CN114473214A - 陶瓷表面双激光束耦合抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，包括：获取待抛光工件的三维模型；根据三维模型生成激光加工轨迹；使用红外激光对待抛光工件的表面进行预热，预热完成后，使用超快激光按照激光加工轨迹，对待抛光工件进行激光冷抛光。本发明所提出的技术方案中，先获取待抛光工件的三维模型，而后根据三维模型生成激光加工轨迹，然后使用红外激光对待抛光工件进行预热，使得待抛光工件的温度接近其熔点温度，预热完成后，使用超快激光按照激光加工轨迹对待抛光工件进行冷抛光，激光冷抛光时，激光与待抛光工件的作用时间很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较低的表面粗糙度和较高的表面质量。

Description

陶瓷表面双激光束耦合抛光方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种陶瓷表面双激光束耦合抛光方法。

背景技术

陶瓷材料由于具备优异的耐热及机械性能，在电子器件、航空航天、生物医学等方面具有广泛的应用。但是由于传统的制造工艺导致的较差的陶瓷器件表面质量，使得陶瓷器件在高精度的应用环境中严重受限。陶瓷零件因硬度高，其抛光一直是现代制造业的加工瓶颈，传统抛光工艺(含人工抛光)均属劳动密集型，存在加工精度差、效率低、污染严重、产品质量缺乏一致性和稳定性等一系列问题，与现代制造装备要实现高度自动化、智能化和网络化的要求格格不入，因此选择或开发一种新型的陶瓷抛光工艺显得尤为重要。

为解决陶瓷零件高效、绿色环保的抛光要求，抛光行业的常规解决方案是采用激光抛光的方式。激光抛光是本世纪最有发展前景和最有效的抛光技术之一，与传统的抛光技术相比，激光抛光具有绿色无污染、抛光效率高、灵活度高、可抛光复杂的自由曲面形状和应用范围广等优点。因此，激光抛光技术被广泛应用于各种材料的表面加工，包括金刚石、陶瓷材料和光学玻璃等硬脆性材料的超精密抛光加工。

目前针对陶瓷的激光抛光主要是通过短脉冲激光的热效应，激光热效应抛光过程是通过材料吸收激光能量实现熔化流动、气化去除或热应力去除来进行抛光。但是由于陶瓷材料脆性较大，在瞬时的激光热作用下，陶瓷表面迅速达到熔点，温度骤变极容易产生裂纹。尽管通过优化激光抛光工艺来实现抛光过程，可以降低陶瓷开裂的程度，但始终无法根除这种现象，因此通过激光热效应抛光容易使得陶瓷表面产生微裂纹，从而降低抛光质量。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提出的陶瓷表面双激光束耦合抛光方法包括：

获取待抛光工件的三维模型；

根据所述三维模型生成激光加工轨迹；

使用红外激光对所述待抛光工件的表面进行预热，预热完成后，再使用超快激光按照所述激光加工轨迹，对所述待抛光工件进行激光冷抛光。

在一些实施例中，所述根据所述三维模型生成激光加工轨迹包括：

识别所述三维模型的待抛光表面的最高层；

基于所述最高层，对所述待抛光表面进行分层，并逐层生成对应的激光加工轨迹。

在一些实施例中，所述对所述待抛光表面进行分层包括：

获取待抛光表面的分层层厚和分层数目；

根据所述分层层厚和分层数目，自所述待抛光表面的最高层进行分层，生成逐层向下的分层抛光模型。

在一些实施例中，在使用红外激光对所述待抛光工件的表面进行预热的步骤之前，还包括：

获取待抛光工件的激光抛光参数和延迟时间；

其中，所述激光抛光参数包括激光功率、脉冲重复频率、脉冲宽度、激光扫描速度、光斑直径、光斑重叠度、离焦量、光束入射角和光斑耦合方式，所述延迟时间为所述红外激光对所述待抛光工件进行辅助预热的时长。

在一些实施例中，所述陶瓷表面双激光束耦合抛光方法在一具有两轴旋转自由度的工作台进行，所述红外激光由第一振镜控制，所述超快激光由第二振镜控制，所述第一振镜和所述第二振镜分别具有三轴自由度；

