激光加热辅助铣削光路

1.本发明属于精密光学仪器技术领域，具体而言涉及一种激光加热辅助铣削光路。


背景技术：

2.激光加热辅助铣削是指在铣削工件之前的特定时间，用大功率激光光束照射工件的待加工区域，材料吸收光能而升温，当温度达到一定数值时，材料的铣削特性发生变化。在这种温度下对材料进行铣削，由于材料被软化，使得铣削的切削力减小，又由于材料韧性的提高，铣削时还可减少崩裂毛刺现象，提高加工质量。因此激光辅助铣削既可降低加工难度和成本，又可获得更好的加工效果。
3.通过考察激光加热辅助铣削系统相关专利可以看出，目前相关专利对激光加热辅助系统的研究主要集中在装置构造和功能模块的改进上，对于激光光路的优化比较少。传统的激光辅助加工在使得材料进行软化时，激光光束只是简单的直接照射到加工表面，因为激光能量分布为高斯分布，所以在光斑内其能量分布并不均匀。这就会因为激光光斑照度不均匀而导致材料软化不均匀。且铣刀形状一般为圆柱形，在加工时旋转向前推进，圆形激光光斑并不能很好的包裹铣刀外形区域以加热铣刀前进方向的材料，从而不能有效减小加工后表面残留的毛刺，加工质量难以继续提升。
4.因此研究专用的激光光路，有助于进一步提高激光辅助加热效果，从而进一步提高材料加工的品质，并填补此研究领域的空白。


