一种高精度复合能场辅助切削及光整设备及方法与流程

1.本发明属于超精密加工相关技术领域，更具体地，涉及一种高精度复合能场辅助切削及光整设备及方法，其能够有效抑制刀具磨损，并对切削留下的刀纹进行光整修复，显著降低工件表面粗糙度，因而尤其适用于航天光学元件之类的超精密制造应用场合。


背景技术：

2.以单晶硅、碳化硅等为代表的航天光学元件以其优良的光学、机械、物理和化学性能等广泛应用于空间卫星探测、武器光学制导等航天装备的先进精密光电系统中。然而，单晶硅、碳化硅等硬脆难加工材料的超精密切削面临着刀具快速磨损和材料脆性断裂去除等难点，已成为航天光学元件超精密制造领域的核心技术难题之一。
3.现有技术中，单点金刚石切削、激光原位辅助切削等技术通常被广泛应用于超精密加工领域里。例如，cn202010854326.6、cn201110240310.7等早期专利公开了相关的单点金刚石切削装置及方法。
4.然而，进一步的研究表明，传统的单点金刚石切削技术在加工硬脆难加工材料时容易出现刀具易磨损、材料易脆性断裂等问题；激光原位辅助切削技术通过原位加热软化工件材料，可提高材料塑性流动能力，增大硬脆难加工材料的塑脆转变深度，提高材料去除率，但是金刚石刀具也更容易发热发生热化学反应，导致使用寿命降低。此外，还有一个需要重视的技术问题是：切削加工必然会在工件表面留下刀纹，使加工表面容易产生光栅效应，进而影响航天光学元件的光学使役能力。
5.因此，本领域亟需对此作出进一步的研究和改进，以便在实现高自由度高精度高效率低损伤切削加工的同时，还能够重点解决如何抑制刀具磨损、以及如何对切削留下的刀纹进行光整修复等技术难点。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种高精度复合能场辅助切削及光整设备及方法，其通过结合航天光学元件的制造工艺原理和特征，对整个加工设备的内部构造及其设置方式重新进行了设计，相应不仅能够将单点金刚石切削技术与激光原位辅助切削技术更好地进行融合，而且可使得金刚石刀具与工件的连续切削转变为超声频间歇式切削，在降低刀具温度的同时还有效抑制了刀具的磨损；此外，还通过引入及针对性设置激光抛光光整模块，使得激光场与超声场的复合能场切削过程中所残留的切削刀纹被有效消除，显著降低了工件表面粗糙度，因而尤其适用于单晶硅、碳化硅之类的航天光学元件的超精密制造应用场合。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，该设备包括：
8.激光发射模块，该激光发射模块用于独立可控地发射两束激光，其中第一束激光(112)被设定为投射至金刚石刀具(101)上且聚焦在金刚石刀具与工件之间的切削区域，用
于实现激光能场复合切削；第二束激光(113)被设定为经反射投射于工件表面刀纹的波峰上，用于实现工件表面的激光抛光光整处理；
9.超声振动模块，该超声振动模块沿着激光束的发射方向设置在所述激光发射模块的前端，并包括超声变幅杆(105)和配套的压电陶瓷单元，其中该压电陶瓷单元由用于使所述超声变幅杆产生弯曲振动的第一压电陶瓷组、以及用于使所述超声变幅杆产生轴向振动的第二压电陶瓷组共同组成；该超声变幅杆在所述压电陶瓷单元的驱动下产生二维超声振动，并且它的中央通孔用于使所述两束激光经其通过；
10.切削模块，该切削模块包括沿着激光束发射方向继续安装于所述超声变幅杆(105)前端的所述金刚石刀具(101)，并且该金刚石刀具在所述超声变幅杆的驱动下一同发生二维超声振动；此外，该金刚石刀具的后端面被设计为椭球面，用于使得投射到刀具后端任何位置的第一束激光都聚焦到切削刃的区域。
11.作为进一步优选地，所述激光发射模块优选被安装于精密微位移运动平台上，该精密微位移运动平台用于根据预设的切削参数计算出工件表面残留刀纹的波峰与波谷之间的横向偏移量，然后基于该横向偏移量进行相应位置调整，由此使得第二束激光经反射后恰好聚焦到工件表面刀纹的波峰上，进而实现精准抛光光整处理。
12.作为进一步优选地，所述精密微位移运动平台的最小运动量优选被设定为1μm。
13.作为进一步优选地，所述第一束激光、第二束激光采用不同的激光发射器件进行发射，并且第一束激光的光斑直径优选被设置为可在40μm～150μm之间调节，第二束激光的光斑之间优选被设置为可在2μm～8μm之间调节。
14.作为进一步优选地，所述超声振动模块优选还包括刀架座(110)，所述超声变幅杆通过螺母(111)紧固在该刀架座上；此外，该刀架座上开有进气口(109)和走线孔(107)。
