一种基于道威棱镜的旋切打孔装置的制作方法

[0001]
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于道威棱镜的旋切打孔装置。


背景技术：

[0002]
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术,也是激光加工的主要应用领域之一，且激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中，主要用于航空航天、汽车制造、电子仪表等行业。如何解决加工圆孔所需的孔径大小，孔径锥度和圆度是激光打孔需要考虑的主要问题。传统的打孔工艺主要是钻头打孔和电火花加工打孔，钻头打孔的精度较低，对于孔径变化也不能及时改变，适合于直径2mm以上的孔，且其钻头易断，良品率较低等问题，而电火花打孔存在不稳定性和高耗能等问题，且加工速度很慢，使用此方法打出的孔会有烧边现象，有锥度等问题。


技术实现要素：

[0003]
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低的基于道威棱镜的旋切打孔装置，以解决上述技术问题。
[0004]
为此，本发明提供了一种基于道威棱镜的旋切打孔装置，包括可整体水平移动的托板、沿着光路方向依次设置的反射镜、一组互补放置的光楔、道威棱镜及聚焦透镜，所述反射镜和光楔组固定安设在所述托板上，所述道威棱镜内置于可旋转的空心电机内，加工材料位于所述聚焦透镜的焦点上。
[0005]
优选地，一组互补放置的两个所述光楔型号完全相同且分别为固定光楔及可偏转光楔，其中，固定光楔固定不动，可偏转光楔可偏转设置在所述托板上。
[0006]
优选地，所述固定光楔将激光进行一定的偏转，其激光偏转角δ＝(n-1)α，n为光楔的折射率，α为光楔折射角，其次可偏转的光楔偏转θ，偏转光楔的偏转角θ定义光楔厚边朝固定光楔偏转为正，反着为负，激光最终的偏转角为
[0007]
优选地，所述聚焦透镜的焦距r与孔径r的表达式为：
[0008]
r＝ftanφ
[0009]
其中，f为聚焦透镜焦距，φ为激光光束偏转角度，r为孔径大小。
[0010]
优选地，所述托板通过电机驱动。
[0011]
优选地，所述托板上的90
°
平面反射镜与光线成45
°
夹角，使入射光线和出射光线在同一水平面。
[0012]
优选地，光束穿过所述空心电机的轴线，所述空心电机绕着所述轴线旋转。
[0013]
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于道威棱镜的旋切打孔装置，包括可整体水平移动的托板、沿着光路方向依次设置的反射镜、一组互补放置的光楔、道威棱镜及聚
焦透镜，所述反射镜和光楔组固定安设在所述托板上，所述道威棱镜内置于可旋转的空心电机内，加工材料位于所述聚焦透镜的焦点上。该方案调节器件较少，安装步骤较简单，调节步骤也较为简单。可对不同孔径不同锥度的孔，做到不换器件，简单调节光楔旋转角度和拖板整体位置便可解决，大大降低了加工成本。利用道威棱镜也将提高空心电机工作对激光光束的旋转的效率，打孔效率对比其他方法也将提高一倍，总体效率得到大大提高。
[0014]
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0015]
图1是本发明基于道威棱镜的旋切打孔装置的结构示意图。；
[0016]
图2是本发明基于道威棱镜的旋切打孔装置的两互补光楔的详细示意图；
[0017]
图3是本发明基于道威棱镜的旋切打孔装置的激光光束一侧垂直入射到材料表面的示意图；
[0018]
图4是本发明基于道威棱镜的旋切打孔装置的激光光束斜入射到材料表面的两种情况的示意图；
[0019]
图5是本发明基于道威棱镜的旋切打孔装置的聚焦镜将聚焦点调整到材料内部和底部的示意图。
[0020]
附图标记说明：托板1，反射镜2，光楔3，空心电机4，道威棱镜5，聚焦镜6，加工材料7。
具体实施方式
[0021]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0023]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0024]
本发明提供了一种基于道威棱镜的旋切打孔装置，包括可整体水平移动的托板、沿着光路方向依次设置的反射镜、一组互补放置的光楔、道威棱镜及聚焦透镜，所述反射镜和光楔组固定安设在所述托板上，所述道威棱镜内置于可旋转的空心电机内，加工材料位于所述聚焦透镜的焦点上。其中拖板上的反射镜和两个互补放置的光楔的中心位于激光光束的中心轴线上；
[0025]
其中两个互补放置的光楔，一个光楔固定，另一光楔可手动调节，也可由无线控制带电源的电控系统控制旋转。固定光楔可使激光形成固定偏转，通过可偏转光楔的左右偏
转一定角度，进而调节激光偏转角度，再通过聚焦透镜，根据聚焦镜的成像规律，孔径大小与激光光束入射到聚焦镜时与所偏转夹角成正比，即可调节所加工圆孔的孔径大小。
[0026]
拖板上反射镜通过拖板的整体移动，来调节激光光束相对聚焦透镜的位置，先进行相应的计算，调整拖板至合适位置，通过所加工的孔的锥度来检验拖板的移动距离是否合适。
[0027]
聚焦透镜的移动，可调节聚焦点相对材料内部表面或者内部的移动，减少激光光束自身对孔径锥度的影响。激光光束聚焦之后打在材料表面，通过电机带动旋转，激光的能量作用在表面后，材料内部接收到的能量不足，而导致无法完全击穿材料，因此在打孔时下降焦点的位置，使得焦点从刚开始的材料上表面慢慢下降至材料下表面，综合旋切，其打孔方式可表示为螺旋式下降打孔。
