CN101767252A - 一种激光工具刃磨方法及工具刃磨机 - Google Patents

Abstract

一种激光工具刃磨方法及激光工具刃磨机。用高品质激光代替砂轮或放电加工，对刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式工件进行精密加工，含有以下步骤：将工件装于安装工具卡具内，调整被加工工件位置使之达到最合适的角度和方位；使被加工点置于激光焦点或焦平面上，开动激光和冷却气或冷却液，电控或手控高精度多维运动系统，使加工区域按一定规律进行位移，从而形成各种形状的工具刃口。非接触式加工，无砂轮磨削之压、应力损伤；亦无电火花磨削之放电损伤。高品质：当激光品质较高时可加工出镜面光洁的刃口，无论效率还是品质都比电火花优越。高效率：激光磨的效率要远远高于放电磨和砂轮磨。易于实时监测。

Description

一种激光工具刃磨方法及工具刃磨机

技术领域

本发明涉及一种激光工具刃磨方法及工具刃磨机，以激光为加工介质，对金属或非金属工件进行精密去除材料从而得到所需形状的加工方法。本发明特别涉及精密刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式的加工工艺。本发明所涉及的工艺设备属于精密切削设备领域。

背景技术

目前普遍采用的加工方法：

现有技术一：

采用磨床和类似于磨床的设备以砂轮为磨削材料的加工方法。

工作方式：是以电动机或其它动力源作为驱动，通过砂轮旋转并接触被加工工件表面，依靠磨料与工件的摩擦去除工件材料。在此摩擦的过程中砂轮也不断的损耗，表现为磨料颗粒从砂轮上不断脱落从而剥离出新的砂轮表面。故此砂轮能够实现的磨削加工的复杂和精密程度与磨粒的几何尺寸、砂轮形状的保持程度有关。所以此方法无法实现复杂和极其细微的加工要求。

优势：磨出的工件可实现较高粗糙度等级、可得到锋利的刃口。

劣势：作为接触式磨削加工易对刃口造成压、应力损伤。可导致刃口变形，无法实现复杂形状的超硬刀具加工。

现有技术二：

采用放电加工方法。

工作原理：以液体为加工介质于金属电极和工件间施加很强的脉冲电压。当电压达到液体介质绝缘强度最低处的击穿电压时，会在此处产生放电。放电产生的瞬间高温(通常为10000-12000℃)使工件局部材料熔化甚至气化蒸发。在放电爆炸力的作用和液体介质的冲洗下，局部烧熔和气化的工件颗粒脱离工件，从而形成工件表面微小的凹坑。放电后液体介质的流动使工件降温，绝缘强度恢复初始状态，等待下一次放电。通过此过程的反复运用和工件与电极间的位移，形成所需的加工痕迹。

优势：工件和电极间不直接接触，不产生应力和压力损伤。每次放电形成的加工痕迹小，故此可实现较高精度且变形量很小的复杂加工。在超硬刀具如PCD金刚石刀具加工方面具有一定优势。

劣势：加工效率较低，对导电性差的材料难以进行加工。

现有技术三：

采用金属结合剂砂轮以磨削和放电相结合的加工方式。

工作原理：此加工方式是以金属结合剂砂轮中分布的金属结合剂作为放电电极，以金属结合剂砂轮中的磨料颗粒作为磨削材料共同完成的复合加工。加工过程中以液体作为放电介质，当金属结合剂砂轮被施以很高的脉冲电压并超出液体介质绝缘强度时在被加工工件上产生放电，并形成加工痕迹。由于金属结合剂在砂轮中处于分散分布，故此在砂轮与工件相互摩擦的多点接触、线接触或面接触中始终相对存在着一定的间隙量。而液体介质在砂轮或工件表面形成的覆盖在放电和磨削中也始终处于一种断续的被去除状态，由此磨削和放电加工可以有序的连续进行。

优势：此加工方式对比普通电火花加工可实现更高的工作效率，相比砂轮磨削综合成本更佳。加工过程同时包含接触式和非接触式两种加工方式。其中砂轮的磨削可以去除工件材料和工件表面由高温放电而产生的氧化层，并通过砂轮的磨损暴露出新的金属结合剂，使加工过程中工件和砂轮始终保持最佳的导电性能。此加工方式特别适合由多种不同阻值元素构成的合金的加工。

劣势：由于金属结合剂在砂轮中属于分散分布、有效的加工需要以多点放电的形式实现，而过程中每个放电点与对应的待加工点间距离有所差异，所以放电强度和形成的加工痕迹也有所差异。由于砂轮本身的磨削一般只占辅助作用，且金属结合剂砂轮不具备精加工要求，故此该加工方式只适合精度要求较低的场合。

金属结合剂砂轮的成本和工艺难度较高，用于同种工件小批量加工时经济性不太理想。故此应用领域不太广泛，也制约了此类设备功能的开发，常见的多为一些运动系统较为简单的专用机床。

