CN118268871A - 激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光‑紫外光‑微波多能场耦合超精密加工系统及方法，包括数控机床，数控机床的动力系统与高速气浮主轴连接，所述高速气浮主轴与回转工作台连接，回转工作台连接有工件装夹件，数控机床的床身上设置有移动机构，移动机构可拆卸地连接有加工单元，所述加工单元有激光加工单元、紫外光加工单元、微波加工单元、车削加工单元和磨削加工单元，可复合成激光‑紫外光‑磨削加工系统及激光‑微波‑车削加工系统，采用本发明的多能场耦合加工系统可同时实现硬脆光电材料和软脆光电材料复杂形面和微结构的经济、高效、近无损伤超精密加工。

Description

激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统与方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种脆性光电材料的激光-紫外光-微波多能场耦合高效超精密复合加工系统与方法。

背景技术

本陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

近年来，因优异的热稳定性和化学稳定性，单晶硅、碳化硅、氮化镓等硬脆光电材料和氟化钙、硒化锌、铌酸锂等软脆光电材料被广泛应用于国防、交通、医疗、航空、航天等高尖端领域。但是，硬脆光电材料通常具有高硬度、低断裂韧性、强耐磨的材料特性，很难实现高效率低损伤加工；软脆光电材料虽然硬度远低于硬脆光电材料，但具有很强的各向异性和低断裂韧性的特点，导致单一机械加工易产生表面划伤、表面均匀性相对较差等问题，且对加工机床的控制精度要求高。传统上，利用抛光液与工件材料之间产生化学反应和工件与磨粒之间产生机械作业的化学机械抛光可获得高表面质量的工件，但是加工效率极低(一般是几微米至几十微米每小时的材料去除速率)。近年来，随着超精密加工技术与装备的快速发展，通过控制加工条件实现脆性光电材料加工表面、亚表面无裂纹损伤的延性域加工技术被认为是一种可替代抛光的高表面质量加工方法。脆性光电材料的延性域加工本质上是刀具或磨具纳米尺度接触划擦工件，诱导工件表面材料发生塑性形变，实现材料的去除和表面成形成性。尽管相比于抛光加工，延性域加工可将材料去除效率提高几十至几百倍，但是单纯延性域切削或磨削加工的临界切削深度仍相对较低(几纳米至几十纳米之间)，也不能同时满足脆性光电材料加工质量与加工效率要求。

硬脆光电材料(如碳化硅、氧化铝、硅)和软脆光电材料(如氟化钙、硒化锌)的超精密加工面临诸多挑战，如表面碎裂、微裂纹、次表面晶格畸变等，而采用传统单一或复合加工机床很难同时实现硬脆光电材料和软脆光电材料的高效率高精度加工，例如：在专利CN116921708A提出一种针对激光超声辅助车削加工方法，通过设计的特殊刀架将激光与超声两种能场高效耦合到车床上，实现钛合金微织构表面的激光超声多场辅助车削加工。但是，激光预热材料时加工区域与未加工区域温差过大，易引起材料涨缩不一致，导致材料表面出现热裂纹。

在专利CN220388961U将磨削加工与超声加工集合，获得一种复合加工磨床，一方面能够提高材料去除效率，另一方面能够有效地降低磨削力，获取更好的磨削表面。但是，所采用的普通磨床控制精度相对较低(微米级精度)，而一般脆性光电材料所要求的机床控制精度处于亚微米和纳米级，故该种复合加工机床无法实现脆性光电材料的高效率高质量超精密加工。

在专利CN116423302A提出一种针对硬脆材料的激光辅助超声磨削刀柄及加工方法，但软脆材料硬度低且具有很强的各向异性和低断裂韧性的特点，超精加工过程中磨粒易嵌入残留工件表面，同时磨削加工过程中因表层材料受热不均易引起加工表面开裂等问题，继而影响脆性光电材料的加工质量和加工效率。

在专利CN 117066904A中，公开了一种脆性材料的多能场复合加工系统，该系统一方面利用纳秒激光的高效加热作用快速降低待加工工件表面材料的硬度、提高材料的断裂韧性，改善脆性材料的可加工性，另一方面利用液体射流、车刀、微铣刀或磨头各自的加工特点，实现脆性材料复杂曲线和深度实时可控的微槽高效精密加工或复杂形面的高效、精密近无损伤成形成性加工，特别适合硬度低脆性大和硬度高、脆性大的材料表面成形成性加工，表面精度高且亚表面无微裂纹损伤，可实现脆性材料复杂微结构和形面的经济、高效、近无损伤精密和超精密加工。但是，该专利利用射流、车刀、微铣刀或磨头的机械作用力对激光加热处理的工件进行成形加工，本质还是一个“单一”的机械去除材料过程，因此工件次表面不可避免的会产生机械损伤，如相变、非晶化、层错、位错、孪晶和纳米晶，尽管对大多数脆性材料器件来说，次表面无裂纹损伤的加工工件可满足应用要求。然而，脆性光电器件的极端环境应用场景导致对脆性工件材料的加工质量要求极高，次表面不仅不能有微裂纹，同时还不能有层错、位错、纳米晶等晶体畸变及缺陷，因此采用单一的激光辅助加工不能满足脆性光电材料的高效超精密无损伤加工需求，亟需对激光辅助车削或磨削加工后的脆性工件材料进行进一步的化学-机械复合加工，实现近“弹性域”无晶体缺陷的材料去除。

