一種精密的激光拋光裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種精密的激光拋光裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光拋光技術(shù)采用激光束掃描加工工件表面，通過(guò)激光與材料相互作用，去除表 面的多余物質(zhì)，形成光滑平面。它是隨著激光技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種新型材料表面處理技 術(shù)，從根本上解決了傳統(tǒng)拋光技術(shù)很難解決的或者根本不可能解決的問(wèn)題，特別是為具有 復(fù)雜形態(tài)和形貌的工件表面的提供了自動(dòng)加工的可能性，因此激光拋光技術(shù)是一種很有前 途的新型材料加工技術(shù)。
[0003] 目前激光拋光技術(shù)主要研究激光參數(shù)對(duì)拋光效果的影響。現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)了多種 激光拋光的裝置和方法，如發(fā)明專利CN101524819A公布了一種采用綠光和紫外光激光拋光 藍(lán)寶石的復(fù)合工藝方法，利用激光福射與材料表面的光熱禪合作用，W蒸發(fā)、烙融等形式為 主去除材料，并伴有微小破碎和光化學(xué)作用機(jī)制去除材料，獲得低表面粗糖度和亞表面損 傷程度的拋光表面。由于衍射效應(yīng)的存在，激光光斑的聚焦直徑大部分在毫米尺度，很難實(shí) 現(xiàn)微納米尺度的激光拋光效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種精細(xì)的激光拋光裝置和方法，實(shí) 現(xiàn)微納米尺度的激光拋光技術(shù)，提高現(xiàn)有技術(shù)的激光拋光質(zhì)量和效果。
[000引本發(fā)明是通過(guò)W下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0006] -種精密的激光拋光裝置，其特征在于，包括脈沖激光器、掃描陣鏡、聚焦偏轉(zhuǎn)光 學(xué)系統(tǒng)、=維移動(dòng)平臺(tái)、玻璃板、聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板、激光控制板、=維精密控制裝 置、計(jì)算機(jī)、微納米顆粒，所述掃描振鏡、聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)位于所述脈沖激光器的激光光 路上，所述微納米顆粒涂覆在玻璃板表面上，所述玻璃板涂覆有微納米顆粒的一面貼合在 待拋光工件上，所述待拋光工件放置在=維移動(dòng)平臺(tái)上;所述聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板、激 光控制板、=維精密控制裝置均與計(jì)算機(jī)連接，所述=維移動(dòng)平臺(tái)與=維精密控制裝置相 連，聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板與聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)相連，所述激光控制板與脈沖激光器相 連。
[0007] 所述的精密的激光拋光裝置的精密激光拋光方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0008] 1)制作表面涂覆有微納米顆粒的玻璃板。
[0009] ①?gòu)氐浊逑床Ａ?首先用肥皂水去除有機(jī)殘留物和油，然后進(jìn)行深層次清洗，分別 在甲醇或丙酬中超聲處理；
[0010] ②親水處理玻璃:采用去離子水漂洗玻璃后，用硝酸和水的體積比為1:3的溶液浸 泡24-32小時(shí)，取出，用去離子水沖洗，用化氣體干燥玻璃備用；
[0011] ③單層微納米顆粒的制備:超聲處理微納米顆粒的溶液，制備成微納米顆粒懸浮 液，使用巧爾帖單體，接通電極作為熱源;玻璃板表面滴上微納米顆粒懸浮液，傾斜放置并 完全干燥；
[0012] 2)待拋光工件表面預(yù)處理:采用機(jī)械方法，利用由粗到細(xì)的砂紙將待拋光的待拋 光工件打磨平整，由拋光機(jī)表面拋光，至表面粗糖度Ra < Iwii;
[0013] 3)玻璃板覆蓋待拋光工件：已表面預(yù)處理好的待拋光工件表面方向?yàn)榇怪毕蛳拢?帶有微納米顆粒的玻璃表面方向?yàn)榇怪毕蛏?，將已預(yù)處理好的待拋光工件表面貼合帶有微 納米顆粒的玻璃表面；
[0014] 4)調(diào)節(jié)激光光束傳播方向與待拋光工件表面法線方向的夾角:迅速翻轉(zhuǎn)貼合好后 的待拋光工件與玻璃板，放置在=維移動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)整聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，使激光光束傳播 方向與待拋光工件表面法線應(yīng)具有夾角e;