发明内容

为了克服上述现有技术功能和综合效率的不足，本发明提供一种以激光为加工手段对精密刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式工件的加工方法。以及针对此加工方法的激光加工设备。

本发明所采用的技术方案：一种激光工具刃磨方法，采用高品质激光代替砂轮或放电加工，对刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式工件进行精密加工，含有以下步骤：

将精密刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式的工件装于安装工具卡具内，调整被加工工件位置使之达到最合适的角度和方位；使被加工点置于激光焦点或焦平面上，开动激光和冷却气或冷却液，电控或手控高精度多维运动系统，使加工区域按一定规律进行位移，从而形成各种形状的工具刃口；

电源系统分为多路，分别为高品质激光器、高精度多维运动系统(运动系统也可以采用手动模式)、实时监测系统、冷却系统和控制和操作系统提供电力。

控制和操作系统分别控制高精度多维运动系统、实时监测系统、冷却系统和高品质激光器。

当控制和操作系统完成程序的设定并对设备发出指令时，被安装工具卡具锁定的工件在实时监测系统的监控下，随高精度多维运动系统进行基准点的定位。

定位完成后高品质激光器通过导光聚焦系统发出能量，并在工件表面形成烧蚀或材料气化的加工痕迹。

同时冷却系统以液冷或气冷的方式对激光器由电能至光能转换过程中产生的热量加以冷却。采用辅助气体的形式通过喷嘴对工件表面的被加工部分加以冷却并吹除气化和烧熔残渣。

高精度多维运动系统在实时监测系统的监控下，配合高品质激光器进行预设程序下的多维精确位移。并根据实时监测系统的检测结果进行随时的修正。

通过以上步骤实现对工件的精密加工。

一种激光工具刃磨机，由高品质激光器、导光聚焦系统、高精度的多维运动系统、安装工具卡具、实时监测系统、冷却系统、电源系统、控制和操作系统等部分组成。

电源系统分为多路，分别为高品质激光器、高精度多维运动系统(运动系统也可以采用手动模式)、实时监测系统、冷却系统、控制和操作系统提供电力。

控制和操作系统分别掌管高精度多维运动系统、实时监测系统、冷却系统和高品质激光器。当控制和操作系统完成程序的设定并对设备发出指令时，被安装工具卡具锁定的工件在实时监测系统的监控下，随高精度多维运动系统进行基准点的定位。

定位完成后高品质激光器通过导光聚焦系统发出能量，并在工件表面形成烧蚀或材料气化的加工痕迹。同时冷却系统以液冷或气冷的方式对激光器由电能至光能转换过程中产生的热量加以冷却。以及采用辅助气体的形式通过喷嘴对导光聚焦系统和工件表面的被加工部分加以冷却并吹除气化和烧熔残渣。

高精度多维运动系统在实时监测系统的监控下，配合高品质激光器进行预设程序下的多维精确位移。并根据实时监测系统的检测结果进行随时的修正。

通过以上各系统间的精确配合实现对工件的精密加工。

各主要部件的介绍

激光器：

高品质激光可以是来自多种激光介质的激光器。可以是灯泵浦或二极管泵浦的固体YAG激光器(波长1064nm、倍频后为532nm、三倍频为355nm)、可以是光纤激光器、可以是紫外波长激光器、也可以是其它品质较高的激光器。从激光波长来说，应该是波长尽可能短的激光。其中以位于紫外波段的准分子激光为最佳，Nd:YAG三倍频355nm激光其次，Nd:YAG二倍频532nm再次，普通Nd:YAG激光1064nm及更长波长的激光勉强可用。从激光脉冲的特点来说，应该是峰值功率较高、脉冲宽度较窄为佳。一般来说脉冲宽度要小于200微秒，能达到纳秒、皮秒甚至飞秒级别则加工品质更高，但加工效率也随之下降，故此对于精加工来说纳秒和皮秒级别脉宽的激光是较佳选择。对于脉冲的峰值功率没有过高的要求，只要能进行有效加工即可。但脉宽确定的情况下，峰值功率越高，则加工效率也越高。

导光聚焦系统：

导光聚焦系统使激光束经过一系列光学镜片进行扩束、转折、汇集聚焦，从而在焦点或交平面处具有极高的能量密度。当工件的待加工部分置于焦点附近时，就被迅速烧熔和气化以形成加工。

高精度的运动控制系统：

一般采用二维以上的电控或手控平移台、偏转台及旋转台(通称运动单元)。按照一定方式组合在一起，使工件可以在(X、Y、Z)三个直线坐标方向及(θx、θy、θz)三个圆坐标方向共六维中的至少两维以上的的方向内进行调整或运动。维数越多则功能更全面，工艺更简化，生产效率也更高。

