專利名稱：激光加熱輔助銑削加工方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械加工方法，尤其是一種激光加熱輔助銑削加工方法，主要應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域，適用于高硬度金屬、工程陶瓷、復(fù)合材料等難加工材料的加工，可以增加刀具壽命，提高加工效率，提升加工質(zhì)量。本發(fā)明還涉及實現(xiàn)該加工方法的激光加熱輔助銑削加工裝置。
背景技術(shù)：
激光加熱輔助切削技術(shù)是將高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短時間內(nèi)，將局部加熱到很高的溫度使材料的切削性在高溫下發(fā)生改變，然后采用刀具進(jìn)行加工。通過對材料進(jìn)行加熱，可以提高材料的塑性，可以將材料脆性轉(zhuǎn)化為延展性，使材料的屈服強度降低到斷裂強度以下，降低切削力，減小刀具磨損，抑制鋸齒形切屑產(chǎn)生，防止切削振顫，從而達(dá)到提高加工效率、降低成本、增加表面質(zhì)量的目的。激光加熱輔助銑削是激光加熱輔助切削的一種方式。由于銑削是一個間歇切削過程，工件對刀具的沖擊作用更容易引起刀具損壞，因此，激光加熱輔助銑削技術(shù)可以降低切削力，減小刀具對工件的沖擊，提高刀具壽命并且可以提高加工表面質(zhì)量。國外學(xué)者對鎢鉻鈷合金材料進(jìn)行了激光加熱輔助銑削試驗研究，證明了加熱輔助銑削的優(yōu)點，可以在提高加工效率的同時降低刀具磨損。在脆性大、加工難度高的陶瓷材料方面，采用激光加熱輔助銑削技術(shù)可以使材料由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，加工過程中顯著的降低切削力，切屑變得連續(xù)，并且得到良好的加工表面。然而，銑削的加工特點與銑床的結(jié)構(gòu)給激光與銑削的結(jié)合帶來了困難，激光與銑刀的相對位置無法調(diào)整，導(dǎo)致了加工位置相對于銑刀只能為一個方向。對于具有復(fù)雜溝槽、型腔等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜工件，只有重新裝夾才能達(dá)到激光加熱軟化的目的，這就極大地限制了技術(shù)的應(yīng)用范圍。因此，需要從加工方法與裝置方面綜合考慮，解決激光與銑床的結(jié)合問題，才能實現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是使激光加熱輔助銑削技術(shù)可應(yīng)用于復(fù)雜工件的加工，提出了一種激光聚焦頭與銑刀相對固定的激光加熱輔助銑削復(fù)雜軌跡加工方法及加工裝置。運用該方法可以銑削復(fù)雜直線、曲線軌跡，實現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的加工。本發(fā)明提出的激光加熱輔助銑削加工裝置，其特征在于，包括數(shù)控銑床工作臺、數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺、主軸、固定在主軸上的銑刀、聚焦頭固定調(diào)整裝置、激光聚焦頭、光纖、YAG光纖輸出激光器、工控機，工件通過隔熱夾具固定在旋轉(zhuǎn)工作臺上，YAG光纖輸出激光器通過調(diào)節(jié)電流可以輸出指定能量的激光，激光通過光纖傳導(dǎo)進(jìn)入激光聚焦頭，激光聚焦頭固定在聚焦頭固定調(diào)整裝置之上，聚焦頭固定調(diào)整裝置固定在機床銑頭上，工控機通過電纜與各個工作臺及激光器聯(lián)接。本發(fā)明還涉及一種激光加熱輔助銑削加工裝置，其特征在于，包括數(shù)控銑床工作臺、數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺、二維移動工作臺、主軸、固定在主軸上的銑刀、聚焦頭固定調(diào)整裝置、 激光聚焦頭、光纖、YAG光纖輸出激光器、工控機，旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)中心與主軸中心重合，二維移動工作臺固定在旋轉(zhuǎn)工作臺上，工件通過隔熱夾具固定在二維移動工作臺上，YAG光纖輸出激光器通過調(diào)節(jié)電流可以輸出指定能量的激光，激光通過光纖傳導(dǎo)進(jìn)入激光聚焦頭， 激光聚焦頭固定在聚焦頭固定調(diào)整裝置之上，聚焦頭固定調(diào)整裝置固定在機床銑頭上，工控機通過電纜與各個工作臺及激光器聯(lián)接。