[0015] 5)激光福照待拋光工件：
[0016]①設(shè)置激光能量:通過(guò)激光控制板設(shè)置激光能量，根據(jù)材料的激光損傷闊值Jo,選 取福射待拋光工件的激光能量0.9Jo<J<l. 1 Jo;
[0017] ②確定掃描激光搭接率:通過(guò)激光控制板設(shè)置激光的掃描速度，從而確定掃描激 光搭接率Tl;
[0018] ③掃描拋光待拋光工件表面:脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，掃描待拋光工件表面，位 于玻璃板與待拋光工件間的微納米顆粒相當(dāng)于一聚焦透鏡，激光經(jīng)微納米顆粒聚焦后，使 待拋光工件表面凸出或尖端部分烙化，經(jīng)過(guò)激光掃描，實(shí)現(xiàn)拋光效果。
[0019] 優(yōu)選地，所述微納米顆粒直徑R選取為
[0020] 優(yōu)選地，所述激光器發(fā)射的脈沖激光的形狀為平頂光束。
[0021 ]優(yōu)選地，所述制作單層微納米顆粒時(shí)，已滴上微納米顆粒懸浮液的玻璃在干燥時(shí)， 傾斜角度P = 9°。
[0022] 優(yōu)選地，激光光束傳播方向與待拋光工件表面法線的夾角〇<0<45°。
[0023] 優(yōu)選地，所述激光能量J = Jo。
[0024] 優(yōu)選地，掃描激光搭接率Il = 0.2。
[0025] 優(yōu)選地，所述微納米顆粒為Si化顆粒、PS顆粒、金顆粒或銀顆粒。
[0026] 優(yōu)選地，所述待拋光工件為非金屬材料或者含鐵、銅、侶、不誘鋼、鐵的金屬材料。
[0027] 所述的精密的激光拋光裝置和方法的有益效果：
[0028] ①拋光裝置搭建方便，無(wú)需傳統(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械裝置進(jìn)行待拋光工件的拋光處理。搭 建的拋光裝置，使用的偏轉(zhuǎn)振鏡、激光器等都是基本的光學(xué)元件，按照實(shí)驗(yàn)前擬定的光路圖 進(jìn)行搭建，無(wú)需特別購(gòu)買相關(guān)設(shè)備，簡(jiǎn)單易行。
[0029] ②對(duì)于復(fù)雜形態(tài)和形貌的待拋光工件表面，使用該方法依然獲得良好的拋光效 果。傳統(tǒng)的激光拋光，如研磨拋光，會(huì)出現(xiàn)磨痕。通過(guò)原子力顯微鏡等可W觀察到運(yùn)些刮痕， 刮痕深度可能達(dá)到幾十納米，從而影響了拋光質(zhì)量。而采用本專利的方法，利用激光束通過(guò) 偏轉(zhuǎn)振鏡來(lái)回掃描待拋光工件表面，由于微納米顆粒周圍的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，可W實(shí)現(xiàn)高質(zhì) 量的拋光效果。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明所述精密激光拋光裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0031 ]圖2工件表面涂覆有微納米顆粒的分布示意圖。
[0032] 圖3激光垂直入射透明顆粒的光場(chǎng)分布圖及分界面能量分布曲線圖。
[0033] 圖4激光45°角入射透明顆粒的光場(chǎng)分布圖及分界面能量分布曲線圖。
[0034] 圖5為本發(fā)明所述精密激光拋光方法的工藝流程圖。
[0035] 圖6激光拋光前粗糖度曲線。
[0036] 圖7玻璃板表面顆粒沈M圖。
[0037 ]圖8激光拋光后粗糖度曲線。
[0038] 圖中：1-脈沖激光器；2-掃描陣鏡；3-聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)；4-玻璃板；5-待拋光工 件;6-聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板;7-激光控制板;8-S維精密控制裝置;9-計(jì)算機(jī)；10-微納 米顆粒;11-=維移動(dòng)平臺(tái)；31-反射鏡;32-可調(diào)反射鏡;33-聚焦透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖W及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不限于此。
[0040] W下將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳述。
