CN111331261A - 一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法及装置，该方法包括以下步骤：先将超硬材料放置于用于加工的平台上，而后采用纳秒激光器对超硬材料的待切割位置进行竖直切割，从而在超硬材料上形成切割横截面；而后采用飞秒激光器对切割横截面进行扫描加工；继续采用飞秒激光器对切割横截面进行二次扫描加工，完成初步抛光；最后采用纳秒激光器对初步抛光后的切割横截面进行扫描加工，使切割横截面处的微纳结构表面熔融后形成平整、光滑的表面，完成精细抛光加工。本发明方法分别依次通过两种激光器实现对切割横截面的初步抛光和精细抛光，使切割横截面形成平整、光滑的表面，抛光效果好。

Description

一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法及装置
技术领域
本发明属于激光抛光技术领域，具体涉及一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法及装置。
背景技术
超硬材料(Superhard Material)，顾名思义，是指硬度特别高的材料，比如金刚石、立方氮化硼(PCBN)、碳化硅以及一些硬质合金等。超硬材料适于用来制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬质材料方面，具有无可比拟的优越性，占有不可替代的重要地位。
正是因为超硬材料的高硬度特点，传统机械加工这种材料具有非常大的挑战，激光加工作为一种新型加工技术，具有高效率、高柔性等优点，非常适合超硬材料的切割，但激光切割超硬材料的横截面会产生很多条纹，一般是不希望存在的，所以去除条纹并抛光也需要通过激光实现；它通过一个聚焦的激光束斑作用在粗糙的原始材料表面，造成材料表面凸起薄层的熔化和蒸发。熔化的材料，由于材料本身的表面张力和重力的作用发生流动，填补材料表面凹陷处并发生凝固，最终得到理想的抛光材料表面，激光在材料表面抛光应用具有其潜在的各种优势，其不仅具有可选择的抛光速度，无化学污染，抛光过程可检测性，而且是一种非接触加工方法，可以通过计算机来控制，对于复杂的材料表面几何，激光抛光也能快速实现微米尺度的抛光，并且对于不同的材料表面，激光可以选择不同的输出能量和频率特性；但现有技术中对切割横截面的抛光效果不理想。
发明内容
本发明目的在于为克服现有的技术缺陷，提供一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法及装置，分别依次通过两种激光器实现对切割横截面的初步抛光和精细抛光，使切割横截面形成平整、光滑的表面，抛光效果好。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法，包括以下步骤：
S1、先将超硬材料放置于用于加工的平台上，而后采用纳秒激光器对超硬材料的待切割位置进行竖直切割，从而在超硬材料上形成切割横截面；
S2、而后采用飞秒激光器对切割横截面进行扫描加工，用于去除切割横截面处的表面条纹；
S3、继续采用飞秒激光器对切割横截面进行二次扫描加工，使切割横截面处形成微纳结构表面，完成初步抛光；
S4、最后采用纳秒激光器对初步抛光后的切割横截面进行扫描加工，使切割横截面处的微纳结构表面熔融后形成平整、光滑的表面，完成精细抛光加工。
进一步的，步骤S1和S4中，纳秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～100ns，频率100～300KHz。
进一步的，步骤S2和S3中，飞秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～900fs，频率150～1000KHz。
进一步的，所述超硬材料为非金属材料、金属材料或硬质合金。
进一步的，所述超硬材料包括但不限于金刚石、碳化硅、碳化钨、氮化硼等。
还提供了一种超硬材料切割横截面的激光抛光装置，包括可沿X轴和Y 轴方向移动的XY平台以及两组对称设于XY平台上方的第一激光抛光装置和第二激光抛光装置；所述第一激光抛光装置包括竖直设于XY平台上方的第一激光烧蚀头、用于发射激光的纳秒激光器以及将激光传输入第一激光烧蚀头内的第一光路传导镜组；所述第二激光抛光装置包括竖直设于XY平台上方的第二激光烧蚀头、用于发射激光的飞秒激光器以及将激光传输入第二激光烧蚀头内的第二光路传导镜组。