本發(fā)明提出的數(shù)控代碼編寫方法是利用坐標(biāo)變換的方法，將傳統(tǒng)三維數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換為復(fù)雜工件使用的特殊數(shù)控代碼。方法的核心是通過平移及旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換方法，將刀具即將要加工的軌跡方向變換為與激光入射的方向平行，且在一條直線上，變換后即可不移動激光的位置繼續(xù)加工。當(dāng)加工軌跡為曲線時，將曲線離散為多條小線段逼近曲線，是小線段軌跡的方向與激光入射方向平行，加工的同時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即可得到曲線的加工軌跡。本發(fā)明提出的選用合適的工藝參數(shù)的方法是基于有限元模型的結(jié)果進(jìn)行選擇優(yōu)化的。切削區(qū)域溫度是激光加熱輔助銑削最重要的參數(shù)，反映了局部工件的軟化程度，選定的參數(shù)需要保證切削區(qū)域溫度在一定范圍內(nèi)，直接通過試驗的方法得到合適的工藝參數(shù)成本較高，而采用仿真的方法節(jié)約時間、降低成本，并且可以得到合適的工藝參數(shù)。按照實際工件的大小建立模型劃分網(wǎng)格，將激光看做為表面熱流密度，加載熱輻射與對流邊界條件， 并通過溫度測量試驗修正邊界條件后，即可得到準(zhǔn)確的溫度分布預(yù)測模型。根據(jù)試驗系統(tǒng)采用可選定工藝參數(shù)進(jìn)行仿真，以切削區(qū)域溫度為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合銑削的工藝參數(shù)選擇特點，即可得到最終的加工工藝參數(shù)本發(fā)明還涉及一種利用所述加工裝置實現(xiàn)的激光加熱輔助銑削加工方法，其特征在于，包括以下步驟-將工件放置在數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺上或者二維移動工作臺上并固定，通過移動數(shù)控銑床工作臺改變數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺與銑刀的相對位置；-調(diào)整激光聚焦頭的相對位置控制激光光斑的入射位置與光斑直徑，使之照射在將要去除材料的位置；-規(guī)劃加工軌跡，計算特殊旋轉(zhuǎn)軸的移動坐標(biāo)值，輸出數(shù)控代碼；-通過溫度場有限元仿真選擇優(yōu)化加工工藝參數(shù)，得到激光功率、切削速度、進(jìn)給量、進(jìn)給速度、預(yù)熱時間、激光光斑中心距離銑刀中心距離等工藝參數(shù)；-打開光閘，通過預(yù)熱使切削區(qū)域溫度達(dá)到加工要求，按照給定的數(shù)控代碼進(jìn)行加工；-加工軌跡完成后，光閘關(guān)閉，銑刀移動至下一個加工位置。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，將復(fù)雜工件放置在二維移動工作臺上進(jìn)行加工，所述復(fù)雜工件為具有三維形狀特征的工件。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，還包括改變工件相對方向的步驟，采用在傳統(tǒng)三維坐標(biāo)移動基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)移動方法編寫新的數(shù)控代碼。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，所述的增加旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)移動方法包括直線軌跡與曲線軌跡兩種類型。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，通過溫度場有限元仿真選擇優(yōu)化加工工藝參數(shù)的步驟包括利用有限元方法建立工件的溫度場模型，以合適的切削區(qū)域溫度為加熱目標(biāo)，選擇優(yōu)化激光加熱輔助銑削工藝參數(shù)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1.采用此方法加工需要建立的激光加熱輔助銑削系統(tǒng)不需要復(fù)雜的光路系統(tǒng)或者激光聚焦頭移動系統(tǒng)，系統(tǒng)建立簡單方便，易于操作，通過改造目前的數(shù)控銑床即可滿足要求。2.可以實現(xiàn)連續(xù)直線與曲線軌跡的激光加熱輔助銑削加工，滿足難加工材料復(fù)雜形狀 工件加工要求。3.工藝參數(shù)選擇不需要大量的試驗，節(jié)約時間、降低成本。