[0041] 如圖1所示為本發(fā)明技術(shù)方案實(shí)施的激光拋光裝置，包含脈沖激光器1、掃描陣鏡 2、聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)3、玻璃板4、待拋光工件5、聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板6、激光控制板7、 =維精密控制裝置8、計(jì)算機(jī)9、微納米顆粒10、=維移動(dòng)平臺(tái)11。所述掃描振鏡2、聚焦偏轉(zhuǎn) 光學(xué)系統(tǒng)3位于所述脈沖激光器1的激光光路上，聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)3主要由反射鏡31、可 調(diào)反射鏡32和聚焦透鏡33組成。所述微納米顆粒10涂覆在玻璃板4表面上，所述玻璃板4涂 覆有微納米顆粒10的一面貼合在待拋光工件5上，所述待拋光工件5放置在=維移動(dòng)平臺(tái)11 上;所述聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板6、激光控制板7、=維精密控制裝置8均與計(jì)算機(jī)9連接， 所述=維移動(dòng)平臺(tái)11與=維精密控制裝置8相連，聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板6與聚焦偏轉(zhuǎn)光 學(xué)系統(tǒng)3相連，所述激光控制板7與脈沖激光器1相連。脈沖激光器1發(fā)射出脈沖激光，經(jīng)過(guò)掃 描陣鏡2控制傳輸脈沖的掃描速度，然后光束進(jìn)入到聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)3,首先經(jīng)過(guò)反射鏡 31實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，射入到與豎直方向成0角的可調(diào)節(jié)反射鏡32,然后經(jīng)過(guò)一聚焦透鏡33,將 脈沖光束會(huì)聚于表面涂覆有微納米顆粒的玻璃板4上，會(huì)聚于待拋光工件4上的光束與豎直 方向成e角。微納米顆粒接觸待拋光工件5的被處理表面，由聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)3調(diào)節(jié)激光作 用于待拋光工件5表面的位置。激光器1參數(shù)由激光控制板7設(shè)置，待拋光工件5的位置參數(shù) 由=維精密控制裝置8設(shè)置，聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)3由聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板6設(shè)置。計(jì)算機(jī) 9用于操作激光控制板7、=維精密控制裝置8和聚焦偏轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)控制板6。
[0042] 本發(fā)明所述的精密激光拋光方法，將表面涂覆有微納米顆粒10的玻璃板4貼附在 待拋光工件5表面，使微納米顆粒10位于玻璃板4與待拋光工件5之間，微納米顆粒10接觸待 拋光工件5的被處理表面。如圖2所示工件表面涂覆有微納米顆粒的分布示意圖。微納米顆 粒相當(dāng)于一聚焦透鏡，激光經(jīng)微納米顆粒聚焦后，在微納米顆粒周圍產(chǎn)生能量增強(qiáng)，使待拋 光工件表面凸出或尖端部分烙化，經(jīng)過(guò)激光掃描，實(shí)現(xiàn)拋光效果。本發(fā)明所述的拋光方法適 用于包含鐵、銅、侶、不誘鋼、鐵等金屬材料，也適用于陶瓷等非金屬材料。
[0043] 如圖3是激光垂直透明顆粒的入射光場(chǎng)分布圖及分界面能量分布曲線圖。圖中實(shí) 線箭頭所指的位置為顆粒和工件表面的分界面。虛線箭頭分別所指的是顆粒的起始位置A 和結(jié)束位置B。能量分布曲線圖的虛線分別對(duì)應(yīng)A和B的位置，實(shí)線表示入射激光能量初始值 1。從能量分布曲線圖可W得出①、③、⑤、⑦、⑨為能量增強(qiáng)點(diǎn)，②、④、⑥、⑧為低能量點(diǎn)，而 且①、③、⑤、⑦、⑨點(diǎn)所在位置恰為待光樣品的凸出或尖端部分，是激光光場(chǎng)能量集中處； ②、④、⑥、⑧點(diǎn)所在的位置恰好為凹處，光場(chǎng)能量較弱或基本無(wú)光場(chǎng)能量，激光能量的重新 分布為拋光工藝奠定了理論可行性。如圖4是透明顆粒激光45°角入射光場(chǎng)分布圖及分界面 能量分布曲線圖，分析與圖3結(jié)論一致。
[0044] 本發(fā)明是利用微納米顆粒的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，通過(guò)微納米顆粒會(huì)聚脈沖激光作用 于材料表面，實(shí)現(xiàn)微納米尺度范圍的激光拋光技術(shù)。具體的，如圖5所示，本發(fā)明所述的精密 激光拋光方法，包括W下步驟：
[0045] 1)制作表面涂覆有微納米顆粒的玻璃板
[0046] ①?gòu)氐浊逑床Ａ?首先用肥皂水去除有機(jī)殘留物和油，然后進(jìn)行深層次清洗，分別 在甲醇或5