一种用于金刚石表面平坦化加工的激光加工装置及方法与流程

本发明属于金刚石加工技术领域，具体涉及一种用于金刚石表面平坦化加工的激光加工装置及方法。

背景技术：

现有金刚石具有自然界最高的硬度、刚性、折射率和导热系数，以及极高的抗磨损性和化学稳定性等优越特性，在机械加工、光学材料、电子电器、宝石加工等领域被广泛应用，并且在光、热、电、声等高新技术领域中的应用前景非常广阔。

人工合成金刚石与天然金刚石性能接近，打破了天然金刚石数量稀缺的限制，具有极大的市场价值。人工合成金刚石有单晶和多晶之分，多晶金刚石晶粒粗大，表面粗糙度差，还可能存在应力变形，需要对其进行平面整形加工，使其平坦化；单晶金刚石不含有不规则晶界、无脆性解离面、具有各向同性，性能表现优于多晶金刚石，但长晶面和切割加工面的精度差，同样也需要平面整形加工。

机械研磨是目前最传统、最常见、最成熟的金刚石加工方法，主要工作形式一般是将微细的金刚石磨粒涂覆在高速旋转的铸铁研磨盘上，被加工的金刚石晶体以一定的压力与研磨盘接触，通过金刚石磨粒与金刚石晶体表面的对磨实现对金刚石晶体的加工，但是，金刚石硬度、刚性、耐磨性极高，造成该方法效率极低，应力大，金刚石表面产生较厚损伤层。后续出现了热化学反应的研磨方法来提高加工效率，但条件要求苛刻，工艺难以控制，目前仍处于理论研究阶段。因此，寻找新方法以提升金刚石平面整形效率并改善表面质量，是目前金刚石加工领域亟待解决的核心技术问题。

激光加工技术具有可加工材料广、变质影响区域小、加工精度可控性强等优越性，被广泛应用于多种材料的切割、打孔、表面改性等方面。如申请号cn201811415381.4的专利，公开了一种激光辅助抛光cvd金刚石的方法，利用激光粗抛、机械精抛的方法达到需要的精度和效率，解决金刚石抛光效率低的问题，首先根据cvd金刚石材料特性选择合适的激光类型，并进行激光烧蚀cvd金刚石模拟仿真，以获得合适的激光烧蚀参数，然后在优选激光工艺参数的基础上进行激光粗抛；最后，为去除激光烧蚀过程中产生的石墨层和微裂纹等表面缺陷，采用抛光盘进行机械精密抛光达到需求的精度。但该方法仅用于金刚石表面的光整加工，无法满足金刚石表面平坦化的平面整形加工要求。目前，未见有激光加工金刚石表面平坦化的相关研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于金刚石表面平坦化加工的激光加工装置及方法，利用激光倾斜角度拉大离焦量范围，使高点多去除、低点少去除，实现金刚石表面高效率平坦化加工，解决目前金刚石表面难加工、效率低、易损伤的难题。

本发明解决其技术问题的技术方案为：一种用于金刚石表面平坦化加工的激光加工装置，包括用于对待加工金刚石表面高点进行削平处理的激光系统组件、用于固定待加工金刚石且能够沿x轴、y轴方向二维水平运动以及自身进行旋转的加工平台组件、用于对待加工金刚石表面形貌进行检测的同轴光位移传感器、用于调控加工和检测过程以及处理分析数据的数控系统，所述同轴光位移传感器设置在加工平台组件上方，所述同轴光位移传感器的信号输出端与数控系统的信号输入端连接，所述数控系统控制激光系统组件的激光入射位置。

所述激光系统组件包括依次排列设置的激光器、振镜、聚焦透镜，所述激光器生成的激光束通过振镜和聚焦透镜在设定位置生成高能量密度光斑，还包括用于调整激光系统组件生成高能量密度光斑的设定位置高度的精密z向位移导轨，所述精密z向位移导轨固定设置在加工平台组件的一侧，所述激光系统组件固定设置在精密z向位移导轨的可上下移动的滑动件上。

