[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

说明书

本发明属于超精密加工相关技术领域，并公开了一种高精度复合能场辅助切削及光整设备，包括激光发射模块、超声振动模块和切削模块等，其中激光发射模块用于独立可控地发射用于实现激光能场辅助切削的一束激光、以及用于实现工件材料表面的抛光光整的另一束激光；超声振动模块具有超声变幅杆和配套压电陶瓷单元，并用于驱动金刚石刀具发射二维超声振动；切削模块包含金刚石刀具，该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。本发明还公开了相应的工艺方法。通过本发明，能够有效抑制刀具磨损，并对切削留下的刀纹进行光整修复，显著降低工件表面粗糙度。

技术领域

本发明属于超精密加工相关技术领域，更具体地，涉及一种高精度复合能场辅助切削及光整设备及方法，其能够有效抑制刀具磨损，并对切削留下的刀纹进行光整修复，显著降低工件表面粗糙度，因而尤其适用于航天光学元件之类的超精密制造应用场合。

背景技术

以单晶硅、碳化硅等为代表的航天光学元件以其优良的光学、机械、物理和化学性能等广泛应用于空间卫星探测、武器光学制导等航天装备的先进精密光电系统中。然而，单晶硅、碳化硅等硬脆难加工材料的超精密切削面临着刀具快速磨损和材料脆性断裂去除等难点，已成为航天光学元件超精密制造领域的核心技术难题之一。

现有技术中，单点金刚石切削、激光原位辅助切削等技术通常被广泛应用于超精密加工领域里。例如，CN202010854326.6、CN201110240310.7等早期专利公开了相关的单点金刚石切削装置及方法。

然而，进一步的研究表明，传统的单点金刚石切削技术在加工硬脆难加工材料时容易出现刀具易磨损、材料易脆性断裂等问题；激光原位辅助切削技术通过原位加热软化工件材料，可提高材料塑性流动能力，增大硬脆难加工材料的塑脆转变深度，提高材料去除率，但是金刚石刀具也更容易发热发生热化学反应，导致使用寿命降低。此外，还有一个需要重视的技术问题是：切削加工必然会在工件表面留下刀纹，使加工表面容易产生光栅效应，进而影响航天光学元件的光学使役能力。

因此，本领域亟需对此作出进一步的研究和改进，以便在实现高自由度高精度高效率低损伤切削加工的同时，还能够重点解决如何抑制刀具磨损、以及如何对切削留下的刀纹进行光整修复等技术难点。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种高精度复合能场辅助切削及光整设备及方法，其通过结合航天光学元件的制造工艺原理和特征，对整个加工设备的内部构造及其设置方式重新进行了设计，相应不仅能够将单点金刚石切削技术与激光原位辅助切削技术更好地进行融合，而且可使得金刚石刀具与工件的连续切削转变为超声频间歇式切削，在降低刀具温度的同时还有效抑制了刀具的磨损；此外，还通过引入及针对性设置激光抛光光整模块，使得激光场与超声场的复合能场切削过程中所残留的切削刀纹被有效消除，显著降低了工件表面粗糙度，因而尤其适用于单晶硅、碳化硅之类的航天光学元件的超精密制造应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了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；