发明内容

针对难加工脆性光电材料加工效率与加工质量之间的突出矛盾，本发明的目的是提供一种激光-紫外光-微波多能场耦合的高效超精密复合加工系统与方法，该系统包含激光-紫外光磨削和激光-微波车削两个可换联动模块，利用激光的加热作用对脆性光电材料的塑性变形能力进行调控，同时利用微波与热引发剂、紫外光与光引发剂的化学改性作用，降低工件表层材料的机械去除阻力，继而降低车削和磨削过程的刀具磨损和亚表面损伤，最终实现脆性光电材料复杂微结构和形面的高效、近无损伤超精密加工。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的：

第一方面，本发明提供了一种脆性光电材料的多能场耦合超精密复合加工系统，即激光-紫外光磨削、激光-微波车削多能场复合加工系统，包括数控机床，在数控机床上安装有回转工作台能做旋转及X、Y方向往复运动，用于装夹工件；Z轴可移动平台做Z向往复运动；还包括多能场耦合超精密复合加工单元，所述的多能场耦合超精密复合加工单元包括激光加工单元、紫外光加工单元、微波加工单元、磨削加工单元、车削加工单元和液体喷雾装置；

进行激光-紫外光超精磨加工时，激光加工单元的激光生成组件的激光发射头通过聚焦光路与激光发生器相连；紫外光生成组件的紫外光发射头与紫外光发生器相连；激光发射头、紫外光发射头、液体喷雾装置位于回转工作台的一侧，磨削加工单元固定到Z轴可移动平台上；所述的液体喷雾装置用于向工件表面喷射光敏活性润滑液；

进行激光-微波单点车复合加工时，激光加工单元的激光生成组件的激光发射头直接与激光发生器相连，微波生成组件的微波发射头与微波发生器相连；激光发射头、微波发射头、液体喷雾装置位于回转工作台的一侧；车削加工单元安置于机床Z轴可移动平台上；所述的液体喷雾装置用于向工件表面喷射热敏活性润滑液。

作为进一步的技术方案，所述的热敏活性润滑液包含热敏引发剂，所述的热敏引发剂在微波的作用与软脆工件材料发生化学反应。

作为进一步的技术方案，所述的光敏活性润滑液包含光敏引发剂，所述的光敏引发剂在紫外光的作用与硬脆工件材料发生化学反应。

作为进一步的技术方案，所述车削加工单元包括单点金刚石车刀，所述单点金刚石车刀偏置于激光发射头、微波发射头及喷雾装置，通过激光、微波和单点金刚石车刀的相互配合，在热敏润滑液的催化下对工件进行激光及微波辅助车削加工。

作为进一步的技术方案，所述磨削加工单元包括金刚石磨头，所述金刚石磨头偏置于激光发射头、紫外光发射头及喷雾装置，通过激光、紫外光和金刚石磨头的相互配合，在光敏润滑液的催化下对工件进行激光及紫外光辅助磨削加工。

作为进一步的技术方案，还包括多自由度CCD观察显微镜，所述CCD显微镜通过磁座吸附于Z轴可移动平台，辅助精确对刀。

第二方面，本发明提供了一种基于所述的脆性光电材料的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密复合加工系统的加工方法，如下：

当对软脆材料工件进行加工时：

S1：将处理后的软脆材料工件装夹到机床回转工作台上；

S2：控制Z轴可移动平台将激光发射头和聚焦光路移至工件一侧，确定激光发射头与工件表面相对位置；

S3：开启激光发生器进行单脉冲打点对焦，通过回转工作台X方向的往复移动和旋转运动调整激光光斑位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整激光的离焦量；

S4：将车削加工单元安装到机床Z轴可移动平台，紧接着将车削加工单元的车刀移至激光发射头所在侧；

S5：调节激光光束的倾斜角度，与车刀保持合适的偏置距离，启动数控机床，对工件进行激光辅助粗车削，待加工完成后，关闭激光发生器，退刀到安全位置；

S6：将激光发生器撤回至安全位置，同时将微波发射头安装于Z轴可移动平台上，控制Z轴可移动平台将微波发射头移至软脆材料工件上方，确定微波发射头与软脆材料工件表面相对位置；

S7：根据工件材料配置相应的热敏活性润滑液，将配置好的热敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置均匀喷洒至激光辅助车削加工后的工件表面；

S8：开启微波发生器对工件步骤S6加工位置进行微波辐射，诱导热敏活性润滑液中的热分解型引发剂分解，产生活性自由基，对机械应力作用下的软脆材料工件进行化学改性，降低工件表面材料的弹性模量，同时提高硬脆材料的断裂韧性，通过数控机床回转工作台X方向的往复移动和旋转运动调整微波加热位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整微波照射区域大小；

S9：调节微波发射头的倾斜角度，与车刀保持设定的偏置距离，启动数控机床，开始对激光-单点金刚石车刀粗加工后的工件进行复杂形面的微波辅助超精密车削，待加工完成后，退刀到安全位置；

当对硬脆材料工件进行加工时：

S10：将处理后的硬脆材料工件装夹到机床回转工作台上；

S11：移除车削加工单元，将磨削加工单元安装到Z轴可移动平台上，随后将磨头移至工件一侧，通过回转工作台和Z轴移动平台来控制磨削加工单元与硬脆材料表面的相对位置，完成对刀；