所述激光系统组件的激光束辐照水平面的入射角可调范围为60°～89°，以拉大激光在金刚石表面的离焦量范围，使金刚石表面高点离焦小、去除多，低点离焦很大、去除很少，达到平坦化加工效果。

所述加工平台组件包括水平设置的精密xy位移平台、旋转平台，所述xy位移平台用于在水平面上做x向和y向二维运动，带动旋转平台二维运动，所述旋转平台固定设置在xy位移平台上，所述旋转平台用于以自身做圆周运动。

还包括用于固定待加工金刚石的夹具，所述夹具固定设置在旋转平台上。

一种用于金刚石表面平坦化的激光加工方法，包括以下步骤：

s1：金刚石初始形貌检测；

s1.1：将待加工金刚石装夹固定在旋转平台上的中心位置，旋转平台表面平整，作为检测基准面；

s1.2：待加工金刚石在精密xy位移平台的带动下在同轴光位移传感器下方做“x正向-y正向-x负向-y正向-x正向-y正向……”的平面往复进给运动，进给运动范围大于且能够覆盖金刚石全部表面，同轴光位移传感器竖直向下出光测量，采集金刚石表面和检测基准面的所有扫描点的位移值并将数据发送至数控系统；

s1.3：数控系统通过数据处理获得待测金刚石表面三维形貌，得到待加工金刚石的最高点位置(x0，y0，z0)以及金刚石初始厚度h0；

s2：激光聚焦调整：利用激光入射角、激光焦距、金刚石最高点位置参数，依据三角函数关系计算出精密xy位移平台的位移量和激光系统组件的z向位移量，使激光聚焦在金刚石表面最高点位置上；

s3：激光对待加工金刚石表面进行加工：激光器发射的点光束通过振镜和聚焦透镜形成沿y向的线状扫描光束，精密xy位移平台带动金刚石沿x向往复运动，使线状激光束在金刚石表面往复加工，精密xy位移平台完成一次往复运动后，旋转平台带动金刚石旋转一定角度，重复上述往复加工过程。加工一定时间后，金刚石表面最高点被削平，激光系统组件向下进给一段位移，重复上述往复和旋转的加工过程，直至完成加工余量，金刚石整个表面的高点全部被削平，整个表面趋于平坦，线状激光束加工火花平直且均匀为止；

s4：金刚石加工后形貌检测：激光加工完毕后，精密xy位移平台带动金刚石移动至同轴光位移传感器下方，重复步骤s1的检测和数据处理方法，获得激光加工后的金刚石表面三维形貌，以及金刚石加工后厚度h1；计算金刚石初始厚度h0与金刚石加工后厚度h1的差值即为激光加工平面减薄量；计算激光加工后金刚石表面测量二维数组zmn中的极差值即为金刚石表面加工平面度；如果检测金刚石表面平面度、厚度指标满足要求，则完成加工过程；如果检测金刚石表面平面度、厚度指标不满足要求，则重复步骤s2、步骤s3和步骤s4，直至检测指标满足要求为止。

所述步骤s1.3中数控系统数据处理过程为：

s1.3.1：依次读取所有采集位移值数据并构建一维数组z′＝{z1′，z2′，...，zl′}；

s1.3.2：针对一维数组z′中数据进行瞬态特性分析，计算边沿幅度和边沿斜率，从而筛选出数组中所有的处于上升沿和下降沿的数据；

s1.3.3：将所有相邻的上升沿和下降沿之间的数据筛选出，即为待加工金刚石片表面的采集数据，依次获得若干个一维数组z1、z2、z3、z4、z5、z6…，将其进行交替转置，即z2、z4、z6…数组转置后，依据待加工金刚石形态特征将所有一维数组按原次序排列构建二维数组数值缺失的以空值替代，计算该二维数组中所有有效数据的平均值hd；

