青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置及其方法与流程

本发明涉及一种青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置及其方法，属于激光修锐砂轮的技术领域。

背景技术：

近年来，以光学玻璃、工程陶瓷与硬质合金等硬脆材料制成的工程构件在航空航天、国防、天文观测等尖端领域的应用愈加广泛。超硬磨料砂轮作为硬脆材料精密超精密磨削加工的主要工具，其应用日益广泛、用量急剧增加。其中青铜金刚石砂轮因其具有极高的硬度与抗磨能力，已经成为硬脆材料磨削加工的理想工具。

青铜金刚石砂轮一般通过烧结、电镀或钎焊制备而成，在其制备后与使用过程中，需要对其进行修整才能保持其几何形状与优越的使用性能。但金刚石砂轮超硬特性导致磨钝后存在修整难度大、时间长，修整工具磨耗大等问题，在一定程度上制约了其应用。

金刚石砂轮修整通常包括整形和修锐两个阶段，整形是指微量切削砂轮工作表面，使砂轮获得精确的几何形状；修锐是指去除金刚石磨粒间部分结合剂，使金刚石磨粒突出，形成切削刃，同时具有一定的容屑空间。

目前通常采用传统的机械修整法与电加工等方法对该类砂轮进行修整，存在修整工具损耗大、修整效率低、环境污染重等弊端。

激光修整法是近年快速发展起来的一种绿色新工艺，一般分为分为切向整形和径向修锐，作为一种非接触式修整方法，完全避免了传统修整方法带来的机械损伤与修整工具的损耗，具有高效、环保、适用性广、可控性高等特点。

激光修锐的实质就是利用高能聚焦激光束沿砂轮径向方向辐照其工作表面，利用激光烧蚀的热力学效应将砂轮表面的青铜结合剂选择性微量均匀去除，而对磨粒不造成热损伤，使磨粒突出粘合剂适当的高度，从而沿砂轮表面形成均匀排列的切削刃与微米级烧蚀坑。

目前，对于激光修锐法，国内外学者已经开展了较为广泛深入的研究，大多采用传统长波长连续、毫秒与纳秒红外激光，长脉宽激光的主要去除机制为熔化汽化去除，这种去除机制产生的热效应极易使金刚石产生碳化，产生石墨化变质层，使得砂轮表面疲劳强度和硬度显著降低，从而导致磨削性能下降。

研究表明，在800oc空气环境中青铜基体中铁族金属、cu及其氧化物可以活化金刚石中的碳原子或为其提供活性氧，从而促进金刚石的石墨化转变。可以说激光修锐青铜基金刚石砂轮的石墨化与基体的选择性定量去除等关键性问题仍然未得到较好的解决，成为制约激光修锐金刚石砂轮工程化应用的技术瓶颈。

随着激光光源技术的快速发展，短波长皮秒、飞秒激光以其“电子态”冷加工的技术优势不断向各应用领域的渗透，并获得应用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置，特点是：包括用于发射基频激光的超快激光器以及用于装夹青铜金刚石砂轮的三爪自定心卡盘，三爪自定心卡盘安装于机械臂上，超快激光器的输出光路上依次布置有用于二次谐波转换的倍频系统、用于光束扩束的光束扩束系统以及用于控制光束运动轨迹的高速振镜扫描系统，高速振镜扫描系统的输出端正对于三爪自定心卡盘上的青铜金刚石砂轮。

进一步地，上述的青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置，其中，所述超快激光器是脉宽1～10ps可调、中心波长1030nm、脉冲重复频率为80～400khz可调、最大输出功率50w的超快激光器。

进一步地，上述的青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置，其中，所述扩束系统为伽利略形式望远系统。