S12:调节激光光束的倾斜角度，与磨头保持设定的偏置距离，设置磨削参数和激光参数，启动高精度数控机床，开始对工件进行激光辅助粗磨削，待加工完成后，关闭激光发生器，退刀到安全位置；

S13：将激光发生器撤回至安全位置，同时将紫外光发射头安装于Z轴可移动平台上，控制Z轴可移动平台将紫外光发射头移至待加工工件上方，确定紫外光发射头与工件表面相对位置；

S14：根据加工材料配置相应的光敏活性研磨液，将配置好的光敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置均匀喷洒至激光辅助磨削加工后的工件表面；

S15：开启紫外光发生器，调节紫外光光束的倾斜角度，与磨削加工单元保持设定的偏置距离，设置紫外光参数与磨削参数，利用紫外光辐照能量诱导光敏润滑液中的光引发剂裂解产生烷基自由基活性，启动高精度数控机床，开始对激光-金刚石磨头磨削加工后的工件进行复杂形面的紫外光辅助超精密磨削，待加工完成后，退刀到安全位置。

作为进一步的技术方案，待加工工件安装在工件装夹件前，将待加工工件放入无水乙醇中超声清洗设定时间，去除工件表面的污物。

作为进一步的技术方案，步骤S6中临界切削深度d_c＝λ(H/E)^1/2(K_c/H)²，式中λ约8.7，是工件材料的脆-塑转变因子，H是激光加热后工件材料的硬度，E是激光加热后工件材料的弹性模量，K_c是激光加热后工件材料的断裂韧性。

作为进一步的技术方案，激光-紫外光超精磨复合加工或激光-微波单点车复合加工时，工件上刀具作用点与激光束作用点之间的距离为0.4～1.0mm，单点金刚石车刀作用点与偏置的微波发射头之间距离的选择范围1.0～10.0cm，单点金刚石固结磨料作用点与偏置的紫外光发射头之间距离的选择范围1.0～10.0cm。

本发明的有益效果如下：

本发明的加工系统，能够可拆卸地连接激光-单点车复合加工单元、微波-单点车复合加工单元、激光-超精磨复合加工单元和紫外光-超精磨复合加工单元，实现了一床多用，即实现了激光-微波单点车复合加工单元、激光-紫外光超精磨复合加工单元同时，同一个机床上又实现多种复合联动加工，同时本发明在进行激光-紫外超精磨加工时，先利用激光的加热作用对脆性光电材料的塑性变形能力进行调控，然后再利用紫外光与光引发剂的化学改性作用，降低工件表层材料的机械去除阻力，继而降低磨削过程的磨粒磨损和亚表面损伤，最终实现脆性光电材料复杂微结构和形面的高效、近无损伤超精密加工；在进行激光-微波单点车复合加工时，先利用激光的加热作用对脆性光电材料的塑性变形能力进行调控，然后再利用微波与热引发剂的化学改性作用，降低工件表层材料的机械去除阻力，继而降低车削过程的刀具磨损和亚表面损伤，最终实现脆性光电材料复杂微结构和形面的高效、近无损伤超精密加工。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实例整体结构示意图；

图2是本发明各个加工单元的示意图；

图3是本发明实施例激光-紫外光辅助磨削加工单元使用状态图；

图4是本发明实施例激光-微波辅助车削加工单元使用状态图；

其中，1-数控机床，2-高速气浮主轴，3-回转工作台，4-工件装夹件，5-工件，6-CCD观察显微镜，7-Z轴移动平台，8-激光加工单元，9-紫外光加工单元，10-微波加工单元，11-喷雾装置，12-车削加工单元，13-磨削加工单元。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

随着电力电子工业的迅速发展，光电产品对器件的微细化、复杂化以及加工精度和加工质量提出更高的要求，满足微细化和复杂化产品的高质高效成形成性加工需求，需要多种加工方式相互联动配合方可加工出所需的高性能产品；因此，本实施提供了一种激光-紫外光-微波多能场耦合的高效超精密复合加工系统与方法。

其中，激光加工是利用激光的高能量密度特点对待加工表面进行处理，改变表面材料的物理化学属性，直接实现材料的去除或改善材料的可加工性。因此，利用激光的加热作用降低脆性光电材料的表层硬度、提高材料的塑性形变能力，进而帮助增大脆性光电材料的脆性-塑性转变去除临界切削深度d_c，可有效提高刀具或磨粒单次进给的切削深度，同时减小机械应力去除造成的加工损伤，实现脆性光电材料高效率塑性形变去除，最终获得高精度、高质量的加工表面，突破脆性光电材料高效、低损伤超精密加工的难题。

紫外光加工是利用紫外光光的高能量特性，对材料表面进行快速光化学反应或光热效应，实现材料的去除或表面改性。紫外光加工具有加工速度快、热影响区小、加工精度高等优点，特别是针对硬脆光电材料加工具有诸多优势。首先，紫外光光具有较高的光子能量，能够直接破坏材料表面的化学键，实现快速的光化学反应，同时快速的能量传递作用减少了热影响，避免了因热影响导致的材料变形和损伤。其次，紫外光光的波长较短，通过调节紫外光光源的照射角度和焦距，可对材料表面特定区域进行精准的选择性加工，对于形状复杂和结构精细的硬脆光电材料产品微纳加工具有重要意义。最后，相比于传统的化学腐蚀，紫外光加工具有节能、绿色和安全的优点，同时紫外光加工具有良好的兼容性，可与车削、磨削和激光加工技术相结合，形成复合加工技术，进一步提高加工效率和精度。

