本發(fā)明屬于激光加工，涉及一種曲面切削加工設(shè)備，特別是一種基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備及加工方法。

背景技術(shù)：

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（cfrp）和陶瓷基復(fù)合材料（cmc）因其獨(dú)特的性能而成為典型的難加工材料。在這些材料的構(gòu)件成型后，通常需要加工一些局部安裝特征。傳統(tǒng)的機(jī)加工方法雖然被廣泛應(yīng)用于這類復(fù)合材料的加工，但由于復(fù)合材料本身的特性，如較低的層間剪切強(qiáng)度和整體剛度/強(qiáng)度，以及復(fù)合材料中高硬度纖維的存在和材料的非均質(zhì)性，使用傳統(tǒng)的機(jī)械切削方法容易導(dǎo)致分層、飛邊、毛刺以及裝夾變形等加工缺陷，進(jìn)而影響加工質(zhì)量。此外，由于缺乏切削液的應(yīng)用，傳統(tǒng)的機(jī)械切削還伴隨著較大的切削力、較差的表面質(zhì)量、較低的加工效率以及嚴(yán)重的刀具磨損等問題。更為關(guān)鍵的是，傳統(tǒng)的機(jī)加工方法難以有效地加工復(fù)合材料構(gòu)件中的微小孔和深窄槽等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。傳統(tǒng)的飛秒激光加工技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的材料去除，但由于材料去除率較低，加工效率成為了限制其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

2、基于上述技術(shù)問題，在現(xiàn)有技術(shù)中，通過采用高平均功率、高峰值功率、高重復(fù)頻率的飛秒激光來提升材料去除率，實(shí)現(xiàn)難加工材料的高效精密冷加工。然而，過高的激光能量密度輸入和長時(shí)間照射材料會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的等離子屏蔽云產(chǎn)生，影響材料繼續(xù)吸收激光和材料區(qū)域，此外，等離子屏蔽云的溫度高，會(huì)造成熱積累，導(dǎo)致不可控的熱損傷。另外，采用多棱鏡掃描振鏡驅(qū)動(dòng)的飛秒激光光束只能加工平面特征，而無法實(shí)現(xiàn)材料的曲面加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種能夠克服高溫等離子體屏蔽云鎖造成的屏蔽效應(yīng)和熱積累效應(yīng)，解決工件的熱損傷問題，并且實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品曲面加工的曲面切削加工設(shè)備。

2、本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備，包括在激光傳播的路徑上設(shè)置有飛秒激光器、移動(dòng)反射鏡、多棱鏡掃描振鏡以及3d掃描振鏡，通過移動(dòng)反射鏡將飛秒激光器產(chǎn)生的高頻脈沖激光束傳導(dǎo)至多棱鏡掃描振鏡或者3d掃描振鏡，其中，

3、通過飛秒激光器產(chǎn)生頻率、脈寬可調(diào)的高頻脈沖激光束，每個(gè)脈沖被分割成脈沖串，且每個(gè)脈沖串中包含多個(gè)子脈沖，一部分子脈沖作為燒蝕材料的子脈沖，另一部分子脈沖作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖，其中，高頻脈沖激光束經(jīng)移動(dòng)反射鏡在多棱鏡掃描振鏡的引導(dǎo)下，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層刻蝕加工工件上x-y平面；

4、多棱鏡掃描振鏡，安裝于第一z軸滑臺(tái)上，每刻蝕一層加工工件表面的材料，多棱鏡掃描振鏡在第一z軸滑臺(tái)的作用下下降一個(gè)刻蝕材料厚度，當(dāng)多棱鏡掃描振鏡加工后，在加工工件的x-y平面形成待加工的階梯狀臺(tái)階；