进一步地，上述的青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置，其中，所述高速振镜扫描系统包含x轴扫描镜片、y轴扫描镜片以及场镜，其分别置于空间不同位置且两两垂直，场镜位于青铜金刚石砂轮之上且与青铜金刚石砂轮径向方向垂直，x轴扫描镜片位于场镜之上且与青铜金刚石砂轮切向方向平行，y轴扫描镜片位于场镜之上与青铜金刚石砂轮端面方向平行；激光光束入射至x轴扫描镜片，经x轴扫描镜片反射至y轴扫描镜片，经y轴扫描镜片反射至场镜，经场镜透射至青铜金刚石砂轮。

本发明青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐的方法，超快激光器发出波长为1030nm的基频光，经倍频系统二次谐波转换为波长为515nm的绿激光后，由光束扩束系统扩束，经高速振镜扫描系统控制光束运动轨迹并聚焦至青铜金刚石砂轮表面，青铜金刚石砂轮由三爪自定心卡盘夹紧定位，机械臂可带动三爪自定心卡盘轴向转动、移动与径向移动，实现皮秒绿激光对青铜金刚石砂轮修锐。

更进一步地，上述的青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐的方法，所述超快激光器输出光束的脉宽1～10ps可调、中心波长1030nm、脉冲重复频率为80～400khz可调、最大输出功率50w，输出光束正对于倍频系统的输入端。

更进一步地，上述的青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐的方法，倍频系统任意选择基频、倍频之一的激光束，其二次谐波转换效率为50％，将超快激光器输出的波长1030nm基频激光通过二向色反射镜在泵浦辐射中分光为波长515nm的二倍频激光。

更进一步地，上述的青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐的方法，由光束扩束系统放大光束直径、缩小光束发散角、降低功率密度、缩小光斑直径。

更进一步地，上述的青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐的方法，高速振镜扫描系统与机械臂协同运动，控制激光光束在青铜金刚石砂轮表面的修锐轨迹，最大扫描速度大于3m/s，分辨率小于等于15urad，重复定位精度小于等于25urad，入光孔径大于等于9mm，扫描角度±0.35rad。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①利用皮秒激光的冷加工效应，皮秒激光修锐青铜金刚石砂轮时，可以很大程度上减少砂轮表面金刚石磨粒因高温而产生的热损伤；常温下，青铜基体对于红外光吸收率极低，而对于绿激光吸收率很高，金刚石磨粒对于激光具有较高的反射率，皮秒绿激光是修锐青铜金刚石砂轮的理想光源；

②通过调整超快激光器与高速振镜扫描系统的工艺参数，可以实现砂轮表面青铜基体的选择性定量去除，而金刚石不损伤；

③采用三爪自定心卡盘对青铜金刚石砂轮进行定位夹紧，并通过机械臂与高速扫描振镜系统协同运动满足不同修锐轨迹需求；

④采用大功率皮秒绿激光为光源修锐青铜金刚石砂轮，显著提高砂轮修锐的质量，实现砂轮表面青铜基材的选择性定量去除。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明装置的结构示意图；

图2：机械臂的结构示意图；

图3：高速振镜扫描系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决传统红外纳秒激光修锐青铜金刚石砂轮时，青铜基体对于红外光吸收率低以及纳秒激光热效应容易引起金刚石磨粒的热损伤的难题。本发明采用大功率皮秒绿激光为光源修锐青铜金刚石砂轮，提高砂轮修锐的质量，实现砂轮表面青铜基材的选择性定量去除。

如图1、图2所示，青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置，包括用于发射基频激光的超快激光器101以及用于装夹青铜金刚石砂轮106的三爪自定心卡盘105，三爪自定心卡盘105安装于可带动其轴向转动、移动与径向移动的机械臂107上，超快激光器101的输出光路上依次布置有用于二次谐波转换的倍频系统102、用于光束扩束的光束扩束系统103以及用于控制光束运动轨迹的高速振镜扫描系统104，高速振镜扫描系统104的输出端正对于三爪自定心卡盘105上的青铜金刚石砂轮。

其中，超快激光器101是脉宽1～10ps可调、中心波长1030nm、脉冲重复频率为80～400khz可调、最大输出功率50w的超快激光器。

倍频系统102选用目前已较多应用于工业领域中的倍频模块，其原理是基于在角相位匹配非线性晶体中共线的较高的激光辐射谐波，所有在倍频模块中输出的倍频光都是通过二向色反射镜在泵浦辐射中分光产生的。