技术实现要素：

5.本发明提供一种激光加热辅助铣削系统光路，用以解决传统激光加热辅助系统由于光斑为圆形而导致的加热不均匀，以及由于光斑形状与铣刀形状匹配度低而导致的加工效果难以继续提升等问题。
6.为解决上述问题，本发明提出一种激光加热辅助铣削系统光路，包括连接激光器对激光进行准直的准直镜组部分、对准直光束进行一字线形扩束的扩束镜组部分、以及对一字线形激光光斑进行弯曲的反射镜组部分，激光光束依次通过准直镜组对激光进行准直后，经平面反射镜反射后，进入一字线扩束镜组部分对准直光束进行一字线形扩束后，经反射镜组对一字线形激光光斑进行弯曲后到待加工工件表面上。
7.所述准直镜组接受的光束为激光器出射光束，其具有一定的发散角，能量分布呈高斯分布。
8.所述激光加热辅助铣削光路还包括用以改变光路方向的平面反射镜。
9.作为本发明的进一步方案，所述准直镜组为正负透镜组合或双胶合透镜，其面型均为球面镜。
10.作为本发明的进一步方案，所述一字线扩束镜组为鲍威尔棱镜，其曲率半径和圆锥系数是可调节的，以便于改变光斑大小。
11.作为本发明的进一步方案，所述的扩束镜组与反射镜组之间的距离是可调节的，
以便于控制光斑形状，这里主要就是控制光斑弯曲的朝向，因为出射的光线会有一次汇聚，汇聚前后光斑的朝向不同，同时也可以改变光斑大小。
12.作为本发明的进一步方案，所述反射镜组为圆台面反射镜，其母线方向应与由一字线扩束镜组形成的一字线型光束垂直，且与光线传播方向呈一定倾斜角，可通过沿圆台面反射镜的轴线方向移动反射镜的位置来改变一字线激光束所照射区的圆台凹面半径，从而调整照射在工件上的光斑的曲率半径。
13.作为本发明的进一步方案，一字线型光束经所述反射镜组反射后照射到待加工工件表面形成的光斑，其形状为圆弧形。
14.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：在激光加热辅助铣削方面，本发明具有显著优势，通过准直镜组部分、一字线扩束镜组部分、反射镜组部分相互配合能够将具有一定发散角的，能量分布为高斯分布的激光光束转变为能量分布均匀的圆弧形光斑，且光斑大小与曲率半径是可调节的，能够有效的配合各种铣削系统的铣刀进行工作，可以延长铣刀寿命，提高加工效率和加工质量。
附图说明
15.图1是根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路结构示意图。
16.图2是根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路结构3d渲染图 。
17.图3是根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路准直镜组部分结构示意图。
18.图4是根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路一字线扩束镜组部分结构示意图。
19.图5是根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路反射镜组部分结构示意图。
20.图6是根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路光斑点列图。
21.图7是根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路光斑相对照度分布图。
22.附图中，各标号所代表的对象，结构，或者部件说明如下：入射的高斯型光束1、准直镜组2、平面反射镜3、一字线扩束镜组4、圆台面反射镜5、最终待加工工件表面6、正透镜7、负透镜8、鲍威尔棱镜顶端棱9。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
24.请参阅图1，根据本发明实施例的一种激光加热辅助铣削光路，包括连接激光器对激光进行准直的准直镜组部分2、对准直光束进行一字线形扩束的扩束镜组部分4、对一字线进行弯曲的反射镜组部分5。
25.所述准直镜组接受的光束为激光器出射光束1，其波长为1070nm，其具有的发散角为14
°
，能量分布呈高斯分布。
26.所述激光加热辅助铣削光路还包括用以改变光路方向的平面反射镜3，其放置方向与光路夹角为45
°
，用以调整整体光路结构，为铣刀预留空间。
27.请参阅图3，准直镜组2包括一个正透镜7，和一个负透镜8，其面型均为球面镜。经
过准直后的光束发散角为0.022mrad，准直效果优良。
28.请参阅图4，一字线扩束镜组4为鲍威尔棱镜，其顶端棱9形状是弧状，光线经过圆弧状的顶端时会发生折射，从而分散为一字线型光束，顶端棱9的曲率半径和圆锥系数是可调节的。
29.通过调节一字线扩束镜组4与反射镜组5之间的距离，可以控制最终光斑的尺寸。
30.请参阅图5，反射镜5为圆台面反射镜，其母线方向应与由一字线扩束镜组形成的一字线型光束垂直，且与光线传播方向呈一定倾斜角。
31.请参阅图6，一字线型光束经所述反射镜5反射后照射到待加工工件表面形成的光斑，其形状为圆弧形。
32.请参阅图7，在工件表面形成的圆弧形光斑能量分布均匀性优良，可以包裹铣刀，均匀加热铣刀前方的待加工区域。
33.在实际应用中，光纤激光器发出的光束1经准直镜组2后将发散角降低，但准直后的激光仍为高斯光束，其能量主要集中在光束中心部分，鲍威尔棱镜5可以将光束重新分配，从而形成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一字线光束。
34.鲍威尔棱镜5曲面在前，平面在后，其前表面9形状的调节主要依靠曲率半径和圆锥系数两个参数，随着曲率半径的增加，光束发散角不断变小，在同一位置的像面上的线宽也随之变小，随着圆锥系数增大其能量分配更多向一字线中心集中。通过控制这两个参数可以灵活控制一字线光束发散角度以及能量分布。
35.一字线形光束经反射圆台面5反射后，为汇聚状态，应将待加工工件置于其汇聚面之前以确保圆弧形光斑弯曲方向朝向外侧，从而更好地匹配位于外侧的铣刀。同时可以通过调整反射圆台面的曲率半径来调节光斑的曲率半径，用以匹配不同的铣刀。
36.针对激光器出射的发散光束，本发明使用准直镜组将发散光束准直为平行光束，然后，使用一字线扩束镜组将平行激光光束整形为一字线形激光，最后通过反射镜将一字线激光光束转变为圆弧形光束，使其可以在待加工工件上形成圆弧形光斑。通过分析可以证实最后的圆弧形激光光束能够更好的匹配铣刀形状，有着优于传统激光光束的加热效果，有助于提高激光加热辅助铣削的效率。
37.在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
38.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。例如，配合调整反射圆台面反射镜5与鲍威尔棱镜4之间的距离，也可以形成各种尺寸的光斑，也可以匹配不同的铣刀，这些修改和变化使得本发明所述光学系统普适性得到大大增强。因此，本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
39.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的原理和技术方案均属于
本发明的保护范围。凡是不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式和技术原理，都属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种激光加热辅助铣削光路，其特征在于：包括激光光束（1）、准直镜组（2）、平面反射镜（3）、一字线扩束镜组部分（4）和反射镜组部分（5），其中，所述所述准直镜组（2）接收的光束为光纤激光器出射的激光光束（1），具有一定的发散角，且能量分布为高斯型；所述准直镜组（2）包括正透镜和负透镜，用以连接激光光束（1），正透镜和负透镜均为球面镜；平面反射镜（3），放置于准直镜组（2）与一字线扩束镜组（4）之间；所述一字线扩束镜组（4）为鲍威尔棱镜，其顶端棱是弧状，尾端为平面，且顶端朝向平面反射镜（3）；所述反射镜组（5）为圆台面反射镜，从其反射后的光线照射到待加工工件表面（6），其母线方向与由一字线扩束镜组形成的一字线型光束垂直，且与光线传播方向呈一定倾斜角；激光光束（1）依次通过准直镜组（2）对激光进行准直后，经平面反射镜（3）反射后，进入一字线扩束镜组部分（4）对准直光束进行一字线形扩束后，经反射镜组（5）对一字线形激光光斑进行弯曲后到待加工工件表面（6）上。2.根据权利要求1所述的一种激光加热辅助铣削光路，其特征在于准直镜组（2）为双胶合透镜。3.根据权利要求1所述的一种激光加热辅助铣削光路，其特征在于所述平面反射镜（3），放置于准直镜组（2）与一字线扩束镜组（4）之间，且放置方向与光路夹角为45
°
。

技术总结
本发明属于精密光学仪器技术领域，具体是一种专用于激光加热辅助铣削的光路，包括激光光束、准直镜组、平面反射镜、一字线扩束镜组部分和反射镜组部分，所述激光光束依次通过准直镜组对激光进行准直后，经平面反射镜反射后，进入一字线扩束镜组部分对准直光束进行一字线形扩束后，经反射镜组对一字线形激光光斑进行弯曲后到待加工工件表面上。采用上述技术方案，最后的圆弧形激光光束能够更好的匹配铣刀形状，有着优于传统激光光束的加热效果，有助于提高激光加热辅助铣削的效率。于提高激光加热辅助铣削的效率。于提高激光加热辅助铣削的效率。


技术研发人员：王延深 肖君泽 朱竞阳 刘会英 范光华 张殷博
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/9/23