微波加热是一种非接触式的加热方式，微波直接作用于材料内部的极性分子或离子，实现材料的快速加热。微波加热可避免传统接触式加热中因摩擦或压力引起的材料变形和损伤，尤其适合于加工形状复杂或薄壁的软脆材料。其次，与传统加热方式相比，微波加热可减少材料表面和内部的温差，实现整体均匀加热，防止因局部过热而造成的开裂或破损。此外，微波功率可精确控制，继而实现对加工过程工件表面温度的精细调控。通过调整微波的输出功率和加工时间，可精确控制材料的加热程度和去除量，实现精确的加工尺寸和形状控制。

本实施例提供了一种脆性光电材料的多能场耦合高效超精密复合加工系统，如图1、图2所示，包括数控机床1，所述数控机床1采用现有的高精度数控机床，所述数控机床1的动力系统连接高速气浮主轴2，实现高速气浮主轴2的主轴径向和轴向运动。

所述高速气浮主轴2的一端与数控机床1的动力系统连接，另一端连接回转工作台3；所述回转工作台3与高速气浮主轴2同轴，回转工作台3能够输出绕自身轴线转动的运动。

所述回转工作台3与工件装夹件4连接，能够带动工件装夹件4运动；所述工件装夹件4采用现有的真空吸附工件夹具即可，其具体结构在此不进行详细叙述。回转工作台3还可以在X/Y轴上移动。

所述数控机床1的床身上还安装有Z轴移动平台7，Z轴移动平台7能够输出水平向运动，且输出运动方向与高速气浮主轴2的轴线方向相垂直。

所述Z轴移动平台7的移动部分连接有平台，平台可拆卸的连接有加工单元，所述加工单元包括激光加工单元8、紫外光加工单元9、微波加工单元10、喷雾装置11、车削加工单元12、磨削加工单元13。

使用时，可根据实际需要在移动机构上安装对应的加工单元。

如图2所示，所述激光-紫外光-超精磨复合加工单元包括磨削加工单元13、激光加工单元8、紫外光加工单元9、喷雾装置11，激光加工单元中激光发射头与激光发生器连接，激光发生器产生的激光射线能够通过激光发射头发射至待加工的工件5。紫外光加工单元9中紫外光发射头与紫外光发生器连接，紫外光发生器产生的紫外光射线能够通过紫外光发射头发射至待加工的工件5，喷雾装置11能够将加工过程中所需的光敏润滑液均匀的喷洒至待加工工件表面，磨削加工单元13包括磨削动力系统、高速气浮主轴、磨头夹具等，磨削动力系统能够输出转动运动，磨削动力系统与高速气浮主轴连接，高速气浮主轴上设置有磨头夹具，磨头夹具连接有磨头，所述磨头采用金刚石磨头，所述金刚石磨头的磨料粒径0.5～36μm，激光束作用点与后置的金刚石磨头作用点之间距离的选择范围0.4～1.0mm，激光光斑直径7mm。

本实施例中，所述激光加工单元8中激光发生器发射纳秒激光，光斑直径7mm，激光脉宽2.0～500ns，波长1060～1085nm，平均输出功率大于100W，功率范围0.1～120W，频率1.0～4000KHz。

本实施例中，所述紫外光加工单元9中紫外光发生器紫外光发射头功率950W，波长100～400nm，重复频率在30KHz～150KHz。

基于上述加工系统，激光-紫外光-超精磨多能场复合加工软脆材料工件的方法，包括如下步骤：

S1：对加工工件进行预处理；

S2：将处理后的待加工工件装夹到机床回转工作台上；

S3：将激光发射头安装在Z轴可移动平台上，控制Z轴可移动平台将激光发射头和聚焦光路移至待加工工件右侧，确定激光发射头与工件表面相对位置；

S4：设置激光加工参数，开启激光发生器进行单脉冲打点对焦，通过机床回转工作台X方向的往复移动和旋转运动调整激光光斑位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整激光的离焦量；

S5：将磨削加工单元安装到机床Z轴可移动平台，紧接着将磨削加工单元的金刚石磨头移至工件右方，通过回转工作台和Z轴移动平台来控制磨削加工单元与工件表面的相对位置，完成对刀；

S6：开启激光发生器，通过三轴滑台调节激光光束的倾斜角度，与磨头保持合适的偏置距离，设置磨削参数和激光参数，启动高精度数控机床，开始对工件进行激光辅助粗磨削，待加工完成后，关闭激光发生器，退刀到安全位置；

S7：将激光发生器经三轴滑台撤回至安全位置，同时将紫外光发射头安装于三轴滑台支架上，控制Z轴可移动平台将紫外光发射头移至待加工工件上方，确定紫外光发射头与工件表面相对位置；

S8：根据加工材料配置相应的光敏活性润滑液，将配置好的光敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置按10～200mL/h流量均匀喷洒至激光辅助磨削加工后的工件表面；