5、3d掃描振鏡，安裝于第二z軸滑臺(tái)上，通過第二z軸滑臺(tái)帶動(dòng)3d掃描振鏡的升降，高頻脈沖激光束經(jīng)移動(dòng)反射鏡在3d掃描振鏡的引導(dǎo)下，刻蝕由多棱鏡掃描振鏡加工而成的階梯狀臺(tái)階的邊緣。

6、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，在多個(gè)子脈沖中，作為燒蝕材料的子脈沖和作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖交替作用于加工工件上x-y平面的材料，且作為燒蝕材料的子脈沖所含有的脈沖能量大于作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖所含有的脈沖能量。

7、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，脈沖串中子脈沖的數(shù)量為偶數(shù)個(gè)，或者奇數(shù)個(gè)，當(dāng)脈沖串中的子脈沖數(shù)量為偶數(shù)個(gè)時(shí)，每個(gè)脈沖串中作為燒蝕材料的子脈沖數(shù)量和清除等離子體屏蔽云的子脈沖數(shù)量恰好相等，形成一個(gè)脈沖循環(huán)，其中，每個(gè)脈沖串的第一個(gè)子脈沖均為作為燒蝕材料的子脈沖，且每個(gè)脈沖串中作為燒蝕材料的子脈沖與作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖的位置布局相同；當(dāng)脈沖串中的子脈沖數(shù)量為奇數(shù)個(gè)時(shí)，相鄰兩個(gè)脈沖串形成一個(gè)脈沖循環(huán)，其中一個(gè)脈沖串的第一子脈沖為燒蝕材料的子脈沖，另一個(gè)脈沖串中的第一子脈沖為清除等離子體屏蔽云的子脈沖。

8、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，作為燒蝕材料的子脈沖與作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖之間的時(shí)間間隔為1-30ns，相鄰兩個(gè)脈沖之間的間隔時(shí)間作為冷卻時(shí)間。

9、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，多棱鏡掃描振鏡沿激光的傳播路徑依次包括第一反射鏡、多邊棱鏡以及場鏡，且通過多邊棱鏡的旋轉(zhuǎn)將由第一反射鏡傳導(dǎo)而來的高頻脈沖激光束沿不同角度旋轉(zhuǎn)射出，并在加工工件的x-y平面上形成點(diǎn)陣式排列的刻蝕位置，通過場鏡實(shí)現(xiàn)高頻脈沖激光束的聚集。

10、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，高頻脈沖激光束的掃描速度在200-1000m/s。

11、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，在飛秒激光器與移動(dòng)反射鏡之間還設(shè)置有光束準(zhǔn)直模塊、光束整形模塊，其中，

12、通過光束準(zhǔn)直模塊用于對(duì)高頻脈沖激光束進(jìn)行預(yù)處理，該預(yù)處理包括準(zhǔn)直與擴(kuò)束，且該高頻脈沖激光束的光斑分布特性為高斯光分布；

13、通過光束整形模塊用于將預(yù)處理后的高頻脈沖激光束轉(zhuǎn)換為光斑分布特性為平頂光分布的高頻脈沖激光束。

14、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，3d掃描振鏡沿激光的傳播路徑依次設(shè)置有第二反射鏡、第一振鏡以及第二振鏡，且通過第一振鏡和第二振鏡分別驅(qū)動(dòng)高頻脈沖激光束沿x軸和y軸方向移動(dòng)，以此刻蝕由多棱鏡掃描振鏡加工而成的階梯狀臺(tái)階的邊緣。

15、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，還包括x-y雙軸滑臺(tái)，且在x-y雙軸滑臺(tái)上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)模塊，其中，加工工件安裝于旋轉(zhuǎn)模塊上，且通過旋轉(zhuǎn)模塊和x-y雙軸滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)加工工件的旋轉(zhuǎn)和沿水平x軸、y軸方向移動(dòng)。

