大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911386671.5 (22)申请日 2019.12.29 (71)申请人 中国科学院西安光学精密机械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工 业园信息大道17号 (72)发明人 李珣李明 (74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 61211 代理人 汪海艳 (51)Int.Cl. B23K 26/02(2014.01) B23K 26/046(2014.01) B23K 26/36(2014.01) (54)发明名称 一种大幅面曲面零件内壁微纳。

2、结构的加工 方法 (57)摘要 本发明属于激光加工领域， 具体涉及一种大 幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法， 解决传 统消光方式存在的寿命短， 易污染镜头、 特殊区 域无法消光、 功能不稳定等问题。 具体采用一个 长度可调节的非球面反射镜对从聚焦模块出射 的光束进行二次聚焦并反射， 使得光束法向入射 至加工表面， 确保了激光微纳加工的精度、 一致 性， 具有长寿命、 无污染， 且可加工任何表面的优 点。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 111055010 A 2020.04.24 CN 111055010 A 1.一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法， 其特征在于： 包括以下。

3、步骤： S1： 测量激光加工系统的后工作距离Lf； S2： 工件定位安装； 采用机械加工平台上的卡状夹具对待加工工件进行定位安装， 使得待加工工件开口朝 向激光加工头； S3： 测量待加工工件内壁直径； 测量待加工工件内壁直径， 获得待加工工件内壁的直径变化区间D0-Dn； 其中D0为待 加工工件内壁的最小直径， Dn为待加工工件内壁的最大直径； S4： 以光学系统焦深为单位划分待加工工件区域； 沿待加工工件的轴向方向， 在直径变化区间D0-Dn内将待加工工件的内壁划分为多 个沿轴向排布的环形加工区域； 每个环形加工区域最大直径与最小直径的差值为2f； 其 中2f为光学系统焦深； S5： 确定。

4、非球面反射镜的安装位置； S51、 将长度可调节的非球面反射镜固定在待加工工件内部并置于聚焦模块的出射光 路中； 聚焦模块的出射光路与待加工工件的中心轴重合； S52、 根据第一待加工环形区域的轴向坐标， 确定非球面反射镜在待加工工件轴向的起 始位置z1， 使得经长度可调节的非球面反射镜反射的光束直接指向第一待加工环形区域最 小直径对应的环形区域； S53： 确定非球面反射镜与聚焦模块之间的轴向安装距离LLf-r1， 其中r1为第一待加 工环形区域的平均直径； 记录此时机床的空间位置坐标(x1， y1， z1)； 第一待加工环形区域的 轴向高度为H1； S6： 加工第一待加工环形区域； 设定激。

5、光加工参数， 开启激光进行第一待加工环形区域的实际加工； S7： 第一待加工环形区域加工完成后， 机床的空间位置坐标由(x1， y1， z1)变为(x1， y1， z1-H1)； S8： 通过调整非球面反射镜导轨距离， 在线将非球面反射镜与聚焦模块轴向安装距离 调整为LLf-r2； 其中r2为第二待加工环形区域的平均直径； 第二待加工环形区域的轴向 高度为H2； S9： 设定激光加工参数， 开启激光进行第二待加工环形区域的实际加工； 第二待加工环 形区域加工完成后， 机床的空间位置坐标由(x1， y1， z1-H1)变为(x1， y1， z1-H1-H2)； S10： 通过调整非球面反射镜导轨。

6、距离， 在线将非球面反射镜与聚焦模块的轴向安装距 离调整为LLf-r3； 其中r3为第三待加工环形区域的平均直径； 第三待加工环形区域的轴 向高度为H3； S11： 重复步骤s9-s10的操作， 直至完成第n待加工环形区域的加工。 2.根据权利要求1所述的一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法， 其特征在于： 第一待加工环形区域至第n待加工环形区域的平均直径依次增大。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111055010 A 2 一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法 技术领域 0001 本发明属于激光加工领域， 具体涉及一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方 法。 背景技术 0002 我。