S9：开启紫外光发生器，通过三轴滑台调节紫外光光束的倾斜角度，与磨削加工单元保持合适的偏置距离，设置紫外光参数与磨削参数，利用紫外光辐照能量诱导光敏润滑液中的光引发剂裂解产生烷基自由基活性，启动高精度数控机床，开始对激光-金刚石磨头磨削加工后的工件进行复杂形面的紫外光辅助超精密磨削，待加工完成后，退刀到安全位置。

本发明在进行激光-紫外超精磨加工时，先利用激光的加热作用对脆性光电材料的塑性变形能力进行调控，然后再利用紫外光与光引发剂的化学改性作用，降低工件表层材料的机械去除阻力，继而降低磨削过程的磨具磨损和亚表面损伤，最终实现脆性光电材料复杂微结构和形面的高效、近无损伤超精密加工。

本实施例中的光敏活性润滑液，包含如下组分：丙二醇、去离子水、三乙醇胺、光敏引发剂。根据光敏润滑液中引发剂的成分、含量和溶液的流量，以及工件材料光引发剂改性层的硬度、弹性模量、断裂韧性、界面分离强度分别设置紫外射线的波长、强度以及磨削深度、进给量、磨头转速和工件转速(参数的选择是根据改性层的力学性能)。

本发明涉及的一些实施例中，所述光敏引发剂选自偶苯酰二甲基缩酮的一种或多种的组合。

偶苯酰二甲基缩酮在紫外照射下的分解化学方程式为：

硬脆工件材料与自由基反应的化学方程式如下：

其中，B软脆工件材料。

对于实现光敏活性润滑液的高效应用而言，紫外光的作用至关重要。紫外光能够激发光敏活性润滑液中的光敏活性引发剂分解，释放出强化学反应活性的自由基，随即与硬脆光电材料表面相互作用，进行精准地表面改性，降低表层材料的硬度和耐磨性，最终改善材料的可加工性。另外，通过丙二醇、甘油和水的协同润滑和冷却作用，可有效调控金刚石磨粒与改性层之间的接触应力与磨削热，确保了加工过程的精准性和材料表面质量的优良性。

进一步的，激光-微波-单点车复合加工单元包括车削加工单元12、激光加工单元8、微波加工单元10、喷雾装置11，微波加工单元10中的微波发生器产生的微波射线可通过磁控管向待加工工件5射出。所述单点车刀采用单点金刚石车刀，所述单点金刚石车刀的刀具半径0.5～2.5mm，单点金刚石车刀作用点与偏置的激光束作用点之间距离的选择范围0.4～1.0mm，激光光斑直径7mm。

本实施例中，所述微波加工单元10中微波发生器微波发射头功率1030W，输出功率100W～1250W，频率2.45GHz。

利用上述系统对硬脆材料工件进行激光-微波-单点车多能场复合加工方法，包括如下步骤：

S10：将处理后的硬脆材料工件装夹到机床回转工作台上；

S11：移除车削加工单元，将磨削加工单元安装到Z轴可移动平台上，随后将磨头移至工件一侧，通过回转工作台和Z轴移动平台来控制磨削加工单元与硬脆材料表面的相对位置，完成对刀；

S12:调节激光光束的倾斜角度，与磨头保持设定的偏置距离，设置磨削参数和激光参数，启动高精度数控机床，开始对工件进行激光辅助粗磨削，待加工完成后，关闭激光发生器，退刀到安全位置；

S13：将激光发生器撤回至安全位置，同时将紫外光发射头安装于Z轴可移动平台上，控制Z轴可移动平台将紫外光发射头移至待加工工件上方，确定紫外光发射头与工件表面相对位置；

S14：根据加工材料配置相应的光敏活性研磨液，将配置好的光敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置均匀喷洒至激光辅助磨削加工后的工件表面；

S15：开启紫外光发生器，调节紫外光光束的倾斜角度，与磨削加工单元保持设定的偏置距离，设置紫外光参数与磨削参数，利用紫外光辐照能量诱导光敏润滑液中的光引发剂裂解产生烷基自由基活性，启动高精度数控机床，开始对激光-金刚石磨头磨削加工后的工件进行复杂形面的紫外光辅助超精密磨削，待加工完成后，退刀到安全位置。

在进行激光-微波单点车复合加工时，先利用激光的加热作用对脆性光电材料的塑性变形能力进行调控，然后再利用微波与热引发剂的化学改性作用，降低工件表层材料的机械去除阻力，继而降低车削过程的刀具磨损和亚表面损伤，最终实现脆性光电材料复杂微结构和形面的高效、近无损伤超精密加工。

作为进一步的技术方案，待加工工件安装在工件装夹件前，将待加工工件放入无水乙醇中超声清洗设定时间，去除工件表面的污物。

作为进一步的技术方案，激光-微波车削复合加工或激光-紫外光磨削复合加工时，工件上刀具作用点与激光束作用点之间的距离为0.4～1.0mm。

特别需说明的是，本系统的激光束一般用于加热待加工工件，且作用于待加工工件的行程中金刚石车刀、金刚石磨头和激光束不接触。

本实施例中热敏活性润滑液，包含如下组分：丙二醇、三乙醇胺、热敏引发剂、植物油。根据热敏切削液中引发剂的成分、含量和溶液的流量，以及工件材料热引发剂改性层的硬度、弹性模量、断裂韧性、界面分离强度分别设置微波射线的波长、强度以及切削深度、进给量和工件转速(参数的选择是根据改性层的力学性能)。

