[发明专利]一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺

说明书

本发明公开了一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺，该方法采用激光从透明材料一侧穿透待加工材料，并将激光焦点聚焦于待加工表面，对其待加工表面进行预加热。砂轮和激光光路控制系统安装于同一直线轴，并保持砂轮的磨削点距离激光聚焦斑点特定距离处，然后采用超硬磨料砂轮进行磨削去除材料。该方法的磨削轨迹路线为Z字形，以保证加工整个表面的过程中，都是激光预先加热材料，砂轮随后磨削去除软化后的材料。在一定的离焦量范围内，激光对待加工表面的软化效应具有一定深度，与砂轮单颗磨粒切屑厚度分布具有一定的一致性，从而可促进光学玻璃等透明材料的高质量加工。本发明用于透明材料的精密磨削领域。

技术领域

本发明涉及磨削领域，尤其涉及一种激光辅助高效磨削透明材料加工技术。

背景技术

光学玻璃等透明材料兼具有优异的机械性能和光学性能，包括高硬度、高强度以及耐高温、抗氧化性能和光学透过率。但是，光学玻璃的高脆性也对其加工制造工艺提出了更高要求，并且由于会导致快速、严重的刀具磨损，难以直接通过切削、铣削等工艺进行加工。为了获得亚微米级面形精度及纳米级表面粗糙度以满足航空航天及光学成像等领域对光学元器件质量要求，实现光学玻璃高效率超精密加工并改善其表面质量具有重要意义。目前，磨削仍然是加工陶瓷及光学玻璃等硬脆材料的主要方法，其作为一种冷加工技术，具有可加工材料范围广并且可加工复杂形状等其他加工方法所不具备的优势，为硬脆材料的加工提供了切实可行的手段。对光学玻璃、工程陶瓷等材料而言，因其具有非常高的硬度和强度，采用超硬磨料砂轮对其进行磨削成了最常用的加工方式。但是，光学玻璃磨削加工过程中超硬磨粒所施加的力及摩擦产生的热所诱发的工件表面变形、亚表面断裂、残余应力及其他形式的损伤依然不能得到彻底消除。然而，硬脆材料的超精密和高效率加工仍难以兼得。如何在保证加工效率的前提下加工出精度和表面完整性满足要求的元件是人们广泛关注和研究的项目。

激光具有高能量密度并且加热区域可控等优点。采用激光预先加热软化材料并采用切削刀具随后去除材料的激光辅助切削加工技术已被广泛应用于难加工材料的高效、精密加工，包括光学玻璃、陶瓷材料、合金材料及复合材料等，该过程可以明显改善难加工材料的加工表面质量、提高刀具使用寿命。

为了消除和控制光学磨削表面的损伤，结合激光及磨削加工各自的优点，才能提出有效的方法，从而降低后续抛光工艺所需时间，提高整个加工工艺链的效率，以改善光学玻璃材料的加工表面质量及加工效率具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种激光辅助高效磨削透明材料的工艺，改善透明材料(光学玻璃等)磨削表面质量，并提高加工效率。

为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

工作原理：激光光束控制的聚焦系统和砂轮加工系统分别安装于透明工件的两侧，砂轮和激光头(扫描振镜或物镜)安装于同一直线轴上，采用单向仅给、多次磨削的Z字形加工路径以加工整个工件表面，采用激光从被加工透明材料一侧入射，激光束穿过透明材料聚焦于待加工表面且位于砂轮磨削位置前缘，利用激光预先加热软化透明材料，降低材料的脆性，降低磨削诱发表面断裂的发生概率及裂纹的深度，改善磨削工件表面完整性。

所述透明材料是激光各个波段可以透过的其他透光材料，如半透明金刚石、光学玻璃等。

激光包括时间尺度飞秒到纳秒、波长范围红外到紫外所有可以满足本申请条件的激光类型，例如波长为1064nm的红外纳秒光纤激光。

具体的技术方案如下：

一种激光辅助高效磨削透明材料的工艺，步骤如下：

步骤一、将透明待加工工件安装于加工装备的工作台，加工装备配备一个磨削轴用于安装砂轮、2～3个直线轴以实现砂轮的进给运动。

步骤二、将砂轮及激光探头分别安装于透明工件材料的两侧，并调整激光焦点的位置使其处于砂轮磨削未加工表面上；