供了一种基于贝塞尔光束的激光修整方法，旨在解决砂轮修整过程中的精度和效率问题。该方法将飞秒或者皮秒激光器输出的高斯光束整形为贝塞尔光束，缩小了光斑直径，增加焦点长度，并且通过切向修整的方式，进行砂轮的精密修整。通过调节第二平凸透镜镜夹的旋钮，改变第二平凸透镜的相对位置，可以实现贝塞尔光束中心瓣不同方向的偏置，实现更高效、更精密的砂轮修整。
[0011]本专利技术的目的通过以下步骤来实现：
[0012]基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整装置，包括飞秒或者皮秒激光器、透镜组以及砂轮固定平台；所述的透镜组包括依次设置的反射镜、光阑、轴锥镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜，飞秒或者皮秒激光器输出的激光光束经反射镜反射、光阑控制光斑形状后，初始高斯光束经过轴锥镜，转化为具有无衍射距离的贝塞尔光束，再经过第一平凸透镜提升光的峰值功率密度，通过第二平凸透镜将光束聚焦的焦点辐照于砂轮之上，所述的砂轮安装在砂轮固定平台上。
[0013]作为进一步的技术方案，通过调节第二平凸透镜镜夹的旋钮，改变第二平凸透镜的相对位置，可以实现贝塞尔光束中心瓣不同方向的偏置，实现更高效、更精密的砂轮修整。根据切向修整效果，如果表面质量没有达到要求，可以增加法向修锐步骤，本装置也实现了切向整形和径向修锐集为一体的功能。
[0014]作为进一步的技术方案，所述的砂轮固定平台为四轴运动平台。
[0015]作为进一步的技术方案，所述的砂轮通过弹簧夹头固定在XYZ三轴直线运动平台的夹具上。
[0016]第二方面，本专利技术还提出了一种基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的方法，将砂轮安装到夹具上，调整砂轮外圆面相对于贝塞尔光束光斑焦点的位置，用激光光束扫描砂轮，分别从激光功率、转轴转速、轴向扫描速度和扫描次数进行金刚石砂轮的切向修整试验，并且采取“之”形修整方式；试验完成后，通过在线投影图像测量仪初步观测砂轮表面金刚石磨粒的突起情况，后用激光共聚焦显微镜观察砂轮表面微观形貌。若金刚石磨粒突出高度不够，将贝塞尔光束的焦点法向辐照于砂轮上，增加法向修锐步骤，使金刚石磨粒突出合适的高度。
[0017]本专利技术基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的方法，具有以下有益效果：
[0018](1)相比于普通的脉冲激光，本专利技术使用的飞秒或者皮秒激光为超快激光，具有冷加工效应，可以有效地减小加工过程中出现的热效应，减少砂轮因激光加工的热效应而产生的变质层，提高砂轮表面的修整精度。
[0019](2)将飞秒或者皮秒激光器输出的高斯光束整形为贝塞尔光束，能够提升光的峰值功率密度，经过聚焦后的贝塞尔光束焦点具有长焦深的特点，能够产生一个能量分布近乎均匀、焦点长度在几百微米到几毫米的焦点，具有宽度基本不变、长度大大增加的特点。这种焦点增大了加工范围，适合材料的深度切割
[0020](3)采用激光切向修整既可以保证修整精度，控制结合剂的去除量，又能保证高的修整效率。
[0021](4)由于贝塞尔光束独有的空间强度分布，具有峰值功率密度高、边缘功率密度低的特点，经试验得到合适的工艺参数，能够实现压缩中心瓣整形、放大副瓣修锐的功能，将整形和修锐过程集中一起，提高了修整效率。
[0022](5)普通的贝塞尔光束在修整时，放大副瓣可能会有较小程度的烧伤现象，本专利技术通过调节第二平凸透镜使贝塞尔光束的中心瓣偏置，在修整砂轮的不同位置时，使中心瓣偏置一侧靠近砂轮的修整一侧，将光束能量更为集中，可以使“激光切削刃”更为锋利，提高砂轮修整精度。
[0023](6)本专利技术提出的将切向整形和径向修锐集为一体的修整方式，能够提高效率，避免二次装夹造成的误差，降低修整精度。
[0024](7)飞秒或者皮秒激光属于超快激光，具有冷加工效应，利用超快激光进行修整时，激光的脉宽小于电子、晶格间热传导时间，电子来不及将能量传递给晶格，可以在很大程度上避免对分子热运动的影响，产生更少的热影响。并且这种高稳定性的超短脉冲和高脉冲能量的激光使得砂轮修整过程时产生的热效应极小，很大程度上避免了金刚石磨粒的氧化和石墨化现象。
[0025](8)通过专用夹具和弹簧夹头对砂轮进行夹紧，有效减小砂轮的圆跳动，四轴电动运动平台能够实现砂轮不同运动轨迹的加工。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的整体路线图；
[0027]图2为本专利技术装置的结构示意图；
[0028]图3、图4为贝塞尔光束的整形示意图；
[0029]图5为透镜镜夹的结构示意图；
[0030]图6为电动运动平台的结构示意图；
[0031]图7为砂轮的夹具结构示意图；
[0032]图8为贝塞尔光束的空间强度分布图；
[0033]图9、图10为偏置的贝塞尔光束的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的装置，其特征在于，包括飞秒激光器、透镜组以及砂轮固定平台；所述的透镜组包括依次设置的反射镜、光阑、轴锥镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜，飞秒激光器输出的激光光束经反射镜反射、光阑控制光斑形状后，初始高斯光束经过轴锥镜，转化为具有无衍射距离的贝塞尔光束，再经过第一平凸透镜提升光的峰值功率密度，通过第二平凸透镜将光束聚焦的焦点辐照于砂轮之上，所述的砂轮安装在砂轮固定平台上。2.如权利要求1所述的基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的装置，其特征在于，所述的第一平凸透镜的镜夹上设有调节旋钮，使透过的激光穿过第一平凸透镜中心。3.如权利要求1所述的基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的装置，其特征在于，所述的第二平凸透镜的镜夹上设有调节旋钮，所述的调节旋钮可实现贝塞尔光束空间强度中心瓣不同方向的偏置。4.如权利要求1所述的基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修整的装置，其特征在于，所述的轴锥镜的镜夹上设有调节旋钮，使透过的激光穿过轴锥镜中心。5.如权利要求1所述的基于贝塞尔光束的超快激光砂轮修...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚鹏，周嘉斌，褚东凯，何婉盈，杜绪伟，屈硕硕，黄传真，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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