进一步的，所述纳秒激光器和飞秒激光器朝相反方向水平设置，所述第一光路传导镜组和第二光路传导镜组均包括两个呈45度角倾斜并相对设置的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜用于接收纳秒激光器或飞秒激光器发出的激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜，所述第二反射镜用于接收第一反射镜传输来的激光束并将激光束横向传输至第一激光烧蚀头或第二激光烧蚀头。
进一步的，所述第一反射镜与纳秒激光器和飞秒激光器之间均设有扩束镜；所述第一激光烧蚀头或第二激光烧蚀头均包括由上往下依次设置的扫描振镜和场镜，通过所述扫描振镜接收所述第二反射镜传输来的激光束。
还提供了另一种超硬材料切割横截面的激光抛光装置，包括可沿X轴和Y 轴方向移动的XY平台以及设于XY平台上方的激光抛光装置，所述激光抛光装置包括竖直设于XY平台上方的激光烧蚀头、用于发射激光的飞秒激光器以及将飞秒激光器发出的激光传输入激光烧蚀头内的第一光路传导镜组，还包括与所述飞秒激光器平行设置的纳秒激光器以及将纳秒激光器发出的激光传输至第一光路传导镜组的第二光路传导镜组，所述第二光路传导镜组中包括一个可拆卸设于所述飞秒激光器与第一光路传导镜组之间并呈45度角倾斜设置的第三反射镜。
进一步的，所述纳秒激光器和飞秒激光器水平设置并呈上下平行分布，所述第一光路传导镜组包括两个呈45度角倾斜并相对设置的第一反射镜和第二反射镜，所述第二光路传导镜组还包括一个呈45度角倾斜并与第三反射镜相对设置的第四反射镜，所述第四反射镜用于接收纳秒激光器发出的激光束并将激光束纵向传输至第三反射镜，所述第三反射镜用于接收第四反射镜传输来的激光束并将激光束横向传输至第一反射镜，所述第一反射镜用于接收飞秒激光器发出的激光束或接收第三反射镜传输来的激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜，所述第二反射镜用于接收第一反射镜传输来的激光束并将激光束横向传输至所述激光烧蚀头。
进一步的，所述第四反射镜与纳秒激光器设有扩束镜，所述第三反射镜与飞秒激光器之间也设有扩束镜；所述激光烧蚀头包括由上往下依次设置的扫描振镜和场镜，通过所述扫描振镜接收所述第二反射镜传输来的激光束。
本发明具有以下有益效果：
本发明先利用纳秒激光器对切超硬材料进行切割，从而在切割位处形成切割横截面，而后先利用飞秒激光器扫描加工去除切割横截面处的表面条纹，使之基本平整，继续使用飞秒激光器进行二次扫描加工完成初步抛光，进一步提高表面平整度并在表面形成微纳结构，最后再采用纳秒激光器对初步抛光后的切割横截面进行扫描加工，使切割横截面处的微纳结构表面熔融后形成平整、光滑的表面，完成精细抛光加工，整体抛光效果好；且通过控制纳秒激光器和飞秒激光器的激光波长、脉宽、频率参数来进一步确保各步骤扫描加工有效性和加工品质。
另外本发明中提供的激光抛光装置具有结构简单、加工操作方便和适用性广的特点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为实施例1步骤a中第一次切割后的切割横截面的示意图；
图2为实施例1步骤b中切割横截面经第一次扫描加工后的示意图；
图3为实施例1步骤c中切割横截面经初步抛光加工后的示意图；
图4为实施例1步骤d中切割横截面经精细抛光加工后的示意图；
图5为实施例2中激光抛光装置的示意图；
图6为实施例3中激光抛光装置的示意图。
具体实施方式
为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步介绍和说明。
实施例1
本实施例提供一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法，具体包括以下步骤：
a、先将超硬材料固定放置于用于加工的平台上，而后采用设于其上方的纳秒激光器对超硬材料的待切割位置进行竖直切割，从而在超硬材料上形成切割横截面，切割后的切割横截面处存在凹凸不平的条纹(具体结构如图1 所示)，而后将切割后多余的废料取出；切割时，纳秒激光器采用波长为 515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～100ns，频率 100～300KHz；
b、而后采用设于超硬材料上方的飞秒激光器并利用扫描振镜的作用对切割横截面进行扫描加工，用于去除切割横截面处的表面条纹，使切割表面基本平整(具体结构如图2所示)；扫描加工时，飞秒激光器采用波长为 515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～900fs，频率 150～1000KHz；
