姚紅兵，李亞茹，高 原，于文龍

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

當(dāng)今打孔行業(yè)對(duì)孔的尺寸大小、孔的形狀要求越來(lái)越高，而打出規(guī)則的小尺寸圓孔又比較困難，傳統(tǒng)的微孔加工工藝難以滿(mǎn)足加工的特殊要求。激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打孔不與工件直接接觸且加工時(shí)間短，消除了常規(guī)機(jī)械穿孔帶來(lái)的殘?jiān)?，也不存在工具損耗，對(duì)被加工材料的氧化、變形、熱影響均較小，無(wú)需特別保護(hù)［1］。目前國(guó)內(nèi)外已有多種打孔機(jī)［2］，激光打孔機(jī)可與計(jì)算機(jī)控制連接，實(shí)現(xiàn)光機(jī)電一體化，自動(dòng)化打孔?；诩庸み^(guò)程的各種優(yōu)勢(shì)，激光加工技術(shù)和激光加工設(shè)備已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研和醫(yī)學(xué)、加工作業(yè)等領(lǐng)域［3－4］。

光學(xué)系統(tǒng)部分是激光打孔設(shè)備的重要組成部分。光學(xué)系統(tǒng)在激光打孔系統(tǒng)中的主要作用是將從激光器輸出窗口的激光束引導(dǎo)至加工工件表面，并在加工部位獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密度。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響激光打孔機(jī)的加工難度，光束的質(zhì)量和聚焦光斑的形狀進(jìn)而影響激光打孔機(jī)的性能。普通透鏡進(jìn)行激光掃描時(shí)，由于非線性效應(yīng)當(dāng)激光經(jīng)過(guò)透鏡時(shí)，會(huì)出現(xiàn)脈沖展寬、波前畸變的情況，而非球面鏡則可通過(guò)改變鏡面參數(shù)避免激光在透鏡介質(zhì)中產(chǎn)生以上情況。本文在現(xiàn)有激光打孔技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)設(shè)計(jì)非球面透鏡達(dá)到提高光束質(zhì)量調(diào)整光斑形狀，從而提高打孔質(zhì)量的目的。

1 激光打孔的系統(tǒng)方案

系統(tǒng)選用連續(xù)CO2 激光器，激光器發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制器入射在多棱鏡其中一個(gè)表面上，多棱鏡在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中反射的激光依次掃入聚焦透鏡中，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦在卷煙紙上打出一系列透氣孔。激光打孔系統(tǒng)如圖1 所示，包括激光器，光調(diào)制器，激光聚焦系統(tǒng)和多棱鏡分光系統(tǒng)。

圖1 激光打孔系統(tǒng)示意圖

激光打孔系統(tǒng)中有兩個(gè)關(guān)鍵組成部分，一個(gè)是掃描器用來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的空間掃描，另一個(gè)是聚焦物鏡用來(lái)對(duì)光束聚焦。旋轉(zhuǎn)多棱鏡掃描示意圖，如圖2 所示，由于其掃描速度快、掃描角度大、回掃快和速度穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，正成為目前較為常用的光束掃描器。旋轉(zhuǎn)多面體每一個(gè)面都為反射面，面數(shù)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要而定。掃描器在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，掃描后的光束以不同的角度入射到聚焦透鏡，在透鏡的焦平面上形成規(guī)則的掃描像。聚焦物鏡的設(shè)計(jì)直接決定最終聚焦光斑的形狀，要實(shí)現(xiàn)透鏡在聚焦并對(duì)光束整形，需要對(duì)傳統(tǒng)光束整形方法進(jìn)行改進(jìn)，還要考慮所設(shè)計(jì)透鏡應(yīng)用到生產(chǎn)中的可行性。實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)掃描器和聚焦透鏡的要求嚴(yán)格，掃描器反射面的平面度要一致，聚焦透鏡需要大視場(chǎng)小孔徑具有像方遠(yuǎn)心光路的線性成像物鏡［5］。

圖2 旋轉(zhuǎn)多棱鏡掃描示意圖

2 聚焦系統(tǒng)特性

光束質(zhì)量影響激光器的應(yīng)用水平和打孔質(zhì)量，激光束的空間整形通常借助于外加的光束整形系統(tǒng)［6］。隨著MRF(Magneto Rheological Figuring)［7］技術(shù)的日益成熟，光學(xué)材料工件表面能在較短時(shí)間內(nèi)得到亞納米級(jí)的表面粗糙度，且加工價(jià)格更為合理，加工精度也基本能滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，為利用非球面鏡實(shí)現(xiàn)激光束整形提供了基本條件［8］。由于雙膠合球面鏡加工困難而且會(huì)影響輸出光束的質(zhì)量，單片球面鏡更適合文中的聚焦系統(tǒng)。