[0028]
优选的方案，一组互补放置的两个所述光楔型号完全相同且分别为固定光楔及可偏转光楔，其中，固定光楔固定不动，可偏转光楔可偏转设置在所述托板上。光楔偏转角度是调节孔径大小的关键，通过先进行计算，选择合适的光楔来进一步优化其效果。
[0029]
优选的方案，所述固定光楔将激光进行一定的偏转，其激光偏转角δ＝(n-1)α，n为光楔的折射率，α为光楔折射角，其次可偏转的光楔偏转θ，偏转光楔的偏转角θ定义光楔厚边朝固定光楔偏转为正，反着为负，激光最终的偏转角为
[0030]
优选的方案，所述聚焦透镜的焦距r与孔径r的表达式为：
[0031]
r＝ftanφ
[0032]
其中，f为聚焦透镜焦距，φ为激光光束偏转角度，r为孔径大小。
[0033]
优选的方案，所述托板通过电机驱动。也可以是手动操作。
[0034]
优选的方案，所述托板上的90
°
平面反射镜与光线成45
°
夹角，使入射光线和出射光线在同一水平面。激光光束入射的时候，拖板上的平面反射镜与光线成45
°
夹角，保持入射光线的水平入射，使入射光线和出射光线在同一水平面，减少其他方面对光路的影响
[0035]
优选的方案，光束穿过所述空心电机的轴线，所述空心电机绕着所述轴线旋转。
[0036]
如图1至图5所示，一种基于道威棱镜的旋切打孔的装置，如图1所示，包括沿光路方向依次设置的反射镜2和一组互补放置的光楔3，反射镜2和光楔组3放在一个可以整体移动的拖板1上，再经过空心电机4所带的道威棱镜5，再通过聚焦透镜6，最后聚焦光打在加工材料7上。
[0037]
根据图2，加工孔径的大小与激光光束的偏转角φ相关，r＝ftanφ，若偏转角φ越大，其加工孔径r也将越大。
[0038]
而产生偏转角的部分由两个光楔进行，由固定光楔产生的偏转角δ
1
＝(n-1)α，激光在通过偏转光楔第一面之后折射角激光与光轴的偏转角δ
2
＝z-(θ+α)；则激光在通过偏转光楔第二面时，其入射角为β＝δ
2
+θ＝z-α，则折射角z
2
＝rac si(n(βsinn)，则最终偏转角为φ＝z
2
+β＝z
2
+z-α，如果需要产生更大的偏转角，在不改变所
用器件的前提下，可直接旋转偏转光楔改变光楔偏转角θ，可旋转光楔所摆放的角度不同，激光所产生的偏角也不相同。
[0039]
进一步的调整好相关偏转之后，需要调节焦点所在位置，将焦点放置底面可进一步减少聚焦光束在垂直侧的热反应，不过需要考虑聚焦光斜侧是否会对圆孔另一侧有接触，如有接触，则需要将焦点上移。此外还需要调整拖板的整体移动，如图3，保持外侧是垂直到焦点处，才可得到无锥度的加工面。图4为激光光束斜入射到材料表面的两种情况的示意图，图5为聚焦镜将聚焦点调整到材料内部和底部的示意图。
[0040]
使用激光的旋切打孔装置可以有效的解决传统打孔的相关问题，与传统方法相比这种方法的优点精度高，通过将激光进行聚焦后能将精度调整至微米级别，解决了传统工艺中存在的精度问题。且因为激光的能量高，方向性好等特点，故采用这种办法打孔的材料表面的热影响是较小的；同时激光打孔是无接触式的，因此最后打孔的材料的结构不会被破坏，能够最大程度上保持孔的各方面特点。另一方面通过光楔旋转和托板整体的移动，改变激光光束的偏转和位置，在通过聚焦镜聚焦，能够很方便的直接调节加工孔的直径和锥度，简单方便。
[0041]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0042]
1、本发明提出了一种基于道威棱镜的旋切打孔装置，由一个反射镜和一组互补的光楔决定所加工的孔径大小和锥度，调节器件较少，安装步骤较简单，调节步骤也较为简单。可对不同孔径不同锥度的孔，做到不换器件，简单调节光楔旋转角度和拖板整体位置便可解决，大大降低了加工成本。
[0043]
2、本发明提出了一种基于道威棱镜的旋切打孔装置，通过使用道威棱镜将激光光束进行旋转，通过道威棱镜的特点：道威棱镜旋转θ，而所经过的激光光束将旋转2θ，所以利用道威棱镜也将提高空心电机工作对激光光束的旋转的效率，打孔效率对比其他方法也将提高一倍，总体效率得到大大提高。
[0044]
3、本发明提出了一种基于道威棱镜的旋切打孔装置，通过一组互补光楔装置和聚焦透镜的作用，使得在聚焦之后的激光束的一边是垂直汇聚到焦点的，在此垂直边的作用下，在打孔的过程中，可以减小材料上表面孔附近的热效应和孔外围崩边的可能性，也通过此垂直边来保证激光是垂直入射，保证孔的锥度，提高孔的美观度。
[0045]
4、本发明提出了一种基于道威棱镜的旋切打孔装置，通过对聚焦透镜的移动，可调节聚焦点的位置，可将聚焦点移动至材料表面，材料底面或者材料其他位置，选取合适的位置，使激光内部的分布的能量能够充分利用，调节激光光束自身对孔径锥度的影响。
[0046]
5、本发明提出了一种基于道威棱镜的旋切打孔装置，在装置中引入电控系统后，可以在加工微孔过程中实时控制孔径和锥度，加工复杂结构的微孔。
[0047]
综上，激光光束经反射镜反射，在经过一组互补放置的光楔，使激光光束带有一定的偏角，在经过带有道威棱镜的空心电机带动激光光束旋转，最后再通过聚焦透镜将带有偏角的光束聚焦成一侧垂直材料的光束。可用于激光打孔或者某些材料的表面处理等多个领域，来提高工艺效率。
[0048]
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

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