s1.3.4：以同轴光位移传感器正对旋转平台转轴中心时作为xy位移平台的坐标零点，将同轴光位移传感器采样频率f、x进给速率vx、y单次进给量dy参数代入，生成二维数组数据的x和y坐标，即

s1.3.5：将二维数组zmn及生成的坐标xmn、ymn导入三维直角坐标系，绘制检测出的待加工金刚石表面三维形貌；

s1.3.6：针对数组zmn中的数据逐行逐列进行求导运算，进行波峰检测，筛选出最大峰值区域及其最大峰值z0，以及r中对应的数据(x0，y0，z0)，即待加工金刚石表面最高点位置，同时计算待加工金刚石表面最高点和最低点的差值，作为激光加工参考余量τ；

s1.3.7：利用步骤s1.3.2中相同方法将所有相邻的下降沿和上升沿之间的数据筛选出来，即为检测基准面的采集数据，计算其平均值hb；

s1.3.8：计算hd与hb的差值，即为金刚石片9初始厚度h0。

所述步骤s2激光聚焦调整的计算过程为：设激光聚焦在待加工金刚石最高点位置时的x、y、z三轴坐标为(xf，yf，zf)，利用激光入射角θ、激光焦距f、待加工金刚石表面最高点位置检测数据(x0，y0，z0)、激光系统组件出光点与同轴光位移传感器出光点的水平距离w，依据三角函数关系计算出精密xy位移平台的调整坐标，即(xf，yf)为(w+x0-f·sinθ，y0)，以激光系统组件出光点与旋转平台检测基准面等高时作为z向坐标零点，则计算激光系统组件的z向调整坐标，即zf为z0-hb+f·sinθ，从而使激光聚焦在待加工金刚石表面最高点位置上。

所述步骤s3具体为：激光器发射的平行光束通过振镜和聚焦透镜形成沿y向的线状扫描光束，设定振镜参数使激光y向扫描长度大于待加工金刚石的宽度，即大于精密xy位移平台带动待加工金刚石沿x向往复运动，使线状激光束在待加工金刚石表面往复加工；x向单次往复激光加工范围仅覆盖待加工金刚石表面远离激光器的一半区域，完成一次往复加工后，旋转平台带动待加工金刚石旋转角度β，重复该往复加工过程；旋转平台旋转t周后，待加工金刚石表面最高点被削平，激光系统组件向下进给位移量ε，待加工金刚石的x向往复运动范围坐标向x正向平移ε·tanθ，然后重复上述往复和旋转的加工过程，直至激光系统组件向下进给总量达到激光加工参考余量τ为止，此时待加工金刚石整个表面的高点全部被削平，整个表面趋于平坦，线状激光束加工火花平直且均匀。

所述β可取值5°～90°，t可取值2～20，ε可取值0.005～0.01mm。

本发明的有益效果为：

(1)本发明解决了目前金刚石平面难加工、效率低、易损伤的难题，为金刚石表面平坦化加工提供了新方法和新装置。

(2)本发明属于非接触式加工，金刚石表面不产生加工应力，不易出现破损和裂纹，相较传统机械加工方式降低了废品率。

(3)本发明可以兼顾正方形、长方形、圆形等各类形状以及各种尺寸的金刚石平面的加工，通用性强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明的聚焦位置示意图。

图4是本发明的x向往复加工金刚石范围示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明包括一种用于金刚石表面平坦化加工的激光加工装置，包括用于对待加工金刚石8表面高点进行削平处理的激光系统组件1、用于固定待加工金刚石8且能够沿x轴、y轴方向二维水平运动以及自身进行旋转的加工平台组件、用于对待加工金刚石8表面形貌进行检测的同轴光位移传感器2、用于调控加工和检测过程以及处理分析数据的数控系统3，所述同轴光位移传感器2设置在加工平台组件上方，所述同轴光位移传感器2的信号输出端与数控系统3的信号输入端连接，所述数控系统3控制激光系统组件1的激光入射位置。