2.1 透鏡前掃描

根據(jù)掃描器和聚焦透鏡擺放位置的不同，文中分為透鏡前掃描和透鏡后掃描，雖透鏡前掃描設(shè)計(jì)困難但其他問(wèn)題的處理簡(jiǎn)單，而且能滿(mǎn)足高要求的打孔需要這里采用透鏡前掃描如圖3 所示。

圖3 透鏡前掃描示意圖

像面上的理想像高y'與掃描角θ 的線性關(guān)系為

一般光學(xué)系統(tǒng)的理想像高為

此時(shí)理想像高y'與掃描角θ 不是線性關(guān)系。為保證對(duì)以等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光束在焦面上實(shí)現(xiàn)線性掃描，應(yīng)使聚焦透鏡產(chǎn)生一定的負(fù)畸變，對(duì)應(yīng)畸變量

其中，L 為掃描像點(diǎn)排列的長(zhǎng)度;θ 是掃描角。可看出掃描長(zhǎng)度L 一定時(shí)，f'與θ 呈反比關(guān)系，f'很小時(shí)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，加工制造成本也會(huì)增大［9］。

2.2 光斑大小的計(jì)算

聚焦系統(tǒng)的焦距決定光斑的位置和大小。為使光斑更小，選擇短焦系統(tǒng)。且透鏡孔徑要超過(guò)與透鏡截面重合處的光束直徑以便充分利用能量。綜上所述聚焦透鏡要求焦距較小、相對(duì)孔徑較大。由于激光束腰處的光能量密度最大，所以聚焦后的光斑就是變換后的激光束腰。因此，聚焦系統(tǒng)的物象變換關(guān)系就是初始激光束腰和最終激光束腰之間的變換。

激光束腰的放大率公式

其中，z0為共焦參數(shù);W0和W'0分別是初始和最終的光束束腰直徑。l 為束腰到主面的距離。由以上公式可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求確定聚焦系統(tǒng)的外形尺寸和光斑大小。

當(dāng)被聚焦的光斑尺寸很小，光束受到物鏡孔徑的限制，衍射和像差會(huì)導(dǎo)致光斑尺寸變大。光斑實(shí)際尺寸公式［10］

其中，D 為物鏡的孔徑;Km為模系數(shù);K 為孔徑形狀及光束中強(qiáng)度分布形式的系數(shù);ΔW'為束腰面內(nèi)物鏡的橫向球差。

2.3 透鏡的設(shè)計(jì)

聚焦系統(tǒng)的焦距決定光斑的位置和大小，短焦系統(tǒng)可使光斑更小，且透鏡孔徑要超過(guò)與透鏡截面重合處的光束直徑以便充分利用能量。綜上兩點(diǎn)，聚焦透鏡要求焦距較小、相對(duì)孔徑較大。在透鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用透鏡的前后兩個(gè)面代替透鏡組的前后兩個(gè)透鏡，光線在透鏡內(nèi)只折射兩次，相比透鏡組激光能量損失較小。非球面透鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)由正弦差和球差最小選取，用等光程原理求解非球面參數(shù)。由于光線經(jīng)過(guò)第一個(gè)表面時(shí)發(fā)生折射且偏折角度較大，為保證聚焦效果，文中設(shè)計(jì)的非球面透鏡比普通透鏡厚。

聚焦物鏡的焦距應(yīng)滿(mǎn)足

其中，x 為物距，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選定。

當(dāng)焦距不符合要求時(shí)可用下式修正

其中，f'、L 是修正前的焦距和工作距離;f'*、L*是符合要求的焦距和修正后的工作距離。

光線在焦平面前后的傳播特點(diǎn)決定了材料破壞的不同性質(zhì)，離焦量的控制對(duì)孔深和形狀有重要影響。過(guò)分的入焦或離焦均將使被加工點(diǎn)的能量密度大幅下降，使孔壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的熔化，影響打孔質(zhì)量。當(dāng)其它激光輸出參數(shù)保持不變時(shí)焦點(diǎn)處在材料的上表面，孔的入口直徑最?。?1］。