所述使用红外激光对所述待抛光工件的表面进行预热，预热完成后，再使用超快激光按照所述激光加工轨迹，对所述待抛光工件进行激光冷抛光包括：

判断所述待抛光工件是否为三维曲面；

若是，则控制所述工作台以及所述第一振镜和所述第二振镜，对所述待抛光工件进行五轴数控抛光；

若否，则控制所述第一振镜和所述第二振镜，对所述待抛光工件进行三轴数控抛光。

本发明所提出的技术方案中，先获取待抛光工件的三维模型，而后根据待抛光工件的三维模型生成激光加工轨迹，然后再使用红外激光对待抛光工件进行预热，使得待抛光工件的温度接近其熔点温度，预热完成后，使用超快激光按照生成的激光加工轨迹对待抛光工件进行冷抛光，实现激光冷抛光时，激光与待抛光工件的作用时间很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较低的表面粗糙度和较高的表面质量。

附图说明

图1为本发明陶瓷表面双激光束耦合抛光方法第一实施例的流程图；

图2为本发明陶瓷表面双激光束耦合抛光方法第二实施例的流程图；

图3为本发明陶瓷表面双激光束耦合抛光方法第三实施例的流程图；

图4为本发明陶瓷表面双激光束耦合抛光方法第四实施例的流程图；

图5为本发明陶瓷表面双激光束耦合抛光方法第五实施例的流程图；

图6为本发明一实施例中激光抛光***的结构示意图；

图7为红外激光与紫外皮秒激光抛光陶瓷零件示意图；

图8为短脉冲激光抛光陶瓷零件原理示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

为了克服现有激光抛光陶瓷技术的不足，本发明提供了一种既能避免陶瓷零件的热副作用，又可以实现陶瓷表面精细抛光，同时又能一定程度上解决抛光效率的问题的双激光束耦合抛光的方法。并且方法不仅局限于平面零件的抛光，还可适用于到复杂自由曲面形状的零件激光抛光，可解决陶瓷等硬脆性材料3D曲面抛光的难题，以进一步满足工业生产中的实际需求。

以下介绍本发明陶瓷表面双激光束耦合抛光方法的基本原理：

激光单光子能量公式为E＝h/λ，其中h为普朗克常数，λ为激光波长。根据其公式可知，波长越短，单个光子的能量越大，就越容易通过光化学分解作用实现冷抛光，所以短波长激光常用于精抛光加工。而对于长波长激光，由于单个光子能量较少，激光抛光表面热影响区和热应力较大，易产生裂纹。为了实现激光冷抛光，即通过光化学作用过程进行抛光。而发生光化学作用的必要条件是入射光束的单光子能量大于所加工材料的化学结合键能。当激光进行光化学作用去除材料时，激光光子能够直接打断材料的化学键进而使材料离解。当化学键的打断速度大于其结合速度时，材料加工区域的局部气压将会升高并使离解之后的材料迅速膨胀，最终以***的形式脱离基体并且带走剩余的热量。这种加工过程中激光与材料的作用时间通常很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较高的激光加工精度与表面质量。

但由于陶瓷等硬脆性材料的键能较大，发生单光子吸收光化学作用的临界波长较低266(低于355nm)，紫外激光的波长为355nm，不满足单光子吸收光化学作用条件，但是可以通过多光子吸收实现光化学作用，而增大激光能量密度(迅速的升温，光斑的能量密度大)可以增加材料发生多光子吸收的概率。脉冲激光能量密度，所以我们采用红外纳秒(波长1064nm)激光进行辅助抛光，增加抛光过程的多光子吸收的光化学作用，即此时材料吸收激光光子能量远大于材料化学键能，这时材料化学键断裂速度将会加快，材料迅速以离解的形式脱离基体并带走多余热量，此时光热作用将不会发生或者产生较小的作用效果，光化学作用在抛光过程将占主导作用。通过红外纳秒进行预热，使得化学键进行松动，比较松动，更容易破裂，两个作用，预热，不让陶瓷温度产生骤变，容易破裂，达到熔点温度的七八十百分之左右，有利于吸收多光子的概率。

综上所述，本发明选择紫外皮秒(355nm)超快激光进行抛光，并通过使用红外激光进行辅助预热抛光(增加材料抛光过程发生多光子吸收的概率)，进行双激光束的耦合抛光。紫外皮秒激光与材料表面相互作用时，通过雪崩电离或多光子电离等产生自由电子，使抛光过程发生“多光子吸收”，材料吸收激光光子能量后，此时材料吸收激光光子能量远大于材料化学键能，这时材料化学键断裂速度将会加快，材料的表面成分被迅速去除，在此过程光化学作用占主导地位产生的热影响区较少，可以实现激光冷抛光。