所述激光系统组件1包括依次排列设置的激光器101、振镜102、聚焦透镜103，所述激光器101生成的激光束通过振镜102和聚焦透镜103在设定位置生成高能量密度光斑，还包括用于调整激光系统组件1生成高能量密度光斑的设定位置高度的精密z向位移导轨6，所述精密z向位移导轨6固定设置在加工平台组件的一侧，所述激光系统组件1固定设置在精密z向位移导轨6的可上下移动的滑动件上。

所述激光系统组件1的激光束辐照水平面的入射角为60°～89°，以拉大激光在金刚石表面的离焦量范围，使金刚石表面高点离焦小、去除多，低点离焦很大、去除很少，达到平坦化加工效果。

所述加工平台组件包括精密xy位移平台4，旋转平台5，所述xy位移平台4用于在水平面上做x向和y向二维运动，带动旋转平台5做二维运动，所述旋转平台5固定设置在xy位移平台上4，所述旋转平台5用于以自身做圆周运动。

还包括用于固定待加工金刚石8的夹具7，所述夹具7固定设置在旋转平台5上。

在数控系统3控制下，各部件按照设定工艺规则动作，功能相互配合，实现金刚石8表面平坦化加工及相关检测。

一种用于金刚石表面平坦化的激光加工方法，包括以下步骤：

s1：金刚石初始形貌检测；

s1.1：将待加工金刚石装夹固定在旋转平台上的中心位置，也可采用吸附、粘接的方式辅助固定，旋转平台表面平整，作为检测基准面；

s1.2：待加工金刚石在精密xy位移平台的带动下在同轴光位移传感器下方做“x正向-y正向-x负向-y正向-x正向-y正向……”的平面往复进给运动，进给运动范围大于且能够覆盖金刚石全部表面，同轴光位移传感器竖直向下出光测量，采集金刚石表面和检测基准面的所有扫描点的位移值并将数据发送至数控系统；

s1.3：数控系统通过数据处理获得待测金刚石表面三维形貌，得到待加工金刚石的最高点位置(x0，y0，z0)以及金刚石初始厚度h0；

所述步骤s1.3中数控系统数据处理过程为：

s1.3.1：依次读取所有采集位移值数据并构建一维数组z′＝{z1′，z2′，...，zl′}；

s1.3.2：针对一维数组z′中数据进行瞬态特性分析，计算边沿幅度和边沿斜率，从而筛选出数组中所有的处于上升沿和下降沿的数据；

s1.3.3：将所有相邻的上升沿和下降沿之间的数据筛选出，即为待加工金刚石片表面的采集数据，依次获得若干个一维数组z1、z2、z3、z4、z5、z6…，将其进行交替转置，即z2、z4、z6…数组转置后，依据待加工金刚石形态特征将所有一维数组按原次序排列构建二维数组数值缺失的以空值替代，计算该二维数组中所有有效数据的平均值hd；

s1.3.4：以同轴光位移传感器正对旋转平台转轴中心时作为xy位移平台的坐标零点，将同轴光位移传感器采样频率f、x进给速率vx、y单次进给量dy参数代入，生成二维数组数据的x和y坐标，即

s1.3.5：将二维数组zmn及生成的坐标xmn、ymn导入三维直角坐标系，绘制检测出的待加工金刚石表面三维形貌；

s1.3.6：针对数组zmn中的数据逐行逐列进行求导运算，进行波峰检测，筛选出最大峰值区域及其最大峰值z0，以及r中对应的数据(x0，y0，z0)，即待加工金刚石表面最高点位置，同时计算待加工金刚石表面最高点和最低点的差值，作为激光加工参考余量τ；

s1.3.7：利用步骤s1.3.2中相同方法将所有相邻的下降沿和上升沿之间的数据筛选出来，即为检测基准面的采集数据，计算其平均值hb；

s1.3.8：计算hd与hb的差值，即为金刚石片9初始厚度h0；

s2：激光聚焦调整：调整激光系统组件1的角度，使激光束辐照金刚石表面的入射角为75°，利用激光入射角、激光焦距、金刚石最高点位置参数，依据三角函数关系计算出精密xy位移平台的位移量和激光系统组件的z向位移量，使激光聚焦在金刚石表面最高点位置上；