所述热敏引发剂选自过氧化氢、过氧化二碳酸二对-特丁基环己酯(TBCP)或过氧化特戊酸特丁酯(BPP)中的一种或多种的组合。

过氧化二碳酸二对-特丁基环己酯(TBCP)受热分解反应的方程式如下：

无机过氧类热分解引发剂过氧化氢受热分解反应的方程式如下：

软脆工件材料与自由基反应的化学方程式如下：

其中，A软脆工件材料。

热敏引发剂是一类受热后能产生自由基，进而对机械力作用下的软脆光电材料实施可控化学改性的化合物。对于实现热敏活性润滑液的高效应用而言，微波的作用至关重要。微波能够激发热敏活性润滑液中的热敏活性引发剂分解，释放出强化学反应活性的自由基，随即与软脆光电材料表面相互作用，实现快速的化学改性。同时，微波经吸附于工件表面的极性分子将热能有效地传递至工件表层，增加了工件表层和改性层材料的塑性变形能力。最终，微波加热软化及改性的工件表层材料被金刚石车刀高效地机械去除。另外，通过丙二醇和三乙醇胺的协同润滑作用，可有效调控单点金刚石车刀与改性层之间的接触应力，确保了加工过程的精准性和材料表面质量的优良性。

本实施例中，两种复合加工单元共用一套激光发生器和激光发射头即可。

本实施例中，所述移动机构7还设置有磁吸座，磁吸座的顶端固定有图像采集元件，图像采集元件用于采集工件处的图像，辅助精确对刀，所述图像采集元件采用CCD观察显微镜6。

实施例1

如图2所示，本具体实施方式提供一种激光-紫外光-超精磨多能场复合加工氮化镓的方法，具体包括如下步骤：

S1：将氮化镓晶圆放入无水乙醇中超声清洗10分钟，获得清洁无污染的待加工工件；

S2：利用数显加热仪将待加工工件通过石蜡固定到铝合金样品台上，启动静音无油真空泵，将铝合金样品台通过真空吸附装夹到机床回转工作台上，通过高精度千分表调整主轴回转精度小于1μm；

S3：将激光发射头安装于三轴滑台支架上，控制Z轴可移动平台将激光发射头移至待加工工件右侧，确定其与工件表面相对位置；

S4：启动高精度数控机床1，开启控制系统，控制移动机构将金刚石磨头移至实施例2加工后的工件5的右方，调节CCD观测显微镜，观测状态下通过控制移动机构和气浮主轴调节磨头与工件表面的相对位置，读取刀具机床坐标系X和Z的坐标值；

S5：设置激光加工参数，激光光斑直径30μm、脉宽100ns、波长1080nm、功率6W、重复频率50KHz、扫描速度1mm/s。开启激光发生器，通过机床气浮高速电主轴的X方向的往复移动和旋转运动调整激光光斑位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整激光的离焦量；

S6：启动高速气浮主轴2和气浮主轴组件，控制Z轴单次进给0.5μm、X轴单次磨削长度2.7cm、进给速度10μm/min进行试磨，随后借助白光干涉仪观测磨削后样品中心的形貌，利用高精度千分表通过调整气浮主轴组件上的丝杆调节金刚石磨头22的Y方向的高度，直至磨削后的样品中心平整、无微凸体，完成对刀；

S7：开启激光发生器，对工件特定位置进行单脉冲激光打点对焦，通过Z轴可移动平台的往复运动调整激光距离工件的位置，利用显微镜观测得出工件表面圆度较好且能量均匀的光斑所对应的平台位置，最终确定激光工作焦点位置；

S8：利用三轴滑台调节激光光束与金刚石磨头的作用点倾斜30度、偏置0.5mm的距离。设置磨削参数，工件转速1000rpm、磨头转速3000rpm、磨削深度DOC 0.5μm、进给速度1μm/min。设置激光参数，激光光斑直径7mm、脉宽100ns、波长1080nm、功率6W、重复频率50KHz；

S9：启动高精度数控机床，开始对工件进行激光辅助超精密磨削粗加工。待加工完成后，退刀到安全位置；

S10：将激光器经三轴滑台撤回至安全位置，同时将紫外光发射头安装于三轴滑台支架上，控制Z轴可移动平台将紫外光发射头移至待加工工件上方，确定紫外光发射头与工件表面相对位置；

S11：根据加工材料配置相应的光敏活性润滑液，配置润滑液各主要成分及含量：光敏活性润滑液含1.0％～10.0％光引发剂、0.5％～5.0％丙二醇、0.5％～5.0％三乙醇胺，余量是基础液去离子水。

S12：设置紫外光加工参数，开启紫外光发生器对工件粗加工位置进行紫外光照射，将配置好的光敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置按100ml/h流量均匀喷洒至激光辅助磨削加工后的工件表面，诱导光敏活性润滑液中光引发剂分解产生烷基自由基活性，对机械应力作用下的工件进行化学改性，降低工件表面材料的弹性模量，同时提高脆性光电材料的断裂韧性。通过机床回转工作台X方向的往复移动和旋转运动调整紫外光照射位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整紫外光照射区域大小；

S13：启动高精度数控机床，开始对激光-金刚石磨头磨削加工后的氮化镓晶圆进行紫外光辅助超精密磨削精加工。待加工完成后，退刀到安全位置，关闭激光发生器、紫外光发生器、高速气浮主轴和气浮主轴组件、控制系统、CCD观测显微镜及冷却润滑系统。

