[实用新型]一种激光辅助金刚石划切加工系统

说明书

本实用新型为一种激光辅助金刚石划切加工系统，本系统金刚石划切装置的悬臂下端经固定卡具连接金刚石划切头。激光经导引光纤引导至激光头，整形后的激光束聚焦于工件表面，金刚石划切头接触工件表面的点与激光束在工件表面的聚焦点有距离。导引光纤安装于调节结构上的保护壳体内，以便调节激光束。本实用新型的光纤导引的激光束聚焦于工件表面的划切路径上，激光加热工件，使划切部位的材料软化，金刚石划切头紧随激光聚焦光斑，划切加热后强度降低的区域。激光加热后材料强度降低，划切难度降低，且可减少切槽崩边、裂纹缺陷，还可提高加工效率。

技术领域

本实用新型涉及超硬脆性材料的微损伤加工技术，具体为一种激光辅助金刚石划切加工系统，激光加热降低工件表面加工路径上的材料强度，以利于金刚石划切加工。

背景技术

金刚石划切加工脆硬材料是常用的方法，金刚石刀具作用于工件表面，接触产生的压力作用使划切路径上的材料产生塑性变形、滑移，进而使材料破坏分离完成划切加工。由于金刚石莫氏硬度可达9以上，热性能稳定且熔点高于3500摄氏度，长期应用于硬脆材料划切加工，具有划切速度高的特点。但是金刚石划切加工过程中，由于机械冲击的影响，工件切槽两侧面常常产生崩边、裂纹，切槽表面形态难以保持完整、存在缺陷。降低金刚石划切进给速度等方法可以部分降低金刚石划切加工槽的缺陷率，但人们一直在寻找比目前的金刚石划切更加省时高效、且高精度的加工方法。

激光切槽也是常用的脆硬材料加工方法之一。激光能量能汇聚于极小的面积上，获得高能量密度，使工件局部材料受热升温，瞬间汽化，去除受热处的材料，完成加工。但激光能量集中累积在材料加工区域周围，会对工件造成热损伤。激光加热材料相变时压力急剧升高，汽化和液化的材料溅射形成凝固物质颗粒，附着于切槽或工件表面，影响加工质量。而且加工过程中高温产生的等离子体会对激光产生屏蔽作用，降低激光能量的利用效率。再者，目前高精度加工的工件厚度变得越来越薄，材料对机械冲击和热冲击也越来越敏感，激光加工中所产生的热损伤及微裂纹、微孔等缺陷也更易扩展，影响工件服役的寿命。显然当前的激光加工也存在着难以克服的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种激光辅助金刚石划切加工系统，包括金刚石划切装置和光纤导引激光加热装置。激光束中心线和金刚石划切装置悬臂的中心线共面异轴，激光加热装置和金刚石划切装置协同作用于工作台上的工件。激光加热工件，使划切部位的材料软化，再用金刚石刀具划切加热后强度降低的区域，由于加热后的脆硬材料强度降低，其划切的难度降低，且可减少金刚石划切过程中的切槽崩边、裂纹等缺陷，也可提高划切进给速度，提高加工效率。另外由于激光加热较低，不发生熔化、汽化相变，降低加工过程的热损伤、减少激光加工熔渣粘附，改善表面光洁度。

本实用新型设计的一种激光辅助金刚石划切加工系统，包括金刚石划切装置和放置工件的工作台，工作台台面为水平面，工件固定于工作台台面。金刚石划切装置的悬臂中心线垂直于工作台台面，悬臂下端固定固定卡具，固定卡具连接安装金刚石划切头，固定卡具和金刚石划切头的中心线均与悬臂中心线重合。还配置激光加热装置，激光加热装置包括激光器和导引光纤，导引光纤末端连接激光头，激光头内为光纤耦合器和整形光学部件。激光器发出的激光经导引光纤引导至激光头内的光纤耦合器和整形光学部件，整形后的激光束聚焦于工件表面，金刚石划切头接触工件表面的点与激光束在工件表面的聚焦点的水平距离为(1～9)×10μm～(1～5)×10²μm。

所述激光束的中心线与金刚石划切装置悬臂的中心线共面，二者的交角为0°～45°。

所述金刚石划切头尖端直径15μm～40μm。

所述导引光纤末段安装于刚性的保护壳体内，保护壳体安装于固定支架的调节结构上，所述调节结构为可调节高度、水平位移和俯仰角度的调节结构。

所述激光的波长为200nm～1064nm，激光能量密度为10J/cm²～30J/cm²，脉宽100ns～500ns,重复频率10kHz～60kHz。