面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置及方法

本发明属于精密加工，特别是涉及到硬脆难加工材料的微结构高效磨削-抛光的激光复合加工方法与装置。

背景技术：

1、cf/sic等陶瓷基复材、镍基高温合金等硬脆难加工材料具有耐高温、高强度、抗腐蚀、密度低等优点，在材料表面制备各种微结构达到减阻、散热等效果，被广泛应用于国防工业、航空航天、高端汽车等领域。但是由于微结构的尺度较小，一致性要求高，对加工提出了越来越高的要求。当前，对于微结构的加工以常规加工方式为主，常规加工有刀具磨损大，加工表面质量差等问题，常常需要二次修整，因此加工效率也较低。研究表明，激光可以有效提高硬脆材料的可加工性，改善加工表面质量，降低刀具磨损，当前并没有将激光用于硬脆材料的微结构加工-抛光一体化的人。目前，已有人对激光抛光技术做出了改进。例如，一种激光抛光机以及该激光抛光机的抛光方法(cn117483957a)，虽然可以对于多尺寸物件进行抛光，但是依然属于二次修整的过程；一种内孔的激光抛光装置(cn218016412u)，但是并未说明能抛光多大的内孔且需要配合特定的设备使用；一种用于陶瓷基复合材料的超快激光抛光加工方法(cn108890138b)，该专利中激光抛光效果明显，但是激光对材料的加工角度只是90°-70°；一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统(cn110788500b)流程较为复杂，在激光抛光之中还需要电化学的辅助。因此，亟需一种具备加工与激光抛光一体化、提升磨削质量和效率的加工方法和装置，在硬脆难加工材料的微结构加工时，以实现阵列微结构的高效率、高质量磨削-抛光的效果。因此面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工方法与装置的发明是必要的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置及方法，在磨削过程中，利用原位激光实现磨削-抛光一体化，解决了超精密加工过程中先加工后抛光效率低、流程复杂、设备适应能力差等问题，降低了微结构的加工周期。

2、面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，包括激光复合精密加工模块、驱动模块、安全防护模块、支撑单元、连接单元以及观测模块，所述激光复合精密加工模块包括激光器、准直器、主轴以及织构砂轮，所述织构砂轮设置在主轴上，内部设置有透镜安装架、透镜安装架上依次设置有第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜以及反射镜，所述第一分束镜的分光光路上设置有第一聚焦镜、所述第二分束镜的分光光路上设置有第二聚焦镜、所述第三分束镜的分光光路上设置有第三聚焦镜、所述反射镜的反射光路上设置有第四聚焦镜；所述激光器出射激光光束经过准直器进入织构砂轮内部光学腔，经过第一分束镜透过一部分能量到下第二分束镜，一部分能量经过反射透过聚焦镜在织构的顶点同一面上形成聚焦。

3、所述支撑单元包括大理石龙门以及大理石工作台；所述驱动模块包括x轴直线滑台、y轴步进电机、z轴步进电机；所述连接单元包括加工平台、转接板ⅰ、连接板ⅱ、连接板ⅰ、激光器支撑架以及转接板ⅰ；所述观测模块包括手动滑台以及工业相机；所述安全防护模块包括防护罩以及安装杆。

4、所述激光器通过激光器支撑架固定设置在连接板ⅱ上，所述连接板ⅱ设置在大理石工作台上。

5、所述主轴通过主轴固定架设置在连接板ⅰ上，所述连接板ⅰ与z轴步进电机连接。

6、所述x轴直线滑台设置在大理石工作台上，所述y轴步进电机设置在x轴直线滑台上。

7、所述防护罩内部设置有液体循环通道，与冷却系统连接。

8、面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工方法，采用所述的面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，包括以下步骤，

9、步骤一、将工件固定在加工平台上，将织构砂轮安装在主轴上，启动控制系统，移动x轴直线滑台、y轴步进电机、z轴步进电机，主轴转动，通过观测模块的工业相机进行对刀流程，使得转动的织构砂轮贴近工件表面的预加工位置；

10、步骤二、将激光器固定在激光器支撑架上，调整位置使得激光器与准直器处于同一平面，进行激光器红外预览；

11、步骤三，输入数控程序，防护罩下降，罩在加工区域上方，防护罩内部冷却液循环，启动激光器，光束经光路引入砂轮内部，到达第一分束镜，部分能量经过反射透过第一聚焦镜在砂轮织构同一平面上聚焦，部分能量透射至第二分束镜并依次通过第三分束镜、反射镜，经过第二聚焦镜、第三聚焦镜、第四聚焦镜的作用，在同一平面聚焦；在砂轮加工过程中，实现原位激光抛光，非加工位置散发的激光能量打在防护罩内部的吸光涂层上，被防护罩吸收。

12、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

13、1、提出了一种面向微结构高效磨削及激光抛光一体化的方法。通过在砂轮内部设计一种多角度分光腔室，完成对激光光路的引导，实现激光抛光的效果。利用织构砂轮加工阵列微结构，并在内部引入激光，与激光抛光相结合，在加工阵列微结构的同时，对微结构的毛刺、切屑粘着等缺陷进行修整，提高加工表面质量，实现微结构高效率、高质量磨削-抛光一体化。