扩束系统103为伽利略形式望远系统。

如图3所示，高速振镜扫描系统104包含x轴扫描镜片1、y轴扫描镜片2以及场镜3，其分别置于空间不同位置且两两垂直，场镜3位于青铜金刚石砂轮之上且与青铜金刚石砂轮径向方向垂直，x轴扫描镜片1位于场镜之上且与青铜金刚石砂轮切向方向平行，y轴扫描镜片2位于场镜之上与青铜金刚石砂轮端面方向平行；激光光束入射至x轴扫描镜片，经x轴扫描镜片反射至y轴扫描镜片，经y轴扫描镜片反射至场镜，经场镜透射至青铜金刚石砂轮。

采用皮秒激光修整金刚石砂轮时未发生明显的石墨化转变，同时很大程度上抑制金刚石磨粒因为高温而产生的热损伤。另外，考虑到铜基材料对绿激光有较高的吸收率，有利于青铜基金刚石砂轮的选择性定量去除。

本发明青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐的方法，超快激光器101发出波长为1030nm的基频光，输出光束的脉宽1～10ps可调、中心波长1030nm、脉冲重复频率为80～400khz可调、最大输出功率50w，输出光束正对于倍频系统102的输入端；经倍频系统102二次谐波转换为波长为515nm的绿激光后，倍频系统102任意选择基频、倍频之一的激光束，其二次谐波转换效率为50％，将超快激光器输出的波长1030nm基频激光通过二向色反射镜在泵浦辐射中分光为波长515nm的二倍频激光；由光束扩束系统103扩束，光束扩束系统103放大光束直径、缩小光束发散角、降低功率密度易保护光学元件、缩小光斑直径(降低衍射效果)，提高加工精度，避免高能激光在内部聚焦而产生空气电离、损伤镜片，光束扩束系统103为可调式，以实现工作距离的适当调节；经高速振镜扫描系统104控制光束运动轨迹并聚焦至青铜金刚石砂轮106表面，青铜金刚石砂轮106由三爪自定心卡盘105夹紧定位，机械臂107可带动三爪自定心卡盘轴向转动、移动与径向移动，高速振镜扫描系统104与机械臂107协同运动，控制激光光束在青铜金刚石砂轮表面的修锐轨迹，最大扫描速度大于3m/s，分辨率小于等于15urad，重复定位精度小于等于25urad，入光孔径大于等于9mm，扫描角度±0.35rad；实现皮秒绿激光对青铜金刚石砂轮修锐。

三爪自定心卡盘105安装在机械臂107上，根据青铜金刚石砂轮106装夹部分的内圆弧面确定砂轮的回转中心，起到自定心装夹的作用。

机械臂107用于安装三爪自定心卡盘105并带动卡盘轴向转动、移动与径向移动。

青铜金刚石砂轮106为青铜粉末与金刚石磨粒经粉末烧结而成的复合材料。

利用皮秒激光的冷加工效应，皮秒激光修锐青铜金刚石砂轮时，可以很大程度上减少砂轮表面金刚石磨粒因高温而产生的热损伤。常温下，青铜基体对于红外光吸收率极低，而对于绿激光吸收率很高，金刚石磨粒对于激光具有较高的反射率，因此皮秒绿激光是修锐青铜金刚石砂轮的理想光源。

通过调整超快激光器与高速振镜扫描系统的工艺参数，可以实现砂轮表面青铜基体的选择性定量去除，而金刚石不损伤。

采用三爪自定心卡盘对青铜金刚石砂轮进行定位夹紧，并通过机械臂与高速扫描振镜系统协同运动满足不同修锐轨迹需求。

本发明采用大功率皮秒绿激光为光源修锐青铜金刚石砂轮，显著提高砂轮修锐的质量，实现砂轮表面青铜基材的选择性定量去除。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。