15.作为进一步优选地，所述超声变幅杆(105)上优选还设置有与所述进气口(109)相通的气孔，用于使惰性气体输送到激光束通过的此通孔中，同时带走激光光路上的灰尘及杂质。
16.作为进一步优选地，所述压电陶瓷单元优选由两组环形压电陶瓷(108)和两组半圆形压电陶瓷(106)共同组成，其中环形压电陶瓷(108)设置在所述超声变幅杆的后端，用于使该变幅杆产生轴向振动；半圆形压电陶瓷(106)设置在所述超声变幅杆的前端，用于使该变幅杆产生弯曲振动；以此方式，安装于所述超声变幅杆前端的金刚石刀具被驱动产生超声椭圆振动，进而在每一个振动周期内进行材料去除之后还可及时将切屑带出。
17.作为进一步优选地，所述压电陶瓷单元的振动频繁优选被设定为40khz以上，并且它的轴向振幅和横向振幅均达4μm以上。
18.作为进一步优选地，所述金刚石刀具优选在其上方设置有防尘盖(103)，该防尘盖用于防止空气中的灰尘及切屑等对激光光路造成干扰，同时该防尘盖上还设置有出气口(104)，用于使所述超声变幅杆(105)的中央通孔中的气体及灰尘等排出。
19.作为进一步优选地，所述防尘盖(103)的侧边设置有悬臂结构的薄板，该薄板的外部上方安装有螺栓用于调节此薄板与所述防尘盖主体之间的相对位置；此外，在所述薄板的内部下方安装有反射镜，通过所述螺栓在调节薄板相对位置时对此反射镜的角度同步进行调节，进而调节第二束激光的出射角及投射位置。
20.按照本发明的另一个方面，提供了一种相应的复合能场辅助切削及光整方法。
21.作为进一步优选地，所述方法适用于单晶硅、碳化硅之类的航天光学元件的超精密制造应用场合。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
23.(1)本发明通过对航天光学元件之类的超精密加工应用领域的工艺原理及特征进行研究分析，不仅将单点金刚石切削技术与激光原位辅助切削技术进行了有机融合，而且在此基础上对整个加工设备的内部构造组成及设置方式重新进行了设计，相应能够使得金刚石刀具与工件的连续切削转变为超声频间歇式切削，在降低刀具温度的同时还有效抑制了刀具的磨损，提高材料塑性流动能力和塑脆转变深度，很好地满足航天光学元件的高效率高精度低损伤制造要求；
24.(2)本发明还进一步引入了激光抛光光整模块并对其设置方式进行了针对性改进，相应能够在一次加工过程中同时完成超精密切削和光整修复，能够在满足制造精度的前提下，减少现有生产过程中需要先将切削系统拆卸再安装光整修复系统进行表面光整的过程，大幅缩短生产周期，提高生产效率；此外，尤其能够使得激光场与超声场的复合能场切削过程中所残留的切削刀纹被有效消除，降低了工件表面粗糙度；
25.(3)本发明针对性地将金刚石刀具在超声振动模块作用下产生接近于椭圆振动式的二维超声振动，在切削方向上借助弯曲振动进行脉冲场材料去除，在垂直切削方向上借助轴向振动将切屑带走，显著减少刀具前刀面切屑堆积对激光光路传递的干扰；
26.(4)本发明还进一步对一些配套模块及关键工艺参数作出了优化设计，例如通过精密微位移运动平台的设计，可以更为精准设置调节激光光路，使激光原位辅助切削专用的激光束始终能够投射到金刚石刀具后端并聚焦到切削区域，并确保光整修复专用的激光束与原位激光束之间的垂直高度精准可调，防止高度方向距离过大导致光整激光束不能准确投射到工件表面切削后的刀纹波峰上；
27.(5)本发明通过在防尘盖侧边设有悬臂结构的薄板，薄板内侧安装有反射镜可以反射光整抛光用的激光束，薄板上安装有螺栓，通过调节螺栓可以调整反射镜角度，进而调节光整激光束的出射角度和投射位置，以此确保光整激光束能够精准投射到工件表面的刀纹波峰上；
28.(6)此外，本发明通过在在超声变幅杆上设置中心通孔用于两束激光光路传递，中心通孔连接惰性气体的进出气口，可确保通孔中无灰尘和杂质，有效避免了激光光路受到干扰，影响加工和修复效果；
29.(7)按照本发明的复合能场辅助切削及光整设备整体结构紧凑、便于操控，同时具备高精度高效率和低损伤等优点，能够有效解决现有技术中广泛存在的刀具磨损过快、刀纹难于光整修复等技术问题，因而尤其适用于单晶硅、碳化硅之类的航天光学元件的超精密制造应用场合。
附图说明
30.图1为本发明实施例提供的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备的结构侧视剖面示意图；