圖1為本發(fā)明實施方式之一的激光加熱輔助銑削復(fù)雜形狀工件裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明實施方式之二的激光加熱輔助銑削復(fù)雜形狀工件裝置的示意圖。圖片說明如下1-數(shù)控銑床工作臺，2-旋轉(zhuǎn)工作臺，3-移動工作臺，4-工件，5-立銑刀，6_銑床主軸，7-激光聚焦頭調(diào)整裝置，8-激光聚焦頭，9-光纖，10-激光器，11-工控機
具體實施例方式以下結(jié)合實施方法和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明參照圖1和2，本發(fā)明提出的激光加熱輔助銑削加工裝置包括數(shù)控銑床工作臺1、 數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺2、二維移動工作臺3、主軸6、固定在主軸6上的銑刀5、聚焦頭固定調(diào)整裝置7、激光聚焦頭8、光纖9、YAG光纖輸出激光器10、工控機11。當(dāng)加工直線，加工精度要求不高或現(xiàn)有銑床不能滿足加工曲線或脆性材料的要求時，旋轉(zhuǎn)工作臺2固定在數(shù)控銑床工作臺1上，工件4通過隔熱夾具固定在旋轉(zhuǎn)工作臺2之上。當(dāng)針對復(fù)雜工件需要加工曲線、加工脆性材料或加工精度要求較高時，旋轉(zhuǎn)工作臺2旋轉(zhuǎn)中心與主軸中心重合，并且增加二維移動工作臺3，其固定在旋轉(zhuǎn)工作臺2之上，工件4通過隔熱夾具固定在二維移動工作臺3之上。YAG光纖輸出激光器10通過調(diào)節(jié)電流可以輸出指定能量的激光，激光通過光纖9傳導(dǎo)進(jìn)入激光聚焦頭8，激光聚焦頭8固定在聚焦頭固定調(diào)整裝置7之上，聚焦頭固定調(diào)整裝置7固定在機床銑頭上。加工前通過調(diào)整聚焦頭固定調(diào)整裝置7改變激光入射方向、入射在工件表面的光斑直徑大小，加工過程中激光與銑床相對靜止，工作臺以預(yù)定軌跡移動實現(xiàn)工件的加工。工控機11通過電纜與各個工作臺及激光器10聯(lián)接，控制工作臺的移動、激光能量與光閘的開關(guān)。本發(fā)明針對不同的加工工件及原有的數(shù)控銑床可以采用以下兩種實施方式實施方式一為在普通數(shù)控銑床工作臺上放置一數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺，達(dá)到改變工件相對方向的作用，銑床自身工作臺改變工件相對位置；實施方式二為在普通銑床工作臺之上放置一數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺，數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺的中心與主軸的中心重合，達(dá)到改變工件相對方向的作用，同時將二維平面工作臺放置于數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺之上，達(dá)到改變工件相對位置的作用。實施方式一針對加工直線，加工精度要求不高或現(xiàn)有銑床不能滿足要求的場合。 該方法裝置示意圖如圖1所示，采用此方案系統(tǒng)建立簡單，在普通數(shù)控銑床上增加旋轉(zhuǎn)工作臺2即可，首先調(diào)整好位置沿一個方向加工，當(dāng)加工方向需要改變時，銑刀5提升，光閘關(guān)閉，旋轉(zhuǎn)工作臺2旋轉(zhuǎn)到下一個位置，以使加工方向與激光入射方向相同，同時工作臺1移動至旋轉(zhuǎn)后的加工位置，銑刀5降下后進(jìn)行下一個位置的加工。但是由于激光入射相對位置無法在加工過程中隨時調(diào)整，僅能加工直線軌跡。實施方式二 針對需要加工曲線、加工脆性材料或加工精度要求較高的場合。