[發明專利]一種超聲振動微激光輔助復合單點金剛石切削加工系統

有效

• 申請號: 201911421472.3
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111069767B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 許劍鋒;張建國;徐國清;陳肖;柯金洋;肖峻峰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K26/046
• 分類號: B23K26/046;B23K26/142;B23K26/70
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;孔娜

本發明屬于超精密加工領域，并公開了一種超聲振動微激光輔助復合單點金剛石切削加工系統。該系統包括激光發射模塊和切削模塊，其中，激光發射模塊用于發射激光；切削模塊包括刀具、超聲變幅桿和壓電單元，超聲變幅桿中心設置有通孔，激光發射模塊發射的激光經過該通孔聚集在刀具的刀尖點上，壓電單元將電信號轉化為壓力信號以此使得超聲變幅桿帶動刀具發生振動，以此將切削方式從連續切削轉化為間歇式切削，其中，刀具的刀背端呈橢圓球面，當刀具發生振動時，激光經過刀背端始終聚焦在刀具的刀尖點，避免超聲變幅桿振動時，激光與刀尖點的錯位。通過本發明，實現超聲振動、單點切削技術和微激光輔助加工技術三者有機融合，提高加工效率和精度。

技術領域

本發明屬于超精密加工領域，更具體地，涉及一種超聲振動微激光輔助復合單點金剛石切削加工系統。

背景技術

目前，難加工硬脆材料(如半導體材料、光學晶體材料等)，以其優異的機械性能、光學性能、物理性能和化學性能得到了廣泛的應用。

單點金剛石切削(SPDT)加工是一種采用金剛石刀具進行切削的超精密加工技術，由于金剛石刀具硬度高、刃口鋒利、刀尖半徑精度高、切削變形小，常用于光學系統中具有超優異的表面成形質量和面形精度的光學元件的加工；微激光輔助加工技術是一種采用激光輔助加熱的切削技術，由于激光的輔助使得加工材料的性質發生變化，從而提高加工性能，常用于航空、航天、軍工等領域各種難加工硬脆材料的切削加工；超聲輔助車削技術是刀具以20KHz以上的高頻率、沿切削方向高速振動的一種特種切削技術，由于刀具與工件、切屑斷續接觸，使得刀具所受到的摩擦變小，所產生的熱量大大減少，切削力顯著下降，常用于航空、航天、軍工等領域各種難加工硬脆材料的切削加工。

超聲振動輔助切削技術是一種間歇式的切削方法，在每一個振動周期內可實現材料納米級去除，有效增強刀具冷卻及潤滑，并降低切削力，但是，超聲振動時要求小振幅，易導致加工效率低，對于硬脆性材料，刀具與工件的微觀沖擊作用致使刀具產生崩刃破壞；激光輔助切削技術通過激光加熱軟化材料，增大臨界塑脆轉變深度，提高材料去除率，但是，連續的較大的激光加熱易造成工件表面亞表面損傷導致表面完整性降低；因此，急需一種方法，其既能實現間歇式切削，也能激光輔助加工硬脆性材料，且保證加工工件的表面質量的加工系統能解決上述問題。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種超聲振動微激光輔助復合單點金剛石切削加工系統，巧妙地將超聲振動、單點切削技術和微激光輔助加工技術三者有機融合，其首先通過超聲振動輔助單點切削技術，使得單點切削從連續切削轉化為間歇式切削，避免因大功率激光帶來的亞表面損傷；其次，通過對刀具刀背曲面的設計，使得激光始終聚焦在刀尖點，避刀尖點與激光錯位；最后，通過微激光輔助技術實現難加工硬脆材料臨界塑脆轉變深度的提升，并且在實現單點的切削后，激光對已切削表面進行加熱退火，使工件在加工過程中產生的相變回到原始結構，該加工系統，在保證加工效率的同時兼顧加工表面質量，保證了加工的精度，解決了硬脆材料的超精密加工難于實現的問題。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種超聲振動微激光輔助復合單點金剛石切削加工系統，該系統包括激光發射模塊和切削模塊，其中，

所述激光發射模塊設置在所述切削模塊的后方，用于發射激光；

所述切削模塊包括刀具、超聲變幅桿和壓電單元，所述刀具設置在所述超聲變幅桿的前端，用于進行切削加工，所述超聲變幅桿中心設置有通孔，所述激光發射模塊發射的激光經過該通孔聚集在所述刀具的刀尖點上，所述壓電單元設置在所述超聲變幅桿上，其將電信號轉化為壓力信號以此使得所述超聲變幅桿帶動所述刀具發生振動，以此將切削方式從連續切削轉化為間歇式切削，其中，

所述刀具的刀背端呈橢圓球面，當所述刀具發生振動時，所述激光經過刀背端始終聚焦在所述刀具的刀尖點，避免所述超聲變幅桿振動時，激光與刀尖點的錯位。

進一步優選地，所述刀具刀背端的橢圓球面的截面滿足以下橢圓方程：