[发明专利]一种超声振动微激光辅助复合单点金刚石切削加工系统

说明书

本发明属于超精密加工领域，并公开了一种超声振动微激光辅助复合单点金刚石切削加工系统。该系统包括激光发射模块和切削模块，其中，激光发射模块用于发射激光；切削模块包括刀具、超声变幅杆和压电单元，超声变幅杆中心设置有通孔，激光发射模块发射的激光经过该通孔聚集在刀具的刀尖点上，压电单元将电信号转化为压力信号以此使得超声变幅杆带动刀具发生振动，以此将切削方式从连续切削转化为间歇式切削，其中，刀具的刀背端呈椭圆球面，当刀具发生振动时，激光经过刀背端始终聚焦在刀具的刀尖点，避免超声变幅杆振动时，激光与刀尖点的错位。通过本发明，实现超声振动、单点切削技术和微激光辅助加工技术三者有机融合，提高加工效率和精度。

技术领域

本发明属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种超声振动微激光辅助复合单点金刚石切削加工系统。

背景技术

目前，难加工硬脆材料(如半导体材料、光学晶体材料等)，以其优异的机械性能、光学性能、物理性能和化学性能得到了广泛的应用。

单点金刚石切削(SPDT)加工是一种采用金刚石刀具进行切削的超精密加工技术，由于金刚石刀具硬度高、刃口锋利、刀尖半径精度高、切削变形小，常用于光学系统中具有超优异的表面成形质量和面形精度的光学元件的加工；微激光辅助加工技术是一种采用激光辅助加热的切削技术，由于激光的辅助使得加工材料的性质发生变化，从而提高加工性能，常用于航空、航天、军工等领域各种难加工硬脆材料的切削加工；超声辅助车削技术是刀具以20KHz以上的高频率、沿切削方向高速振动的一种特种切削技术，由于刀具与工件、切屑断续接触，使得刀具所受到的摩擦变小，所产生的热量大大减少，切削力显著下降，常用于航空、航天、军工等领域各种难加工硬脆材料的切削加工。

超声振动辅助切削技术是一种间歇式的切削方法，在每一个振动周期内可实现材料纳米级去除，有效增强刀具冷却及润滑，并降低切削力，但是，超声振动时要求小振幅，易导致加工效率低，对于硬脆性材料，刀具与工件的微观冲击作用致使刀具产生崩刃破坏；激光辅助切削技术通过激光加热软化材料，增大临界塑脆转变深度，提高材料去除率，但是，连续的较大的激光加热易造成工件表面亚表面损伤导致表面完整性降低；因此，急需一种方法，其既能实现间歇式切削，也能激光辅助加工硬脆性材料，且保证加工工件的表面质量的加工系统能解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超声振动微激光辅助复合单点金刚石切削加工系统，巧妙地将超声振动、单点切削技术和微激光辅助加工技术三者有机融合，其首先通过超声振动辅助单点切削技术，使得单点切削从连续切削转化为间歇式切削，避免因大功率激光带来的亚表面损伤；其次，通过对刀具刀背曲面的设计，使得激光始终聚焦在刀尖点，避刀尖点与激光错位；最后，通过微激光辅助技术实现难加工硬脆材料临界塑脆转变深度的提升，并且在实现单点的切削后，激光对已切削表面进行加热退火，使工件在加工过程中产生的相变回到原始结构，该加工系统，在保证加工效率的同时兼顾加工表面质量，保证了加工的精度，解决了硬脆材料的超精密加工难于实现的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种超声振动微激光辅助复合单点金刚石切削加工系统，该系统包括激光发射模块和切削模块，其中，

所述激光发射模块设置在所述切削模块的后方，用于发射激光；

所述切削模块包括刀具、超声变幅杆和压电单元，所述刀具设置在所述超声变幅杆的前端，用于进行切削加工，所述超声变幅杆中心设置有通孔，所述激光发射模块发射的激光经过该通孔聚集在所述刀具的刀尖点上，所述压电单元设置在所述超声变幅杆上，其将电信号转化为压力信号以此使得所述超声变幅杆带动所述刀具发生振动，以此将切削方式从连续切削转化为间歇式切削，其中，

所述刀具的刀背端呈椭圆球面，当所述刀具发生振动时，所述激光经过刀背端始终聚焦在所述刀具的刀尖点，避免所述超声变幅杆振动时，激光与刀尖点的错位。

进一步优选地，所述刀具刀背端的椭圆球面的截面满足以下椭圆方程：