3 結(jié)果分析與優(yōu)化

為能達(dá)到較為理想的效果，聚焦透鏡的焦距不宜過(guò)大。文中選取的普通聚焦透鏡焦距為20 ～30 mm，聚焦透鏡的直徑為7 ～10 mm，兩種透鏡均選取熱吸收系數(shù)相對(duì)較小的ZnSe 材料。非球面透鏡的部分面參數(shù)如圖4 所示。

圖4 聚焦非球面透鏡面參數(shù)

將透鏡導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行仿真，通過(guò)合理選擇輸出光束、控制旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)速和選擇合適透鏡位置對(duì)比前后光斑的形狀和尺寸。設(shè)置表面光源的參數(shù):輻照度108 W/m2，光線波長(zhǎng)10.6 m，總光通量18 584 W，總光線數(shù)500。優(yōu)化后聚焦透鏡鏡和非球面透鏡對(duì)于打孔面的被吸收光通量對(duì)比圖如圖5 所示。

圖5 普通聚焦透鏡對(duì)于打孔面的被吸收光通量(Y、Z 軸代表光斑在加工工件表面的位置和大小，單位mm)

圖6 非球面鏡對(duì)于打孔面的被吸收光通量(Y、Z 軸代表光斑在加工工件表面的位置和大小，單位mm)

圖5 為聚焦透鏡為普通球面鏡時(shí)對(duì)打孔面被吸收光通量圖，可看出掃描光斑呈不規(guī)則橢圓形，且圓斑光強(qiáng)分布不均，這是軸外像差和掃描速度失真影響引起的綜合效應(yīng)。掃描過(guò)程焦點(diǎn)軌跡為一條直線，橢圓的形狀和掃描角有一定的關(guān)系。在掃描角較大的地方要使光束直徑有理想的衍射聚焦，需要在設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面作出改進(jìn)。

從改進(jìn)后的圖5 和圖6 對(duì)比可看到:優(yōu)化前光斑在接收板(Y，Z)坐標(biāo)軸內(nèi)和Z、Y 軸平行并和光斑邊緣相切的4 條切線的交點(diǎn)的坐標(biāo)為(108.353，－0.947)(108.353，1.228)(110.864，－0.947)(110.864，1.228)，可計(jì)算出光斑在Y 軸方向光斑寬度為2.511 mm，在Z 軸方向光斑寬度為2.175 mm。由優(yōu)化前的數(shù)據(jù)可看出Y、Z 軸方向的畸變率為14.341%。優(yōu)化后光斑在接收板(Y，Z)坐標(biāo)軸內(nèi)和Z、Y 軸平行并和光斑邊緣相切的4 條切線的交點(diǎn)的坐標(biāo)為(110.224，－0.790)(110.224，0.243)(111.262，－0.790)(111.262，0.243)，可計(jì)算出光斑在Y 軸方向光斑寬度為1.038 mm，在Z 軸方向光斑寬度為1.033 mm。由優(yōu)化后的數(shù)據(jù)可看出Y、Z 軸方向的畸變率為0.483%。對(duì)比之前的不規(guī)則橢圓狀光斑優(yōu)化后的光斑接近圓形，光斑尺寸變小且光強(qiáng)分布較為均勻，達(dá)到整形目的。

在實(shí)際生產(chǎn)中，光束在打孔的同時(shí)旋轉(zhuǎn)多棱鏡在橫向掃描而且工件也在走動(dòng)，所以作用范圍隨著熱擴(kuò)散在增大，導(dǎo)致激光作用范圍比打孔的直徑大。由于自身限制非球面鏡很難達(dá)到衍射極限的聚焦，但相比之前的焦斑最終焦斑質(zhì)量已大幅提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析，所選取單片非球面聚焦透鏡對(duì)光束有較好的的聚焦整形作用，有效降低了掃描系統(tǒng)內(nèi)的線性畸變，提高了聚焦光斑的質(zhì)量。激光打孔工藝中，多棱鏡及聚焦透鏡的選擇都對(duì)孔質(zhì)量有直接的影響。相比傳統(tǒng)的雙膠合球面鏡，單透鏡筒長(zhǎng)短、制作成本降低、使用安裝更加方便。該研究能提高生產(chǎn)質(zhì)量降低生產(chǎn)成本，作為一種先進(jìn)的技術(shù)，多棱鏡掃描非球面聚焦激光打孔系統(tǒng)為工業(yè)生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

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