如图3所示，所述步骤s2激光聚焦调整的计算过程为：设激光聚焦在待加工金刚石最高点位置时的x、y、z三轴坐标为(xf，yf，zf)，利用激光入射角θ、激光焦距f、待加工金刚石表面最高点位置检测数据(x0，y0，z0)、激光系统组件出光点与同轴光位移传感器出光点的水平距离w，依据三角函数关系计算出精密xy位移平台的调整坐标，即(xf，yf)为(w+x0-f·sinθ，y0)，以激光系统组件出光点与旋转平台检测基准面等高时作为z向坐标零点，则计算激光系统组件的z向调整坐标，即zf为z0-hb+f·sinθ，从而使激光聚焦在待加工金刚石表面最高点位置上。

s3：激光对待加工金刚石表面进行加工：激光器发射的点光束通过振镜和聚焦透镜形成沿y向的线状扫描光束，精密xy位移平台带动金刚石沿x向往复运动，使线状激光束在金刚石表面往复加工，精密xy位移平台完成一次往复运动后，旋转平台带动金刚石旋转一定角度，重复上述往复加工过程。加工一定时间后，金刚石表面最高点被削平，激光系统组件向下进给一段位移，重复上述往复和旋转的加工过程，直至完成加工余量，金刚石整个表面的高点全部被削平，整个表面趋于平坦，线状激光束加工火花平直且均匀为止；

所述步骤s3具体为：激光器发射的平行光束通过振镜和聚焦透镜形成沿y向的线状扫描光束，设定振镜参数使激光y向扫描长度大于待加工金刚石的宽度，即大于精密xy位移平台带动待加工金刚石沿x向往复运动，使线状激光束在待加工金刚石表面往复加工；为避免激光束辐照金刚石侧面造成边缘塌边问题，如图4所示，x向单次往复激光加工范围仅覆盖待加工金刚石表面远离激光器1的一半区域，完成一次往复加工后，旋转平台带动待加工金刚石旋转10°，重复该往复加工过程，如此既实现了金刚石整个表面的加工，又提高了金刚石边缘的平整度，还有利于弱化金刚石表面加工纹路，降低表面粗糙度；旋转平台旋转2～5周后，待加工金刚石表面最高点被削平，激光系统组件向下进给，进给量ε＝0.01mm，待加工金刚石的x向往复运动范围坐标向x正向平移ε·tanθ，然后重复上述往复和旋转的加工过程，直至激光系统组件向下进给总量达到激光加工参考余量τ为止，此时待加工金刚石整个表面的高点全部被削平，整个表面趋于平坦，线状激光束加工火花平直且均匀。

s4：金刚石加工后形貌检测：激光加工完毕后，精密xy位移平台带动金刚石移动至同轴光位移传感器下方，重复步骤s1的检测和数据处理方法，获得激光加工后的金刚石表面三维形貌，以及金刚石加工后厚度h1；计算金刚石初始厚度h0与金刚石加工后厚度h1的差值即为激光加工平面减薄量；计算激光加工后金刚石表面测量二维数组zmn中的极差值即为金刚石表面加工平面度；如果检测金刚石表面平面度、厚度指标满足要求，则完成加工过程；如果检测金刚石表面平面度、厚度指标不满足要求，则重复步骤s2、步骤s3和步骤s4，直至检测指标满足要求为止。

本发明的有益效果为：

(1)本发明解决了目前金刚石平面难加工、效率低、易损伤的难题，为金刚石表面平坦化加工提供了新方法和新装置。

(2)本发明属于非接触式加工，金刚石表面不产生加工应力，不易出现破损和裂纹，相较传统机械加工方式降低了废品率。

(3)本发明可以兼顾正方形、长方形、圆形等各类形状以及各种尺寸的金刚石平面的加工，通用性强。