[发明专利]超硬材料的激光加工方法及其装置和机床

说明书

一种超硬材料的激光加工方法，以具有线偏振特性的聚焦光斑的移动和其偏振方位角的改变，将工件表面轮廓加工轨迹方向和偏振方向直接关系解耦，使偏振方向只和振镜运动相关。以超硬材料刀具加工为例，应用本发明提供的方法在相同激光输出功率下，应用本发明的方法不仅可以显著提高现有激光直写加工技术的材料去除率，至少20％。还提高了单次材料去除的深度，并减少平面方向分刀，显著缩短加工总路径长度50％以上，综合加工效率平均提高50％以上。

技术领域

本发明涉及一种以激光实施材料加工的方法，尤其涉及一种以激光实施超硬材料加工的方法以形成连续无崩刃的刃口，以及采用此方法的装置和机床。

背景技术

光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象称为光的偏振。它是一种光的横波的振动矢量(垂直于波的传播方向)偏于某些方向的现象。在光的传播过程中，光矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，这种光称为线偏振光(或平面偏振光)，其只沿着一个确定的方向振动，其大小随相位变化、方向不变。当振动矢量呈周期性变化时，根据变化周期又可以分为椭圆偏振光和圆偏振光。当光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化时，为椭圆偏振光。当光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，方向随时间有规律的变化时，为圆偏振光。

用含有输入和反射光束的那个平面定义的坐标系。当光的偏振矢量在这个平面内，则称为P偏振。当偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏振。

矢量偏振光是一种非均匀的偏振光，具有轴对称偏振结构，并且光轴处电场大小相同、偏振方向相反，它在光束的横截面上的每一点的偏振状态不尽相同。径向偏振光的光束横截面上任意一点电场矢量方向始终与径向平行，即通过圆心的各个方向，即径向偏振光是指偏振方向在横截面上沿着径向的偏振光。径向偏振分布具有环形光斑模式分布，属于环形光束模式。与常见的基膜高斯光束不同，环形光束模式的光强分布的特点是光轴处为零，环绕光轴的环状上强度最强。其光强分布类似于一个环。角向偏振光是指偏振方向在横截面上垂直于径向的偏振光，其光强分布也类似于一个环。

目前激光切割(包括脉冲激光和连续激光)广泛应用于金属钣金及型材的切割和打标加工，也有应用于如超硬材料刀具加工等其他领域。对于工业化生产而言，提高生产效率一直是重要课题。在研究中技术人员意识到，除了脉冲激光束的功率、频率及脉宽外，光束的偏振态也会对加工效率和加工质量造成影响，如：华中理工大学激光技术研究所范等人(《激光技术Vol.12 No.5》)和西安理工大学理学院李等人(《激光应用技术第四十期第12卷》)的研究均表明，圆偏振态(C态)光束的加工效率和加工质量均比线偏振态(P态和S态)要有所提高，并且线偏振态的激光在不同加工方向上会有不同程度的切缝宽窄和挂渣程度等特性。虽然也有一些研究表明，径向偏振光(R态)光束的加工效率和加工质量优于圆偏振态(C态)光束，但在实际工业化的激光加工应用中目前使用最广泛的仍然是圆偏振光，而角向偏振光(A态)和径向偏振光(R态)主要用于光镊等非加工类激光光学中。这主要是由于虽然现有多种技术手段可以改变或调制激光偏振态，但受制于技术条件和成本因素，中高功率激光器的角向偏振光和径向偏振光控制的技术手段尚未见工业机加工应用报道。

对于超硬材料刀具的加工而言，目前以金刚石刀具为主的超硬材料刀具的加工主要采用放电线切割、磨削和激光等手段。

以制造应用于微细加工的精密金刚石铣刀来说，放电加工获得的加工表面粗糙度较高，加工区域边缘(即刃口线)发生布局或全部损坏(即崩刃)难以避免，加工效率偏低且其所形成的刃口圆弧半径基本由材料粒度决定，难以获得高质量的尖锐刃口(刃口圆弧半径1000纳米以下保持刃口线连续且无崩刃现象)。

磨削加工通过工艺控制可以获得极佳的加工表面粗糙度和足够小的刃口圆弧半径，但仍然容易发生崩刃，加工效率极低(不到放电线切割效率的1/3)且无法加工复杂形状(即除直线或圆弧外的2维轮廓)。