请参见图1以及图6-8，本发明提出一种陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，包括：

步骤S10，获取待抛光工件的三维模型；

步骤S20，根据三维模型生成激光加工轨迹；

步骤S30，使用红外激光对待抛光工件的表面进行预热，预热完成后，再使用超快激光按照激光加工轨迹，对待抛光工件进行激光冷抛光。

本实施例中，待抛光工件的模型可通过3D绘图软件进行绘制，比如SW、CREO、UG等，也可通过三维扫描仪进行绘制，三维扫描仪能够侦测到待抛光工件的形状与外观数据，通过该形状与外观数据可对待抛光工件进行三维重建，从而得到待抛光工件的三维模型。将待抛光工件的三维模型导入至计算机***，计算机***根据该三维模型生成相应的激光加工轨迹。

在生成激光加工轨迹后，先使用红外激光对待抛光工件的表面进行预热，以将待抛光工件的温度升至接近其熔点温度，比如升至熔点温度的80％左右，但不得超过待抛光工件的熔点温度，使得待抛光工件的化学键比较松动，更加容易破裂。预热完成后，使用超快激光(比如紫外皮秒激光)按照生成的激光加工轨迹，对待抛光工件进行激光冷抛光，激光与待抛光工件的作用时间很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以较低的表面粗糙度和较高的表面质量。

其中，红外激光因功率密度较大，主要起到辅助预热被抛光工件表面的作用，增加发生多光子吸收机制的概率，紫外皮秒激光则可结合紫外波长激光和超快激光的优势，对待抛光工件进行光化学作用抛光，实现激光冷抛光的效果。

在一些实施例中，请参见图2，本发明所提出的根据三维模型生成激光加工轨迹包括：

步骤S21，识别三维模型的待抛光表面的最高层；

步骤S22，基于最高层，对待抛光表面进行分层，并逐层生成对应的激光加工轨迹。

本实施例中，在获取到待抛光工件的三维模型后，通过计算机软件识别该三维模型的待抛光表面的最高层，也即分层抛光去除的第一层。而后，基于该最高层对待抛光表面进行分层，并逐层生成对应的激光加工轨迹，在对每层进行激光抛光时，控制超快激光按照对应的激光加工轨迹进行激光冷抛光。

其中，在识别到三维模型的待抛光表面的最高层后，会相对该识别到的最高层再向上增加预设高度，以避免因识别出错而导致遗漏抛光某一部分的材料。比如，假设识别到的三维模型的待抛光表面的最高层为1.5μm，则对应的在该识别的高度上增加0.5μm，如此最终得到的待抛光表面的最高层为2.0μm。

在一些实施例中，请参见图3，本发明所提出的对所述待抛光表面进行分层包括：

步骤S221，获取待抛光表面的分层层厚和分层数目；

步骤S222，根据分层层厚和分层数目，自待抛光表面的最高层进行分层，生成逐层向下的分层抛光模型。

本实施例中，在获取到待抛光工件的三维模型后，通过计算机软件识别该三维模型的待抛光表面的最高层，也即分层抛光去除的第一层。而后，基于该最高层对待抛光表面进行分层，设定分层层数和分层层厚，获得逐层向下的分层抛光模型，并通过对每层进行填充扫描，即可实现待抛光工件(陶瓷)表面进行分层抛光的效果。

在一些实施例中，请参见图4，本发明所提出的在使用红外激光对待抛光工件的表面进行预热的步骤之前，还包括：

步骤S40，获取待抛光工件的激光抛光参数和延迟时间；

其中，激光抛光参数包括激光功率、脉冲重复频率、脉冲宽度、激光扫描速度、光斑直径、光斑重叠度、离焦量、光束入射角和光斑耦合方式，延迟时间为红外激光对待抛光工件进行辅助预热的时长。

本实施例中，为了实现光化学作用的激光冷抛光效果，必须针对不同的加工材料特征，对激光抛光的工艺参数进行优化。激光抛光的工艺参数主要包括激光功率脉冲重复频率、脉冲宽度、激光扫描速度、光斑直径、两光斑重叠度、离焦量、光束入射角和光斑耦合方式等多种工艺参数。其中，延迟时间是红外激光的预热时间，比如延迟时间为3秒，则在红外激光作用3秒后，再控制超快激光对预热后的待抛光工件表面进行激光冷抛光。

在一些实施例中，请参见图5-8，本发明所提出的陶瓷表面双激光束耦合抛光方法在一具有两轴自由度的工作台进行，红外激光由第一振镜控制，超快激光由第二振镜控制，第一振镜和第二振镜分别具有三轴自由度；