16、本發(fā)明還提供一種基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備，包括在激光傳播的路徑上設(shè)置有飛秒激光器、移動(dòng)反射鏡、多棱鏡掃描振鏡以及機(jī)加工模塊，通過移動(dòng)反射鏡將飛秒激光器產(chǎn)生的高頻脈沖激光束傳導(dǎo)至多棱鏡掃描振鏡或者機(jī)加工模塊，其中，

17、通過飛秒激光器產(chǎn)生頻率、脈寬可調(diào)的高頻脈沖激光束，每個(gè)脈沖被分割成脈沖串，且每個(gè)脈沖串中包含多個(gè)子脈沖，一部分子脈沖作為燒蝕材料的子脈沖，另一部分子脈沖作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖，其中，高頻脈沖激光束經(jīng)移動(dòng)反射鏡在多棱鏡掃描振鏡的引導(dǎo)下，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層刻蝕加工工件上x-y平面；

18、多棱鏡掃描振鏡，安裝于第一z軸滑臺(tái)上，每刻蝕一層加工工件表面的材料，多棱鏡掃描振鏡在第一z軸滑臺(tái)的作用下下降一個(gè)刻蝕材料厚度，當(dāng)多棱鏡掃描振鏡加工后，在加工工件的表面形成待加工的階梯狀臺(tái)階；

19、機(jī)加工模塊，安裝于第二z軸滑臺(tái)上，通過第二z軸滑臺(tái)帶動(dòng)機(jī)加工模塊的升降，高頻脈沖激光束經(jīng)移動(dòng)反射鏡在機(jī)加工模塊的引導(dǎo)下，刻蝕由多棱鏡掃描振鏡加工而成的階梯狀臺(tái)階的邊緣。

20、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，機(jī)加工模塊包括安裝于第二z軸滑臺(tái)上的電主軸，和與電主軸輸出端相連的刀具，通過電主軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，切削由多棱鏡掃描振鏡加工而成的階梯狀臺(tái)階的邊緣。

21、在上述的基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備中，在飛秒激光器與移動(dòng)反射鏡之間還設(shè)置有光束準(zhǔn)直模塊、光束整形模塊，其中，

22、通過光束準(zhǔn)直模塊用于對(duì)高頻脈沖激光束進(jìn)行預(yù)處理，該預(yù)處理包括準(zhǔn)直與擴(kuò)束，且該高頻脈沖激光束的光斑分布特性為高斯光分布；

23、通過光束整形模塊用于將預(yù)處理后的高頻脈沖激光束轉(zhuǎn)換為光斑分布特性為平頂光分布的高頻脈沖激光束。

24、本發(fā)明還提供一種基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備的加工方法，包括步驟：

25、s1：通過飛秒激光器產(chǎn)生頻率、脈寬可調(diào)的高頻脈沖激光束，并在時(shí)間域內(nèi)將脈沖分割成脈沖串，每個(gè)脈沖串包含多個(gè)子脈沖，其中一部分子脈沖作為燒蝕材料的子脈沖，另一部分脈沖作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖；

26、s2：通過光束準(zhǔn)直模塊對(duì)高頻脈沖激光束進(jìn)行準(zhǔn)直、擴(kuò)束處理；

27、s3：通過光束整形模塊將高斯分布的高頻脈沖激光束轉(zhuǎn)變呈平頂分布的高頻脈沖激光束；

28、s4：通過移動(dòng)反射鏡將平頂分布的高頻脈沖激光束反射至多棱鏡掃描振鏡，通過多棱鏡掃描振鏡中的多邊棱鏡的旋轉(zhuǎn)在空間域上切換照射區(qū)域，形成點(diǎn)陣式排列的刻蝕位置；

29、s5：通過多棱鏡掃描振鏡中的場鏡對(duì)高頻脈沖激光束進(jìn)行聚集，聚集后的高頻脈沖激光束刻蝕加工工件上x-y平面的材料，每刻蝕一層材料，通過第一z軸滑臺(tái)帶動(dòng)多棱鏡掃描振鏡下移一層厚度的距離，降低激光焦點(diǎn)的位置；