7、国航空航天领域存在大量的大幅面曲面构件， 需要对其内壁表面进行消光减 反， 起到消除外界及系统杂散光， 提高航空航天系统战术性能指标的重要作用。 例如针对天 文望远镜遮光罩内壁消光减反及星敏镜头遮光罩消光减反等， 遮光罩消光减反决定卫星抗 杂散光能力， 影响卫星探测精度， 是其稳定运行的关键。 0003 此类构件一般具有幅面大、 面型特殊(均为不可展开的非球面)、 材料多样(不锈 钢、 钛合金、 镍合金、 镁铝合金等金属材料)等性能， 因此传统采用喷砂、 黑漆氧化、 黑丝绒布 等消光方式， 但均存在寿命短， 易污染镜头、 特殊区域无法消光、 功能不稳定等缺陷。 发明内容 0004 为了解决传统。

8、消光方式存在的寿命短， 易污染镜头、 特殊区域无法消光、 功能不稳 定等问题， 本发明提供一种大幅面曲面零件内壁微纳结构的加工方法， 采用飞秒激光在大 幅面曲面零件内壁加工微纳结构， 实现消光减反， 具有简易、 精度高、 效率高等优点。 0005 飞秒激光由于具有柔性、 非接触式冷加工的技术优势， 成为在材料上进行功能结 构制备的最优选择。 因此， 本发明考虑利用飞秒激光在大幅面曲面零件内壁加工具有消光 减反功能微纳结构。 因大幅面曲面零件内壁的功能微纳制造存在激光加工头与构件机械干 涉、 挡光等问题， 使得一些特殊位置不能进行加工。 所以有关大曲率内壁表面消光减反微纳 结构的研究、 制备还鲜。

9、有报道。 0006 目前国内外在飞秒激光消光减反功能微纳结构的加工方面， 还局限于在片面衬底 材料上制备， 用于研究飞秒激光与材料的相互作用、 减反微纳结构的成形成性机理。 0007 本发明针对构件面积、 曲率较大、 零件口径较小及焦距受限而造成的激光加工头 与构件机械干涉， 挡光或者激光无法法向入射至加工表面从而无法进行加工或者加工质量 下降等问题， 设计了一种激光内壁微纳结构加工方法， 具体采用一个长度可调节的非球面 反射镜对从聚焦模块出射的光束进行二次聚焦并反射， 使得光束法向入射至加工表面， 确 保了激光微纳加工的精度、 一致性。 0008 因此， 针对上述目的， 提出以下技术解决方案。

10、提供一种大幅面曲面零件内壁表面 消光减反微纳结构加工方法， 包括以下步骤： 0009 S1： 测量激光加工系统的后工作距离Lf； 0010 S2： 工件定位安装； 0011 采用机械加工平台上的卡状夹具对待加工工件进行定位安装， 使得待加工工件开 口朝向激光加工头； 0012 S3： 测量待加工工件内壁直径； 说明书 1/4 页 3 CN 111055010 A 3 0013 测量待加工工件内壁直径， 获得待加工工件内壁的直径变化区间D0-Dn； 其中D0 为待加工工件内壁的最小直径， Dn为待加工工件内壁的最大直径； 0014 S4： 以光学系统焦深为单位划分待加工工件区域； 0015 沿待。

11、加工工件的轴向方向， 在直径变化区间D0-Dn内将待加工工件的内壁划分 为多个沿轴向排布的环形加工区域； 每个环形加工区域最大直径与最小直径的差值为2 f； 其中2f为光学系统焦深； 0016 S5： 确定非球面反射镜的安装位置； 0017 S51、 将长度可调节的非球面反射镜固定在待加工工件内部并置于聚焦模块的出 射光路中； 聚焦模块的出射光路与待加工工件的中心轴重合； 0018 S52、 根据第一待加工环形区域的轴向坐标， 确定非球面反射镜在待加工工件轴向 的起始位置z1， 使得经长度可调节的非球面反射镜反射的光束直接指向第一待加工环形区 域最小直径对应的环形区域； 0019 S53： 确。

12、定非球面反射镜与聚焦模块之间的轴向安装距离LLf-r1， 其中r1为第一 待加工环形区域的平均直径； 记录此时机床的空间位置坐标(x1， y1， z1)； 第一待加工环形区 域加工的轴向高度为H1； 0020 S6： 设定激光加工参数， 开启激光进行第一待加工环形区域的实际加工； 其中， 激 光加工参数主要包括： 加工参数功率、 重频、 单脉冲能量、 波长， 上述参数的具体值根据所要 加工材料有关； 0021 加工第一待加工环形区域具体方式为： 非球面反射镜先绕360 完成一个环形线的 加工， 然后由机床带着聚焦模块沿Z轴上升一个聚焦光斑大小的位置， 例如如若激光加工的 焦斑尺寸为0， 则机床。