c、继续采用上述的飞秒激光器并利用扫描振镜的作用对切割横截面进行二次扫描加工，使切割横截面处形成微纳结构表面(具体结构如图3所示)，完成初步抛光；二次扫描加工时，飞秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～900fs，频率150～1000KHz
d、最后采用纳秒激光器并利用扫描振镜的作用对初步抛光后的切割横截面进行第三次扫描加工，使切割横截面处的微纳结构表面熔融后形成平整、光滑的表面(具体结构如图4所示)，完成精细抛光加工；第三次扫描加工时，纳秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为 50～100ns，频率100～300KHz。
上述中，经过第三次扫描加工后熔化的材料，由于材料本身的表面张力和重力的作用发生流动，可有效填补切割横截面的表面凹陷处并发生凝固，最终得到平整、光滑的抛光表面；本实施例中采用激光抛光的方法，激光在材料表面抛光应用具有其潜在的各种优势，其不仅具有可选择的抛光速度，无化学污染，抛光过程可检测性，而且是一种非接触加工方法，可以通过计算机来控制，对于复杂的材料表面几何，激光抛光也能快速实现微米尺度的抛光，并且对于不同的材料表面，激光可以选择不同的输出能量和频率特性进行加工。
上述中的超硬材料为非金属材料、金属材料或硬质合金；具体的，超硬材料包括但不限于金刚石、碳化硅、碳化钨、氮化硼等。
于其它实施例中，步骤a中的平台为可沿X轴和Y轴方向移动的XY平台。
实施例2
如图5所示，本实施例提供了一种超硬材料切割横截面的激光抛光装置，用于实施例1中步骤a到d的对超硬材料的切割横截面进行抛光加工，该激光抛光装置包括可沿X轴和Y轴方向移动的XY平台7以及两组左右对称设于 XY平台7上方的第一激光抛光装置和第二激光抛光装置；第一激光抛光装置包括竖直设于XY平台7上方的第一激光烧蚀头、用于发射激光并置于第一激光烧蚀头上方的纳秒激光器1以及将激光传输入第一激光烧蚀头内的第一光路传导镜组；第二激光抛光装置包括竖直设于XY平台7上方的第二激光烧蚀头、用于发射激光并置于第二激光烧蚀头上方的飞秒激光器2以及将激光传输入第二激光烧蚀头内的第二光路传导镜组；上述中，在加工实施例1的步骤a和d时，先通过移动XY平台使超硬材料的切割横截面位于第一激光烧蚀头的正下方，第一激光烧蚀头将纳秒激光器发射的激光束聚焦成微米级的光斑作用在切割横截面上进行扫描加工；在加工实施例1的步骤b和c时，先通过移动XY平台使超硬材料的切割横截面位于第二激光烧蚀头的正下方，第二激光烧蚀头将飞秒激光器发射的激光束聚焦成微米级的光斑作用在切割横截面上进行扫描加工。
具体的，纳秒激光器1和飞秒激光器2均水平设置并朝相反方向发射激光，使两者形成左右对称设计，第一光路传导镜组和第二光路传导镜组均包括两个呈45度角倾斜并上下相对设置的第一反射镜4和第二反射镜8，第一光路传导镜组中的第一反射镜4用于接收纳秒激光器1发出的水平激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜8，第二反射镜8用于接收第一反射镜4传输来的激光束并将激光束横向传输至第一激光烧蚀头，激光束从第一激光烧蚀头的侧面进入后被其约束继续向下纵向传输并聚焦在切割横截面处；第二光路传导镜组中的第一反射镜4用于接收飞秒激光器2发出的水平激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜8，第二反射镜8用于接收第一反射镜4传输来的激光束并将激光束横向传输至第二激光烧蚀头，激光束从第二激光烧蚀头的侧面进入后被其约束继续向下纵向传输并聚焦在切割横截面处，图5中的箭头即为激光束的传导路径。
具体的，第一光路传导镜组中的第一反射镜4与纳秒激光器1之间设有扩束镜3，第二光路传导镜组中的第一反射镜4与纳飞秒激光器2之间也设有扩束镜3，激光束从激光器中发出后经过扩束镜3的扩束和准直后再横向传输至第一反射镜上。
具体的，第一激光烧蚀头或第二激光烧蚀头均包括由上往下依次设置的扫描振镜5和场镜6，通过扫描振镜5的侧面接收第二反射镜传输来的激光束，而后依靠扫描振镜内的两片反射镜的摆动实现激光束的移动扫描，而场镜的作用是将激光束聚焦成微米级的光斑作用在超硬材料的切割横截面上。
本发明的其它实施例中，纳秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～100ns，频率100～300KHz；所述飞秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～900fs，频率150～1000KHz。