該方法裝置示意圖如圖2所示，將二維移動工作臺3放置于旋轉(zhuǎn)工作臺2之上，機床主軸6 與旋轉(zhuǎn)工作臺2中心同軸，旋轉(zhuǎn)工作臺2在旋轉(zhuǎn)的過程中僅改變加工的方向，不改變銑刀5相對移動工作臺3的位置，二維移動工作臺3與銑床的ζ軸組成了銑削加工過程中的三個軸。 此時可以保證激光入射相對位置能夠在加工過程中隨時調(diào)整，因此可以滿足曲線軌跡的加工要求。加工過程中工件隨著移動工作臺3移動，隨旋轉(zhuǎn)工作臺2轉(zhuǎn)動改變激光入射位置與工件的相對角度，激光光斑位置不需要改變。在加工的過程中，加工完一段直線軌跡之后首先需要關(guān)閉光閘，防止在工作臺旋轉(zhuǎn)的過程中激光照射在其它位置，工作臺旋轉(zhuǎn)之后光閘打開，開始加工下一段軌跡，光閘控制整合在數(shù)控系統(tǒng)中以保證系統(tǒng)的同步。利用本發(fā)明的激光加熱輔助銑削加工裝置進(jìn)行工件加工時，將工件4裝夾在二維移動工作臺3上，或者固定在數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺2上，通過移動數(shù)控銑床工作臺1改變數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺2與銑刀的相對位置。加工時之前通過溫度場有限元仿真選擇優(yōu)化加工工藝參數(shù)，得到激光功率、切削速度、進(jìn)給量、進(jìn)給速度、預(yù)熱時間、激光光斑中心距離銑刀中心距離等工藝參數(shù)。按照傳統(tǒng)的加工軌跡制定方法確定加工軌跡，根據(jù)數(shù)控代碼編寫方法計算特殊旋轉(zhuǎn)軸的移動坐標(biāo)值，輸出數(shù)控代碼。開啟光閘，通過預(yù)熱使切削區(qū)域溫度達(dá)到加工要求，按照給定的數(shù)控代碼進(jìn)行加工。加工一段軌跡之后，光間關(guān)閉，旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)至下一個工位，光間開啟后加工繼續(xù)進(jìn)行。按照此順序加工所有離散的軌跡后，關(guān)閉光間，加工完成，刀具移動至下一個工步。加工復(fù)雜工件時，將工件裝夾在二維移動工作臺上，復(fù)雜工件為具有三維形狀特征的工件，可以是具有一定軌跡的溝槽、型腔等。在執(zhí)行改變工件相對方向的操作時，需要編寫新的數(shù)控代碼，在傳統(tǒng)三維坐標(biāo)移動基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)移動方法。增加旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)移動方法包括直線軌跡與曲線軌跡兩種類型。直線軌跡時求得將要加工直線與已加工直線的角度，得到旋轉(zhuǎn)角度；曲線軌跡時需要將曲線進(jìn)行離散，小線段逼近曲線，得到每個小線段之間的夾角，從而得到旋轉(zhuǎn)角度。通過溫度場有限元仿真選擇優(yōu)化加工工藝參數(shù)的步驟包括利用有限元方法建立工件的溫度場模型，以合適的切削區(qū)域溫度為加熱目標(biāo)，選擇優(yōu)化激光加熱輔助銑削工藝參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種激光加熱輔助銑削加工裝置，其特征在于，包括數(shù)控銑床工作臺(1)、數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(2)、主軸(6)、固定在主軸(6)上的銑刀(5)、聚焦頭固定調(diào)整裝置(7)、激光聚焦頭(8)、光纖(9)、YAG光纖輸出激光器(10)、工控機(11)，工件(4)通過隔熱夾具固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(2)上，YAG光纖輸出激光器(10)通過調(diào)節(jié)電流可以輸出指定能量的激光，激光通過光纖(9)傳導(dǎo)進(jìn)入激光聚焦頭(8)，激光聚焦頭(8)固定在聚焦頭固定調(diào)整裝置(7)之上，聚焦頭固定調(diào)整裝置(7)固定在機床銑頭上，工控機(11)通過電纜與各個工作臺及激光器(10)聯(lián)接。