30、s6：在完成x-y平面的加工后，安裝在旋轉(zhuǎn)模塊上的加工工件在x-y雙軸滑臺(tái)的作用下移動(dòng)至3d掃描振鏡的下方；

31、s7：平頂分布的高頻脈沖激光束由第二反射鏡反射進(jìn)行3d掃描振鏡中，通過3d掃描振鏡中的第一振鏡和第二振鏡分別驅(qū)動(dòng)高頻脈沖激光束沿x軸和y軸方向移動(dòng)，以刻蝕由多棱鏡掃描振鏡加工而成的階梯狀臺(tái)階的邊緣，完成工件的加工。

32、本發(fā)明還提供一種基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備的加工方法，包括步驟：

33、s1：通過飛秒激光器產(chǎn)生頻率、脈寬可調(diào)的高頻脈沖激光束，并在時(shí)間域內(nèi)將脈沖分割成脈沖串，每個(gè)脈沖串包含多個(gè)子脈沖，其中一部分子脈沖作為燒蝕材料的子脈沖，另一部分脈沖作為清除等離子體屏蔽云的子脈沖；

34、s2：通過光束準(zhǔn)直模塊對(duì)高頻脈沖激光束進(jìn)行準(zhǔn)直、擴(kuò)束處理；

35、s3：通過光束整形模塊將高斯分布的高頻脈沖激光束轉(zhuǎn)變呈平頂分布的高頻脈沖激光束；

36、s4：通過移動(dòng)反射鏡將平頂分布的高頻脈沖激光束反射至多棱鏡掃描振鏡，通過多棱鏡掃描振鏡中的多邊棱鏡的旋轉(zhuǎn)在空間域上切換照射區(qū)域，形成點(diǎn)陣式排列的刻蝕位置；

37、s5：通過多棱鏡掃描振鏡中的場鏡對(duì)高頻脈沖激光束進(jìn)行聚集，聚集后的高頻脈沖激光束刻蝕加工工件上x-y平面的材料，每刻蝕一層材料，通過第一z軸滑臺(tái)帶動(dòng)多棱鏡掃描振鏡下移一層厚度的距離，降低激光焦點(diǎn)的位置；

38、s6：在完成x-y平面的加工后，安裝在旋轉(zhuǎn)模塊上的加工工件在x-y雙軸滑臺(tái)的作用下移動(dòng)至機(jī)加工模塊的下方；

39、s7：通過機(jī)加工模塊中的電主軸驅(qū)動(dòng)刀具高速旋轉(zhuǎn)，切削由多棱鏡掃描振鏡加工而成的階梯狀臺(tái)階的邊緣，完成工件的加工。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

41、（1）、本發(fā)明提供的一種基于飛秒激光高速掃描的曲面切削加工設(shè)備，通過在時(shí)間域上將脈沖分割呈脈沖串，以此能夠避免等離子體屏蔽云的積聚，解決熱積累效應(yīng)問題，另外，通過設(shè)置3d掃描振鏡提高工件的加工質(zhì)量；

42、（2）、在相鄰兩個(gè)脈沖之間增加材料的冷卻時(shí)間，能夠進(jìn)一步避免加工工件的熱損傷；

43、（3）、在空間域中，通過旋轉(zhuǎn)的多邊棱鏡，實(shí)現(xiàn)高頻脈沖激光束超高速掃描策略，即在射擊后立即更換目標(biāo)，防止局部區(qū)域的過度熱積累，增加已照射區(qū)域的休息時(shí)間，而該休息時(shí)間可以作為等離子屏蔽云的消散時(shí)間，從而避免工件的熱損傷；

44、（4）、通過光束整形模塊將高斯分布的高頻脈沖激光束轉(zhuǎn)變成平頂分布的高頻脈沖激光束，更均勻的能量分布可確保一致的材料去除，有助于改善工件加工表面的粗糙度。