31.图2为本发明实施例提供的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备的整体结构
示意图；
32.图3为本发明实施例提供的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备的结构俯视剖面示意图；
33.图4为用于示范性显示激光抛光光整修复的激光束与用于激光原位辅助切削的激光束之间的投射位置关系示意图；
34.图5为示范性显示高精度复合能场辅助切削及光整修复过程示意图；
35.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
36.101
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金刚石刀具，102
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沉头螺钉，103
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防尘盖，104
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出气口，105
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超声变幅杆，106
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半圆形压电陶瓷，107
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走线孔，108
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环形压电陶瓷，109
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进气口，110
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刀架座，111
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螺母，112
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第一束激光，113
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第二束激光，1051
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中央通孔，1052
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反射镜，1101
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残留刀纹。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.图2为本发明实施例提供的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备的整体结构示意图，图1和3分别是该设备的侧视剖面示意图和俯视剖面示意图。下面将参考图1
‑
3来更加具体地解释说明本发明。
39.如图1
‑
3所示，该高精度复合能场辅助切削及光整设备主要包括激光发射模块、超声振动模块和切削模块，此外还可以包括其他一些附属模块。利用本发明的技术与装备，可同时实现硬脆难加工材料的高精度复合能场辅助切削与光整修复，能够在一次加工过程中同时完成超精密切削和光整修复，并且有效同时解决了刀具磨损和刀纹修复等技术难题。
40.具体而言，激光发射模块置于超声振动模块后端，用于产生第一束激光112也即原位激光和第二束激光113也即光整激光，分别用于激光原位辅助切削和激光抛光光整修复。原位激光将激光投射到金刚石刀具上并聚焦在刀具与工件之间的切削区域，用于实现激光场辅助切削；光整激光将激光经反射投射到工件表面指定位置，用于实现工件材料的激光抛光光整修复。