2.一種激光加熱輔助銑削加工裝置，其特征在于，包括數(shù)控銑床工作臺(1)、數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(2)、二維移動工作臺(3)、主軸(6)、固定在主軸(6)上的銑刀(5)、聚焦頭固定調(diào)整裝置(7)、激光聚焦頭(8)、光纖(9)、YAG光纖輸出激光器(10)、工控機(11)，旋轉(zhuǎn)工作臺 (2)旋轉(zhuǎn)中心與主軸中心重合，二維移動工作臺(3)固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(2)上，工件(4)通過隔熱夾具固定在二維移動工作臺⑶上，YAG光纖輸出激光器(10)通過調(diào)節(jié)電流可以輸出指定能量的激光，激光通過光纖(9)傳導(dǎo)進(jìn)入激光聚焦頭(8)，激光聚焦頭(8)固定在聚焦頭固定調(diào)整裝置(7)之上，聚焦頭固定調(diào)整裝置(7)固定在機床銑頭上，工控機(11)通過電纜與各個工作臺及激光器(10)聯(lián)接。
3.一種利用權(quán)利要求1或2所述的加工裝置實現(xiàn)的激光加熱輔助銑削加工方法，其特征在于，包括以下步驟-將工件放置在數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(2)上或者二維移動工作臺(3)上并固定，通過移動數(shù)控銑床工作臺(1)改變數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(2)與銑刀的相對位置；-調(diào)整激光聚焦頭的相對位置控制激光光斑的入射位置與光斑直徑，使之照射在將要去除材料的位置；-規(guī)劃加工軌跡，計算特殊旋轉(zhuǎn)軸的移動坐標(biāo)值，輸出數(shù)控代碼；-通過溫度場有限元仿真選擇優(yōu)化加工工藝參數(shù)，得到激光功率、切削速度、進(jìn)給量、進(jìn)給速度、預(yù)熱時間、激光光斑中心距離銑刀中心距離等工藝參數(shù)；-打開光閘，通過預(yù)熱使切削區(qū)域溫度達(dá)到加工要求，按照給定的數(shù)控代碼進(jìn)行加工；-加工軌跡完成后，光間關(guān)閉，銑刀移動至下一個加工位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，將復(fù)雜工件放置在二維移動工作臺(3)上進(jìn)行加工，所述復(fù)雜工件為具有三維形狀特征的工件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，還包括改變工件相對方向的步驟，采用在傳統(tǒng)三維坐標(biāo)移動基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)移動方法編寫新的數(shù)控代碼。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的增加旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)移動方法包括直線軌跡與曲線軌跡兩種類型。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中的一項所述的方法，其特征在于，通過溫度場有限元仿真選擇優(yōu)化加工工藝參數(shù)的步驟包括利用有限元方法建立工件的溫度場模型，以合適的切削區(qū)域溫度為加熱目標(biāo)，選擇優(yōu)化激光加熱輔助銑削工藝參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光加熱輔助銑削加工方法與裝置。它在傳統(tǒng)數(shù)控銑床上裝設(shè)激光聚焦頭，通過光纖將激光導(dǎo)入以提升局部工件的溫度，達(dá)到改善材料加工性能的目的。在激光聚焦頭與銑刀相對固定的前提下，增加一旋轉(zhuǎn)工作臺，通過旋轉(zhuǎn)工件的方法改變工件相對于激光入射方向，從而實現(xiàn)復(fù)雜零件的激光加熱輔助銑削加工。本發(fā)明克服了加熱輔助銑削加工中加工方向無法改變的不足，為難加工材料復(fù)雜零件的加工提供了一種新的方法。
文檔編號B23P17/00GK102430904SQ20111031731
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者吳雪峰, 張宏志, 楊立軍, 王揚 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)