实施例2

如图3所示，本具体实施方式提供一种激光-微波单点车超精密加工铌酸锂晶圆的方法，具体包括如下步骤：

S1：将铌酸锂晶圆放入无水乙醇中超声清洗10分钟，获得清洁无污染的待加工工件；

S2：利用数显加热仪将待加工工件通过石蜡固定到铝合金样品台上，启动静音无油真空泵，将铝合金样品台通过真空吸附装夹到机床回转工作台上，通过高精度千分表调整主轴回转精度小于1μm；

S3：将激光发射头安装于三轴滑台支架上，控制Z轴可移动平台将激光发射头移至待加工工件右侧，确定其与工件表面相对位置；

S4：启动高精度数控机床，开启控制系统，控制Z轴可移动平台将刀具半径0.5mm的单点金刚石车刀移至工件的右方，调节多自由度CCD观测显微镜，观测状态下通过控制Z轴可移动平台和X轴可移动气浮高速电主轴调节单点金刚石车刀与工件表面的相对位置，读取刀具机床坐标系X和Z的坐标值；

S5：设置激光加工参数，激光光斑直径30μm、脉宽100ns、波长1080nm、功率6W、重复频率50KHz、扫描速度1mm/s。开启激光发生器，通过机床气浮高速电主轴的X方向的往复移动和旋转运动调整激光光斑位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整激光的离焦量；

S6：启动气浮高速电主轴，控制Z轴单次进给0.1μm、X轴单次切削半径5.5mm、进给速度5μm/min进行试切，随后借助白光干涉仪观测试切后样品中心微凸体的形状，利用高精度千分表通过调整刀夹上的丝杆调节单点金刚石车刀的Y方向的高度，直至试切后样品的中心平整、无微凸体，完成对刀；

S7：开启激光发生器，对工件特定位置进行单脉冲激光打点对焦，通过Z轴可移动平台的往复运动调整激光距离工件的位置，利用显微镜观测得出工件表面圆度较好且能量均匀的光斑所对应的平台位置，最终确定激光工作焦点位置；

S8：利用精密三轴滑台调节激光光束与金刚石车刀的作用点倾斜30度、偏置0.5mm的距离。设置车削参数，主轴转速2000rpm、切削深度DOC 50nm、进给速度1μm/min。设置激光参数，激光光斑直径7mm、脉宽100ns、波长1080nm、功率6W、重复频率50KHz；

S9：启动高精度数控机床，开始对工件进行激光辅助超精密单点金刚石车削粗加工。待加工完成后，退刀到安全位置；

S10：将激光发生器经三轴滑台撤回安全位置，同时将微波发射头安装于三轴滑台支架上，控制Z轴可移动平台将微波发射头移至待加工工件上方，确定微波发射头与工件表面相对位置；

S11：根据加工材料配置相应的热敏活性润滑液，配置润滑液各主要成分及含量：自由基型热敏引发剂为偶苯酰二甲基缩酮，质量百分比为5.0％；丙二醇质量百分比为0.5％；甘油质量百分比为0.5％。

S12：设置微波加工参数，开启微波发生器对工件粗加工位置进行微波升温，将配置好的热敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置按50ml/h流量均匀喷洒至激光辅助车削加工后的工件表面，诱导热敏活性切削液中热分解型引发剂分解产生活性自由基对机械应力作用下的工件进行化学改性，降低工件表面材料的弹性模量，同时提高脆性光电材料的断裂韧性。通过机床回转工作台X方向的往复移动和旋转运动调整微波加热位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整微波照射区域大小；

S13：启动高精度数控机床，开始对激光-单点金刚石车刀粗加工后的铌酸锂晶圆进行微波辅助超精密切削精加工。待加工完成后，退刀到安全位置，关闭激光发生器、微波发生器、高速气浮主轴和气浮主轴组件、控制系统、CCD观测显微镜及冷却润滑系统。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统，包括数控机床，在数控机床上安装有回转工作台能做旋转及X、Y方向往复运动，用于装夹工件；Z轴可移动平台做Z向往复运动；其特征在于，还包括多能场耦合超精密复合加工单元，所述的多能场耦合超精密复合加工单元包括激光加工单元、紫外光加工单元、微波加工单元、磨削加工单元、车削加工单元和液体喷雾装置；

进行激光-紫外光超精磨加工时，激光加工单元的激光生成组件的激光发射头通过聚焦光路与激光发生器相连；紫外光生成组件的紫外光发射头与紫外光发生器相连；激光发射头、紫外光发射头、液体喷雾装置位于回转工作台的一侧，磨削加工单元固定到Z轴可移动平台上；所述的液体喷雾装置用于向工件表面喷射光敏活性润滑液；

进行激光-微波单点车复合加工时，激光加工单元的激光生成组件的激光发射头直接与激光发生器相连，微波生成组件的微波发射头与微波发生器相连；激光发射头、微波发射头、液体喷雾装置位于回转工作台的一侧；车削加工单元安置于机床Z轴可移动平台上；所述的液体喷雾装置用于向工件表面喷射热敏活性润滑液。

2.根据权利要求1所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统，其特征在于，所述的热敏活性润滑液包含热敏引发剂，所述的热敏引发剂经微波的诱导作用与软脆工件材料发生化学反应。