本发明的其它实施例中，上述中的XY平台通过电机和传动机构传动控制其的移动。
本发明的其它实施例中，第一、第二反射镜均采用可反射绿光和红外光的双波段反射镜。
实施例3
如图6所示，本实施例提供了另一种超硬材料切割横截面的激光抛光装置，用于实施例1中步骤a到d的对超硬材料的切割横截面进行抛光加工，该激光抛光装置包括可沿X轴和Y轴方向移动的XY平台7以及设于XY平台7 上方的激光抛光装置，激光抛光装置包括竖直设于XY平台7上方的激光烧蚀头、用于发射激光并置于激光烧蚀头上方的飞秒激光器2以及将飞秒激光器2 发出的激光传输入激光烧蚀头内的第一光路传导镜组，还包括平行设于飞秒激光器2上方并与其上下对称设置的纳秒激光器1以及将纳秒激光器1发出的激光传输至第一光路传导镜组的第二光路传导镜组，第二光路传导镜组中包括一个可拆卸设于飞秒激光器2与第一光路传导镜组之间并呈45度角倾斜设置的第三反射镜9；上述中，在加工实施例1的步骤a和d时，先将第三反射镜安装于飞秒激光器与第一光路传导镜组之间，通过移动XY平台使超硬材料的切割横截面位于激光烧蚀头的正下方，纳秒激光器发出的激光经过第三反射镜后可传输至第一光路传导镜组上，这时第一光路传导镜组接收到的是来自纳秒激光器所发出的激光束，而后激光烧蚀头将纳秒激光器发射的激光束聚焦成微米级的光斑作用在切割横截面上进行扫描加工；在加工实施例1 的步骤b和c时，先将第三反射镜拆卸下来，避免其阻挡在飞秒激光器所发出的激光束传输至第一光路传导镜组的路径上，这时第一光路传导镜组接收到的是来自飞秒激光器所发出的激光束，激光烧蚀头将飞秒激光器发射的激光束聚焦成微米级的光斑作用在切割横截面上进行扫描加工。
具体的，第一光路传导镜组包括两个呈45度角倾斜并相对设置的第一反射镜4和第二反射镜8，第二光路传导镜组还包括一个呈45度角倾斜并与第三反射镜9相对设置的第四反射镜10，在使用纳秒激光器进行加工时，第四反射镜10用于接收纳秒激光器发出的水平激光束并将激光束纵向传输至第三反射镜9，第三反射镜9用于接收第四反射镜10传输来的激光束并将激光束横向传输至第一反射镜4，第一反射镜4用于接收第三反射镜9传输来的激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜8，第二反射镜8用于接收第一反射镜4 传输来的激光束并将激光束横向传输至激光烧蚀头，激光束从激光烧蚀头的侧面进入后被其约束继续向下纵向传输并聚焦在切割横截面处；在使用飞秒激光器进行加工时，将第三反射镜拆卸下来，第一反射镜4用于接收飞秒激光器发出的水平激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜8，第二反射镜8用于接收第一反射镜4传输来的激光束并将激光束横向传输至激光烧蚀头，图6 中的箭头即为激光束的传导路径；上述中，通过一个可拆卸设置的第三反射镜，使纳秒激光器和飞秒激光器在激光束的传导过程中可同时使用一套相同的第一光路传导镜组和激光烧蚀头，大大减少了双激光***所需的部件数量，整体结构简单且降低了成本。
具体的，第四反射镜10与纳秒激光器1设有扩束镜3，第三反射镜9与飞秒激光器2之间也设有扩束镜3，激光束从激光器中发出后经过扩束镜3的扩束和准直后再横向传输至对应的第四反射镜或第一反射镜上。
具体的，激光烧蚀头包括由上往下依次设置的扫描振镜5和场镜6，通过扫描振镜5的侧面接收第二反射镜传输来的激光束，而后依靠扫描振镜内的两片反射镜的摆动实现激光束的移动扫描，而场镜的作用是将激光束聚焦成微米级的光斑作用在超硬材料的切割横截面上。
本发明的其它实施例中，纳秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或 1030～1064nm的红外光，脉宽为50～100ns，频率100～300KHz；所述飞秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～900fs，频率150～1000KHz。
本发明的其它实施例中，因该装置中只有一个激光烧蚀头，即在采用纳秒激光器和飞秒激光器时的激光束聚焦点相同，从而只需在一开始使超硬材料的切割横截面与其的聚焦点对于就行，后期不需要调节，因此可将可移动的XY平台更换成不能移动的固定平台。
本发明的其它实施例中，上述中的XY平台通过电机和传动机构传动控制其的移动。