41.按照本发明的一个优选实施方式，激光反射模块可安装于精密微位移运动平台上，该精密微位移运动平台的最小运动量譬如为1μm。如图4所示，进行加工时，根据设定的切削参数计算出工件表面残留刀纹的波峰与波谷之间的横向偏移量，然后调节精密微位移运动平台，使光整激光经过防尘盖103上的反射镜反射后恰好能聚焦到工件表面刀纹波峰上，实现更精准的抛光。
42.以此方式，一方面可确保原位辅助激光投射到金刚石刀具后端椭球面上以聚焦到刀具切削刃上；一方面还便于根据切削进给速度，计算出切削过后残留在工件表面的切削刀纹的波峰与波谷之间的横向偏移量，借助微位移运动平台和反射镜可使光整修复专用激光精准投射于残留刀纹的波峰位置，使激光始终沿着波峰对已加工的工件材料表面进行激光抛光，精准融化波峰，降低工件材料表面粗糙度，实现航天光学元件表面的超精密切削与光整修复同步进行，减少工序步骤，提高加工效率。
43.按照本发明的另一优选实施方式，两种出射激光采用不同的激光发射器件，原位
激光的光斑直径优选设置为40～150μm可调，由此确保切削区域的工件材料均能被激光辅助软化，光整激光的光斑直径优选设置为2～8μm可调，由此确保激光抛光位置集中在一条残留刀纹的波峰上。
44.以此方式，一方面确保原位辅助切削用的激光光斑能够覆盖金刚石刀具与工件的接触区域，实现切削区域的材料软化，又不至于使材料出现烧蚀等破坏；另一方面确保光整修复用的激光光斑仅作用于一条刀纹波峰上，实现精准抛光，优化激光抛光光整修复效果。
45.对于超声振动模块而言，它主要包括超声变幅杆和压电陶瓷单元，超声变幅杆中央为通孔，可以使激光通过通孔投射到变幅杆前端的切削模块，压电陶瓷单元安装于超声变幅杆上，可以将电信号转换为机械振动信号，使安装于超声变幅杆前端的金刚石刀具产生二维超声振动，实现脉冲场辅助材料去除。
46.按照本发明的另一优选实施方式，防尘盖103上的反射镜角度可调。防尘盖103侧边设有悬臂结构的薄板，薄板外部上方安装有螺栓可以调节薄板与防尘盖103主体之间的相对位置，薄板内部下方安装有反射镜，利用螺栓调节薄板位置时可以调整反射镜的角度，进而调节光整激光束的出射角及投射位置。
47.此外，超声变幅杆105的杆件中心可设计为通孔，用于激光束传递，超声变幅杆105上设置有与惰性气体的进气口109相通的气孔，可以使得惰性气体输送到激光束通过的通孔中，带走激光光路上的灰尘及杂质等，避免激光传递受到干扰。
48.按照本发明的又一优选实施方式，压电陶瓷单元优选包括两组半圆形压电陶瓷106和两组环形压电陶瓷108，压电陶瓷单元可以将电信号转换为机械振动信号，该单元安装在超声变幅杆105上，其中，半圆形压电陶瓷106用于使变幅杆产生弯曲振动，环形压电陶瓷108用于使变幅杆产生轴向振动。
49.以此方式，可以使超声变幅杆同时产生轴向振动和弯曲振动，使安装于变幅杆前端的金刚石刀具能够产生超声椭圆振动，超声椭圆振动在每个振动周期内进行材料去除之后能够及时将切屑带出，避免刀具前刀面出现材料堆叠，避免切屑对原位辅助激光光路的影响。
50.对于切削模块而言，它主要包括金刚石刀具101。该金刚石刀具101可通过沉头螺钉102将刀具紧固在超声变幅杆105上，并在压电陶瓷单元的驱动下可以使刀具产生超声波椭圆振动，刀具后端面设计为椭球面，并用于确保原位激光投射到刀具后端的任何一处位置都能使激光聚焦到切削刃处。以此方式，实现激光能场和超声能场的复合，避免金刚石刀具在超声振动的情况下，激光无法精准聚焦到切削刃的现象。
51.此外，在金刚石刀具101上方可安装一个防尘盖103，可以防止空气中的灰尘、杂质、切屑等对激光光路造成干扰。防尘盖上设置有出气口104，可以使超声变幅杆105的中心通孔中的惰性气体、灰尘、杂质等排出。
52.超声变幅杆105可以借助螺母111紧固在刀架座110上，刀架座上开有进气口109和走线孔107，压电陶瓷单元需要电信号作为输入，电信号传输用的线缆可以通过走线孔107将压电陶瓷单元和外部信号发生器相连。
53.整体而言，本发明将单点金刚石切削技术与激光原位辅助切削技术等进行了有机融合，而且在此基础上对整个加工设备的内部构造组成及设置方式重新进行了设计，相应能够使得金刚石刀具与工件的连续切削转变为超声频间歇式切削，在降低刀具温度的同时
还有效抑制了刀具的磨损，优化冷却效果；在此基础上，还进一步引入激光抛光光整技术，相应能够有效消除激光场和超声场的复合能场超精密切削中残留的切削刀纹，降低工件表面粗糙度，很好地满足航天光学元件的高效率高精度低损伤制造要求。
54.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。