3.根据权利要求1所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统，其特征在于，所述的光敏活性润滑液包含光敏引发剂，所述的光敏引发剂经紫外光的诱导作用与硬脆工件材料发生化学反应。

4.如权利要求1所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统，其特征在于，所述车削加工单元包括单点金刚石车刀，所述单点金刚石车刀偏置于激光发射头、微波发射头及喷雾装置，通过激光、微波和单点金刚石车刀的相互配合，在热敏润滑液的催化下对工件进行激光及微波辅助车削加工。

5.如权利要求1所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统，其特征在于，所述磨削加工单元包括金刚石磨头，所述金刚石磨头偏置于激光发射头、紫外光发射头及喷雾装置，通过激光、紫外光和金刚石磨头的相互配合，在光敏润滑液的催化下对工件进行激光及紫外光辅助磨削加工。

6.如权利要求1所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统，其特征在于，还包括多自由度CCD观察显微镜，所述CCD显微镜通过磁座吸附于Z轴可移动平台，辅助精确对刀。

7.一种权利要求1～6任一项所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统的加工方法，其特征在于，如下：

当对软脆材料工件进行加工时：

S1：将处理后的软脆材料工件装夹到机床回转工作台上；

S2：控制Z轴可移动平台将激光发射头和聚焦光路移至工件一侧，确定激光发射头与工件表面相对位置；

S3：开启激光发生器进行单脉冲打点对焦，通过回转工作台X方向的往复移动和旋转运动调整激光光斑位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整激光的离焦量；

S4：将车削加工单元安装到机床Z轴可移动平台，紧接着将车削加工单元的车刀移至激光发射头所在侧；

S5：调节激光光束的倾斜角度，与车刀保持合适的偏置距离，启动数控机床，对工件进行激光辅助粗车削，待加工完成后，关闭激光发生器，退刀到安全位置；

S6：将激光发生器撤回至安全位置，同时将微波发射头安装于Z轴可移动平台上，控制Z轴可移动平台将微波发射头移至软脆材料工件上方，确定微波发射头与软脆材料工件表面相对位置；

S7：根据工件材料配置相应的热敏活性润滑液，将配置好的热敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置均匀喷洒至激光辅助车削加工后的工件表面；

S8：开启微波发生器对工件步骤S6加工位置进行微波辐射，诱导热敏活性润滑液中的热分解型引发剂分解，产生活性自由基，对机械应力作用下的软脆材料工件进行化学改性，降低工件表面材料的弹性模量，同时提高硬脆材料的断裂韧性，通过数控机床回转工作台X方向的往复移动和旋转运动调整微波加热位置，通过Z轴可移动平台的往复运动调整微波照射区域大小；

S9：调节微波发射头的倾斜角度，与车刀保持设定的偏置距离，启动数控机床，开始对激光-单点金刚石车刀粗加工后的工件进行复杂形面的微波辅助超精密车削，待加工完成后，退刀到安全位置；

当对硬脆材料工件进行加工时：

S10：将处理后的硬脆材料工件装夹到机床回转工作台上；

S11：移除车削加工单元，将磨削加工单元安装到Z轴可移动平台上，随后将磨头移至工件一侧，通过回转工作台和Z轴移动平台来控制磨削加工单元与硬脆材料表面的相对位置，完成对刀；

S12:调节激光光束的倾斜角度，与磨头保持设定的偏置距离，设置磨削参数和激光参数，启动高精度数控机床，开始对工件进行激光辅助粗磨削，待加工完成后，关闭激光发生器，退刀到安全位置；

S13：将激光发生器撤回至安全位置，同时将紫外光发射头安装于Z轴可移动平台上，控制Z轴可移动平台将紫外光发射头移至待加工工件上方，确定紫外光发射头与工件表面相对位置；

S14：根据加工材料配置相应的光敏活性研磨液，将配置好的光敏活性润滑液通过微量润滑喷雾装置均匀喷洒至激光辅助磨削加工后的工件表面；

S15：开启紫外光发生器，调节紫外光光束的倾斜角度，与磨削加工单元保持设定的偏置距离，设置紫外光参数与磨削参数，利用紫外光辐照能量诱导光敏润滑液中的光引发剂裂解产生烷基自由基活性，启动高精度数控机床，开始对激光-金刚石磨头磨削加工后的工件进行复杂形面的紫外光辅助超精密磨削，待加工完成后，退刀到安全位置。

8.如权利要求7所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统的加工方法，其特征在于，待加工工件安装在工件装夹件前，将待加工工件放入无水乙醇中超声清洗设定时间，去除工件表面的污物。

9.如权利要求9所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统的加工方法，其特征在于，步骤S6中临界切削深度d_c＝λ(H/E)^1/2(K_c/H)²，式中λ约8.7，是工件材料的脆-塑转变因子，H是激光加热后工件材料的硬度，E是激光加热后工件材料的弹性模量，K_c是激光加热后工件材料的断裂韧性。

10.如权利要求9所述的激光-紫外光-微波多能场耦合超精密加工系统的加工方法，其特征在于，激光-紫外光超精磨复合加工或激光-微波单点车复合加工时，工件上刀具作用点与激光束作用点之间的距离为0.4～1.0mm，单点金刚石车刀作用点与偏置的微波发射头之间距离的选择范围1.0～10.0cm，单点金刚石固结磨料作用点与偏置的紫外光发射头之间距离的选择范围1.0～10.0cm。