使用红外激光对待抛光工件的表面进行预热，预热完成后，再使用超快激光按照激光加工轨迹，对待抛光工件进行激光冷抛光包括：

步骤S31，判断待抛光工件是否为三维曲面；

步骤S32，若是，则控制工作台以及第一振镜和第二振镜，对待抛光工件进行五轴数控抛光；

步骤S33，若否，则控制第一振镜和第二振镜，对待抛光工件进行三轴数控抛光。

本实施例中，第一振镜和第二振镜构成双激光束的振镜***，并分别具有三个自由度(X，Y，Z)，第一振镜用于控制红外激光，第二振镜用于控制超快激光，比如紫外皮秒激光。工作台具有A、C两个旋转自由度，可以为(A，C)。

获得激光加工轨迹后，先判断待抛光工件是否为三维曲面，如果是三维曲面，则控制工作台以及第一振镜和第二振镜对抛光工件进行五轴数控抛光，也即工作台的两个自由度(A，C)以及第一振镜和第二振镜的三个自由度(X，Y，Z)。如果不是三维曲面，则控制第一振镜和第二振镜对待抛光工件进行三轴数控抛光，也即第一振镜以及第二振镜的三个自由度(X，Y，Z)。

本发明的主要有益技术效果为：

第一，本方法采用红外激光和紫外皮秒激光对陶瓷等硬脆性材料进行双激光束耦合抛光加工，可以使得激光在较短作用内实现陶瓷等硬脆性材料表面的精密抛光，并获得高质量的表面。解决了硬脆性材料零件表面抛光的工业难题和需求；

第二，抛光采用的激光采用紫外皮秒激光器，由于紫外皮秒激光脉冲宽度远小于电子-声子耦合时间，也远小于材料的热扩散时间，其加工范围被严格限制在极小的范围，热影响区较少，可以有效避免连续波激光和脉冲激光抛光陶瓷材料过程易发生热副作用(热影响区较大和热裂纹等)的影响；

第三，本发明通过短脉冲对陶瓷表面进行分层抛光，逐层去除表面的微观粗糙波峰结构以获得高质量的表面。该方法通过设置所需要的层厚和分层数目，可以精确有效的控制表面抛光去除的深度，避免造成材料浪费或损伤基底材料；

第四，该方法不仅局限于2D平面的零件抛光，还可通过与五轴运动***结合，适用于到复杂自由曲面形状的零件激光抛光，可解决硬脆性材料3D曲面抛光的难题，以进一步满足工业生产中的实际需求。

以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (5)

1.一种陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，其特征在于，包括：

获取待抛光工件的三维模型；

根据所述三维模型生成激光加工轨迹；

使用红外激光对所述待抛光工件的表面进行预热，预热完成后，再使用超快激光按照所述激光加工轨迹，对所述待抛光工件进行激光冷抛光。

2.根据权利要求1所述的陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，其特征在于，所述根据所述三维模型生成激光加工轨迹包括：

识别所述三维模型的待抛光表面的最高层；

基于所述最高层，对所述待抛光表面进行分层，并逐层生成对应的激光加工轨迹。

3.根据权利要求2所述的陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，其特征在于，所述对所述待抛光表面进行分层包括：

获取待抛光表面的分层层厚和分层数目；

根据所述分层层厚和分层数目，自所述待抛光表面的最高层进行分层，生成逐层向下的分层抛光模型。

4.根据权利要求1所述的陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，其特征在于，在使用红外激光对所述待抛光工件的表面进行预热的步骤之前，还包括：

获取待抛光工件的激光抛光参数和延迟时间；

其中，所述激光抛光参数包括激光功率、脉冲重复频率、脉冲宽度、激光扫描速度、光斑直径、光斑重叠度、离焦量、光束入射角和光斑耦合方式，所述延迟时间为所述红外激光对所述待抛光工件进行辅助预热的时长。

5.根据权利要求1所述的陶瓷表面双激光束耦合抛光方法，其特征在于，所述陶瓷表面双激光束耦合抛光方法在一具有两轴旋转自由度的工作台进行，所述红外激光由第一振镜控制，所述超快激光由第二振镜控制，所述第一振镜和所述第二振镜分别具有三轴自由度；

所述使用红外激光对所述待抛光工件的表面进行预热，预热完成后，再使用超快激光按照所述激光加工轨迹，对所述待抛光工件进行激光冷抛光包括：

判断所述待抛光工件是否为三维曲面；

若是，则控制所述工作台以及所述第一振镜和所述第二振镜，对所述待抛光工件进行五轴数控抛光；

若否，则控制所述第一振镜和所述第二振镜，对所述待抛光工件进行三轴数控抛光。

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