[发明专利]一种高精度复合能场辅助切削及光整设备及方法

权利要求书

1.一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，该设备包括：

激光发射模块，该激光发射模块用于独立可控地发射两束激光，其中第一束激光(112)被设定为投射至金刚石刀具(101)上且聚焦在金刚石刀具与工件之间的切削区域，用于实现激光能场复合切削；第二束激光(113)被设定为经反射投射于工件表面刀纹的波峰上，用于实现工件表面的激光抛光光整处理；

超声振动模块，该超声振动模块沿着激光束的发射方向设置在所述激光发射模块的前端，并包括超声变幅杆(105)和配套的压电陶瓷单元，其中该压电陶瓷单元由用于使所述超声变幅杆产生弯曲振动的第一压电陶瓷组、以及用于使所述超声变幅杆产生轴向振动的第二压电陶瓷组共同组成；该超声变幅杆在所述压电陶瓷单元的驱动下产生二维超声振动，并且它的中央通孔用于使所述两束激光经其通过；

切削模块，该切削模块包括沿着激光束发射方向继续安装于所述超声变幅杆(105)前端的所述金刚石刀具(101)，并且该金刚石刀具在所述超声变幅杆的驱动下一同发生二维超声振动；此外，该金刚石刀具的后端面被设计为椭球面，用于使得投射到刀具后端任何位置的第一束激光都聚焦到切削刃的区域；

此外，所述激光发射模块被安装于精密微位移运动平台上，该精密微位移运动平台用于根据预设的切削参数计算出工件表面残留刀纹的波峰与波谷之间的横向偏移量，然后基于该横向偏移量进行相应位置调整，由此使得第二束激光经反射后恰好聚焦到工件表面刀纹的波峰上，进而实现切削与光整修复同步进行。

2.如权利要求1所述的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，所述第一束激光、第二束激光采用不同的激光发射器件进行发射，并且第一束激光的光斑直径被设置为可在40μm～150μm之间调节，第二束激光的光斑之间被设置为可在2μm～8μm之间调节。

3.如权利要求1或2所述的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，所述超声振动模块还包括刀架座(110)，所述超声变幅杆通过螺母(111)紧固在该刀架座上，并且该刀架座上开有进气口(109)和走线孔(107)；所述超声变幅杆(105)上还设置有与所述进气口(109)相通的气孔，用于使惰性气体输送到激光束通过的此通孔中，同时带走激光光路上的灰尘及杂质。

4.如权利要求1或2所述的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，所述压电陶瓷单元由两组环形压电陶瓷和两组半圆形压电陶瓷共同组成，其中环形压电陶瓷(108)设置在所述超声变幅杆的后端，用于使该超声变幅杆产生轴向振动；半圆形压电陶瓷设置在所述超声变幅杆的前端，用于使该超声变幅杆产生弯曲振动；以此方式，安装于所述超声变幅杆前端的金刚石刀具被驱动产生超声椭圆振动，进而在每一个振动周期内进行材料去除之后还可及时将切屑带出。

5.如权利要求4所述的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，所述压电陶瓷单元的振动频率被设定为40kHz以上，并且它的轴向振幅和横向振幅均达4um以上。

6.如权利要求1或2所述的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，所述金刚石刀具在其上方设置有防尘盖(103)，该防尘盖用于防止空气中的灰尘及切屑对激光光路造成干扰，同时该防尘盖上还设置有出气口(104)，用于使所述超声变幅杆(105)的中央通孔中的气体及灰尘排出。

7.如权利要求6所述的一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，其特征在于，所述防尘盖(103)的侧边设置有悬臂结构的薄板，该薄板的外部上方安装有螺栓用于调节此薄板与所述防尘盖主体之间的相对位置；此外，在所述薄板的内部下方安装有反射镜，通过所述螺栓在调节薄板相对位置时对此反射镜的角度同步进行调节，进而调节第二束激光的出射角及投射位置。

8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的设备执行高精度复合能场辅助切削及光整的方法，其特征在于，该方法适用于单晶硅、碳化硅之类的航天光学元件的超精密制造应用场合。