13、带着聚焦模块沿Z轴上升0， 此时的机床空间位置坐标由(x1， y1， z1)变为(x1， y1， z1-0)， 再绕360 完成一个环形线的加工， 由此通过非球面反射镜的旋转 以及聚焦模块沿Z轴的升高最终完成第一待加工环形区域H1的加工； 0022 S7： 观察机床的空间位置坐标由(x1， y1， z1)变为(x1， y1， z1-H1)时； 则表示第一待加 工环形区域加工完成， 关闭激光； 0023 S8： 通过调整非球面反射镜导轨距离， 在线将非球面反射镜与聚焦模块轴向安装 距离调整为LLf-r2； 其中r2为第二待加工环形区域的平均直径； 第二待加工环形区域的 轴向高度为H2； 0024。

14、 S9： 设定激光加工参数， 开启激光进行第二待加工环形区域的实际加工； 0025 加工过程同步骤S6， 机床的空间位置坐标由(x1， y1， z1-H1)变为(x1， y1， z1-H1-H2) 时表示第二待加工环形区域加工完成， 关闭激光； 0026 S10： 通过调整非球面反射镜导轨距离， 在线将非球面反射镜与聚焦模块的轴向安 装距离调整为LLf-r3； 其中r3为第三待加工环形区域的平均直径； 第三待加工环形区域 的轴向高度为H3； 0027 S11： 重复步骤s9-s10的操作， 直至完成第n待加工环形区域的加工。 0028 进一步地， 第一待加工环形区域至第n待加工环形区域的平均直。

15、径依次增大， 从上 到下依次加工。 0029 本发明的有益效果是： 0030 1、 本发明内壁加工方式与传统喷砂、 黑漆氧化、 黑丝绒布等消光方式相比较， 解决 说明书 2/4 页 4 CN 111055010 A 4 了其寿命短， 易污染镜头、 特殊区域无法消光(如星敏镜头内部挡光环， 具有0.2mm的尖角形 状位置， 普通消光方式无法进行处理， 从而造成星敏镜头中有亮环)、 功能不稳定等缺陷， 具 有长寿命、 无污染， 且可加工任何表面的优点。 0031 2、 本发明内壁加工方式与普通激光从待加工工件上方斜入射加工方式相比较， 解 决了激光加工头与构件机械干涉， 挡光或者激光无法法向入射至。

16、加工表面从而无法进行加 工或者加工质量下降等问题。 0032 3、 本发明可以通过调整非球面反射镜安装距离L， 实现不同内壁口径尺寸零件的 内壁加工。 附图说明 0033 图1为本发明加工方法流程图； 0034 图2为现有技术中加工曲面构件的示意图； 0035 图3为本发明加工曲面构件的示意图。 0036 1-聚焦模块， 2-非球面反射镜， 3-特殊位置； 具体实施方式 0037 以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。 0038 传统利用激光加工曲面构件内壁的方法， 如图2， 一般是从待加工工件上方斜入射 加工， 因曲面构件口径较小， 因此存在激光加工头与构件机械干涉， 挡光或者激光。

17、无法法向 入射至加工表面等一系列问题， 使得一些特殊位置3不能进行加工。 本发明采用飞秒激光在 大幅面曲面零件内壁加工微纳结构， 具体采用一个长度可调节的非球面反射镜对从聚焦模 块出射的光束进行二次聚焦并反射， 使得光束法向入射至加工表面， 确保了激光微纳加工 的精度、 一致性。 与传统激光加工方式相比较， 能够实现所有位置的加工， 且加工过程简易、 精度高、 效率高。 0039 结合图1及图3， 对本发明加工方法进行详细说明： 0040 步骤1： 测量激光加工系统的后工作距离Lf。 0041 步骤2： 工件定位安装； 0042 采用机械加工平台上的卡状夹具对待加工工件进行定位安装， 使得待加。