14、2、设计了一种多角度分光腔室，嵌入光学器件分束镜和聚焦镜，在主轴内部引入激光，通过多角度分光腔室引入到微结构表面，实现了阵列微结构加工的激光抛光。织构砂轮内部放置光学支架，支架有两个安装位，下方安装位装有聚焦镜，上方的安装位装有不同透过率的分束镜或反射镜，且分束镜和反射镜的中心与聚焦镜中心同轴；激光通过主轴内部之后，引入砂轮的内部，激光通过分束镜的作用，一部分能量传递到下一面分束镜，一部分反射光线经过聚焦镜通过砂轮织构之间的缝隙结构透出形成激光光束，聚焦点在砂轮织构的顶部同一位置，在砂轮高速运转加工的过程中，织构加工-激光修型交替进行，织构加工残留的毛刺、切屑粘着等经过激光修型改善加工表面质量，实现微结构的高效磨削抛光。

15、3、加工区域上方增加内冷防护罩，防护罩可以很好的遮掩住加工区域，防护罩材料熔融阈值较高，内表面覆盖红外吸收率高的炭黑图层，有效降低激光能量，内部有液体通道，通过连接冷却液循环系统降低防护罩的温度，激光经过分束镜的作用穿过砂轮内部到达防护罩时，能量较小，打在防护罩上时，首先经过炭黑层吸收大部分红外波段，使得激光能量大幅度减小，在经过内部冷却液作用，不能对防护罩造成损伤并将热传递出去；在加工过程中，砂轮上的激光束高于或低于织构的位置处于离焦状态，能量小，达到有效防护作用，保障在激光加工过程中的安全性。

技术特征：

1.面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，包括激光复合精密加工模块、驱动模块、安全防护模块、支撑单元、连接单元以及观测模块，其特征是：所述激光复合精密加工模块包括激光器(13)、准直器(12)、主轴(10)以及织构砂轮(6)，所述织构砂轮(6)设置在主轴(10)上，内部设置有透镜安装架(17)、透镜安装架(17)上依次设置有第一分束镜(27)、第二分束镜(28)、第三分束镜(29)以及反射镜(30)，所述第一分束镜(27)的分光光路上设置有第一聚焦镜(23)、所述第二分束镜(28)的分光光路上设置有第二聚焦镜(24)、所述第三分束镜(29)的分光光路上设置有第三聚焦镜(26)、所述反射镜(30)的反射光路上设置有第四聚焦镜(25)；所述激光器(13)出射激光光束经过准直器(12)进入织构砂轮(6)内部光学腔，经过第一分束镜(27)透过一部分能量到下第二分束镜(28)，一部分能量经过反射透过聚焦镜在织构的顶点同一面上形成聚焦。

2.根据权利要求1所述的面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，其特征是：所述支撑单元包括大理石龙门(1)以及大理石工作台(2)；所述驱动模块包括x轴直线滑台(8)、y轴步进电机(9)、z轴步进电机(16)；所述连接单元包括加工平台(7)、转接板ⅰ(4)、连接板ⅱ(15)、连接板ⅰ(11)、激光器支撑架(14)以及转接板ⅰ(20)；所述观测模块包括手动滑台(3)以及工业相机(5)；所述安全防护模块包括防护罩(18)以及安装杆(19)。

3.根据权利要求1所述的面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，其特征是：所述激光器(13)通过激光器支撑架(14)固定设置在连接板ⅱ(15)上，所述连接板ⅱ(15)设置在大理石工作台(2)上。

4.根据权利要求1所述的面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，其特征是：所述主轴(10)通过主轴固定架设置在连接板ⅰ(11)上，所述连接板ⅰ(11)与z轴步进电机(16)连接。

5.根据权利要求1所述的面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，其特征是：所述x轴直线滑台(8)设置在大理石工作台(2)上，所述y轴步进电机(9)设置在x轴直线滑台(8)上。

6.根据权利要求1所述的面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，其特征是：所述防护罩(18)内部设置有液体循环通道，与冷却系统连接。

7.面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工方法，其特征是：采用权利要求1所述的面向微结构高效磨削-抛光的激光复合加工装置，包括以下步骤，

技术总结面向微结构高效磨削‑抛光的激光复合加工装置及方法，属于精密加工技术领域，包括激光复合精密加工模块，具体包括激光器、准直器、主轴以及织构砂轮，织构砂轮设置在主轴上，内部设置有透镜安装架、透镜安装架上依次设置有第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜以及反射镜，第一分束镜的分光光路上设置有第一聚焦镜，第二分束镜的分光光路上设置有第二聚焦镜，第三分束镜的分光光路上设置有第三聚焦镜，反射镜的反射光路上设置有第四聚焦镜。本发明在磨削过程中，利用原位激光实现磨削‑抛光一体化，解决了超精密加工过程中先加工后抛光效率低、流程复杂、设备适应能力差等问题，降低了微结构的加工周期。技术研发人员：陈先庆,许金凯,王佳琦,于占江,李继成,徐浩然,黄筠瀚,张文通,李玉卓,孙浩受保护的技术使用者：长春理工大学技术研发日：技术公布日：2024/12/12