本发明的其它实施例中，第一、第二、第三和第四反射镜均采用可反射绿光和红外光的双波段反射镜。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、先将超硬材料放置于用于加工的平台上，而后采用纳秒激光器对超硬材料的待切割位置进行竖直切割，从而在超硬材料上形成切割横截面；
S2、而后采用飞秒激光器对切割横截面进行扫描加工，用于去除切割横截面处的表面条纹；
S3、继续采用飞秒激光器对切割横截面进行二次扫描加工，使切割横截面处形成微纳结构表面，完成初步抛光；
S4、最后采用纳秒激光器对初步抛光后的切割横截面进行扫描加工，使切割横截面处的微纳结构表面熔融后形成平整、光滑的表面，完成精细抛光加工。
2.如权利要求1所述的超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法，其特征在于，步骤S1和S4中，纳秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～100ns，频率100～300KHz。
3.如权利要求1所述的超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法，其特征在于，步骤S2和S3中，飞秒激光器采用波长为515～532nm的绿光或1030～1064nm的红外光，脉宽为50～900fs，频率150～1000KHz。
4.如权利要求1-3任一项所述的超硬材料切割横截面的激光抛光工艺方法，其特征在于，所述超硬材料为非金属材料、金属材料或硬质合金。
5.一种超硬材料切割横截面的激光抛光装置，其特征在于，包括可沿X轴和Y轴方向移动的XY平台以及两组对称设于XY平台上方的第一激光抛光装置和第二激光抛光装置；所述第一激光抛光装置包括竖直设于XY平台上方的第一激光烧蚀头、用于发射激光的纳秒激光器以及将激光传输入第一激光烧蚀头内的第一光路传导镜组；所述第二激光抛光装置包括竖直设于XY平台上方的第二激光烧蚀头、用于发射激光的飞秒激光器以及将激光传输入第二激光烧蚀头内的第二光路传导镜组。
6.如权利要求5所述的超硬材料切割横截面的激光抛光装置，其特征在于，所述纳秒激光器和飞秒激光器朝相反方向水平设置，所述第一光路传导镜组和第二光路传导镜组均包括两个呈45度角倾斜并相对设置的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜用于接收纳秒激光器或飞秒激光器发出的激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜，所述第二反射镜用于接收第一反射镜传输来的激光束并将激光束横向传输至第一激光烧蚀头或第二激光烧蚀头。
7.如权利要求6所述的超硬材料切割横截面的激光抛光装置，其特征在于，所述第一反射镜与纳秒激光器和飞秒激光器之间均设有扩束镜；所述第一激光烧蚀头或第二激光烧蚀头均包括由上往下依次设置的扫描振镜和场镜，通过所述扫描振镜接收所述第二反射镜传输来的激光束。
8.一种超硬材料切割横截面的激光抛光装置，其特征在于，包括可沿X轴和Y轴方向移动的XY平台以及设于XY平台上方的激光抛光装置，所述激光抛光装置包括竖直设于XY平台上方的激光烧蚀头、用于发射激光的飞秒激光器以及将飞秒激光器发出的激光传输入激光烧蚀头内的第一光路传导镜组，还包括与所述飞秒激光器平行设置的纳秒激光器以及将纳秒激光器发出的激光传输至第一光路传导镜组的第二光路传导镜组，所述第二光路传导镜组中包括一个可拆卸设于所述飞秒激光器与第一光路传导镜组之间并呈45度角倾斜设置的第三反射镜。
9.如权利要求8所述的超硬材料切割横截面的激光抛光装置，其特征在于，所述纳秒激光器和飞秒激光器水平设置并呈上下平行分布，所述第一光路传导镜组包括两个呈45度角倾斜并相对设置的第一反射镜和第二反射镜，所述第二光路传导镜组还包括一个呈45度角倾斜并与第三反射镜相对设置的第四反射镜，所述第四反射镜用于接收纳秒激光器发出的激光束并将激光束纵向传输至第三反射镜，所述第三反射镜用于接收第四反射镜传输来的激光束并将激光束横向传输至第一反射镜，所述第一反射镜用于接收飞秒激光器发出的激光束或接收第三反射镜传输来的激光束并将激光束纵向传输至第二反射镜，所述第二反射镜用于接收第一反射镜传输来的激光束并将激光束横向传输至所述激光烧蚀头。
10.如权利要求9所述的超硬材料切割横截面的激光抛光装置，其特征在于，所述第四反射镜与纳秒激光器设有扩束镜，所述第三反射镜与飞秒激光器之间也设有扩束镜；所述激光烧蚀头包括由上往下依次设置的扫描振镜和场镜，通过所述扫描振镜接收所述第二反射镜传输来的激光束。
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