18、工工件开 口朝向激光加工头。 0043 步骤3： 测量待加工工件内壁直径； 0044 测量待加工工件内壁直径， 获得待加工工件内壁的直径变化区间D0-Dn； 其中D0 为待加工工件内壁的最小直径， Dn为待加工工件内壁的最大直径。 0045 步骤4： 以光学系统焦深为单位划分待加工工件区域； 0046 沿待加工工件的轴向方向， 将待加工工件的内壁划分为多个沿轴向排布的环形加 工区域， 每个环形加工区域最大直径与最小直径的差值为2f， 如图3， 轴向高度为Hn的环 形加工区域， 最大直径与最小直径的差值为2f； 其中2f为光学系统焦深； 其中环形加工 区域的个数需要根据测量的D0-Dn以及焦深计。

19、算。 0047 步骤5： 确定非球面反射镜的安装位置； 0048 步骤51、 将长度可调节的非球面反射镜固定在待加工工件内部并置于聚焦模块的 说明书 3/4 页 5 CN 111055010 A 5 出射光路中； 聚焦模块的出射光路与待加工工件的中心轴重合。 0049 步骤52、 根据第一待加工环形区域的轴向坐标， 确定非球面反射镜在待加工工件 轴向的起始位置z1， 使得经长度可调节的非球面反射镜反射的光束直接指向第一待加工环 形区域最小直径对应的环形区域； 本实施例中， 如图3， 第一待加工环形区域为位于待加工 工件最上端的环形加工区域； 第一待加工环形区域最小直径对应的环形区域即图中第一待。

20、 加工环形区域的最上端。 0050 步骤53： 确定非球面反射镜与聚焦模块之间的轴向安装距离LLf-r1， 其中r1为 第一待加工环形区域的平均直径； 记录此时机床的空间位置坐标(x1， y1， z1)； 第一待加工环 形区域的轴向高度为H1。 0051 步骤6： 加工第一待加工环形区域； 0052 设定激光加工参数， 开启激光进行第一待加工环形区域的实际加工。 0053 其中， 激光加工参数主要包括： 加工参数功率、 重频、 单脉冲能量、 波长， 上述参数 的具体值根据所要加工材料有关； 0054 加工第一待加工环形区域具体方式为： 非球面反射镜2先绕360 完成一个环形线 的加工， 然后由。

21、机床带着聚焦模块1沿Z轴上升一个聚焦光斑大小的位置， 例如如若激光加 工的焦斑尺寸为0， 则机床带着聚焦模块1沿Z轴上升0， 此时的机床空间位置坐标由 (x1， y1， z1)变为(x1， y1， z1-0)， 再绕360 完成一个环形线的加工， 由此通过非球面反射镜2 的旋转以及聚焦模块1沿Z轴的升高最终完成第一待加工环形区域H1的加工； 0055 步骤7： 第一待加工环形区域加工完成后， 机床的空间位置坐标由(x1， y1， z1)变为 (x1， y1， z1-H1)； 因此， 当机床的空间位置坐标由(x1， y1， z1)变为(x1， y1， z1-H1)时， 认为第一 待加工环形区域已。

22、加工完成， 进入步骤8。 0056 步骤8： 通过调整非球面反射镜电动导轨距离， 在线将非球面反射镜与聚焦模块轴 向安装距离调整为LLf-r2； 其中r2为第二待加工环形区域的平均直径； 第二待加工环形 区域的轴向高度为H2。 0057 步骤9： 设定激光加工参数， 开启激光进行第二待加工环形区域的实际加工； 第二 待加工环形区域加工完成后， 机床的空间位置坐标由(x1， y1， z1-H1)变为(x1， y1， z1-H1-H2)。 0058 步骤10： 通过调整电动导轨/气动导轨距离， 在线将非球面反射镜与聚焦模块的轴 向安装距离调整为LLf-r3； 其中r3为第三待加工环形区域的平均直径； 第三待加工环形 区域的轴向高度为H3。 0059 步骤11： 重复步骤8-步骤10的操作， 直至完成第n待加工环形区域的加工。 说明书 4/4 页 6 CN 111055010 A 6 图1 说明书附图 1/2 页 7 CN 111055010 A 7 图2 图3 说明书附图 2/2 页 8 CN 111055010 A 8 。