安装夹持系统：

安装于运动单元上，用于锁定被加工工件。并可在一定角度、方位和尺寸内进行调整。

实时监测系统：

采用显微镜或投影系统或CCD摄像系统。可以和导光聚焦系统集成在一起。冷却系统：

采用气体冷却或液体冷却，也可二者并用。气体冷却较简单而且易于实现，液体冷却效果好但结构较为复杂。

本发明的有益效果具体如下：

和现有技术的对比：

1、砂轮磨削：难以实现，由于螺旋槽很小普通砂轮无法实现可用的加工痕迹，只能使用成型定制的磨头。加工时除了θx、y、z三轴运动外，磨头还要延轴线进行自转。加工中磨头处于径向和轴向沿同侧受力，故稳定性受到一定影响。磨头磨损过程中形状发生变化，超出工艺允许的极限时需要更换，以及重新调整工作面。此种加工效率和成本均不理想。

2、多工序加工：先进行车或铣加工，再进行磨加工。首先工件如果是超硬材料，车、铣方式均无法进行加工。即便是普通材料想得到较高质量的预加工也要依赖很高的工艺条件。以车为例：以机械方式变速的普通车床没有足够的变速比，当螺旋升角很大时难以实现正确的预加工。只能依赖步进电机变速的高级数控机床或数控加工中心以及尺寸更小的成型刀具进行加工，预加工完毕按1-1所述进行砂轮磨削。以此方式设备和工时成本较高，生产效率较低。

3、放电加工：方法基本与激光加工相近，但效率较低。如采用成型电极进行仿型电加工，会在加工过程中随着电极逐渐氧化和磨损影响到螺旋槽的加工精度。

4、采用金属结合剂砂轮以磨削和放电相结合的加工方式。此类设备具有一定技术局限，不适合此类精密加工。

5、非接触式加工，无砂轮磨削之压、应力损伤；亦无电火花磨削之放电损伤。高品质：当激光品质较高时可加工出镜面光洁的刃口，无论效率还是品质都比电火花优越。高效率：激光磨的效率要远远高于放电磨和砂轮磨。易于实时监测。

附图说明

图1：激光工具刃磨机示意图；

图2：激光工具刃磨机高精度多维运动系统示意图；

图3：激光工具刃磨机A点局部放大示意图；

图4：螺旋槽加工示意图；

图5：加工螺旋槽的局部放大示意图；

图6：一种轮毂刀具的加工方法示意图；

图7：一种轮毂刀具的加工方法示意图；

图8：加工方法示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

激光工具刃磨机的基本组成：如图1所示，

高品质激光器1；导光聚焦系统2；高精度多维运动系统3；安装工具卡具4；实时监测系统5；冷却系统6；电源系统7；控制和操作系统8。

高品质激光器1固定在机身上，导光聚焦系统2安装在高品质激光器1的前端，实时监测系统5安装在导光聚焦系统2的一侧，安装工具卡具4安装在高精度多维运动系统3上，冷却系统6的管道连接高品质激光器1；电源系统7和控制和操作系统8通过电缆连接高品质激光器1、导光聚焦系统2、高精度多维运动系统3、安装工具卡具4、实时监测系统5和冷却系统6。

激光工具刃磨机由以上各功能组件构成，各组件之间也可根据结构的需要进行拆分或组合，进而形成新的外观形式。

各组件通过数据接口和信号线与控制和操作系统实现连接并接受操控。

各组件和电源系统间由电缆进行连接。

多维运动系统中的任一维均可通过联动、独立运动或手动方式实现运动。

如图2所示，高精度多维运动系统通常由x轴、y轴、z轴、θx旋转、θy旋转、θz旋转六维运动单元组成，也可根据刃磨工件的不同将运动单元进行重新组合或增减运动单元。运动单元可根据使用目的的差异与系统间进行联动、独立运动或手动。运动单元非手动运动时通常由数据接口接受指令由电机驱动完成动作。

如图3所示，

平移台的动力和数据接入部分。驱动电机9和数据接口10连接在机身，手动调节旋钮11连接在驱动电机9，每个运动单元的数据接入方式可以是普通串口或并口接入，也可以是基于其它各种通讯协议下的有线或无线接入方式。

如图4所示，

高品质激光器对被安装、随多维运动系统精确位移的螺旋工件12进行加工。

如图5所示，

特殊成型回转式切削刀具的磨制。(特别针对特殊铣切刀具等具有螺旋槽的硬质材料工件和高精度微型钻头、超硬钻头、多台阶成型钻头。)激光刃磨螺旋槽采用逐层切削的方式。运动系统θx旋转、y轴、z轴的三轴按照一定的时间、速度等函数关系进行运动，使激光束13在工件12上形成规律弧形加工痕迹(排屑槽代加工部分14、已加工去除部分15)，并逐步实现最终的加工要求。

如图6、图7所示，

此加工中使用x、y轴配合θy旋转做待加工部分的定位和找正，以θy旋转方向进行准确的角度调整，使待加工的部分(刀具后角)角度与激光束13(竖直)方向重合，沿θz方向旋转使激光束13沿旋转轨迹形成对所需后角的切割。

或者刀具及其旋转工装水平放置，调整使待加工的圆弧的圆心与旋转中心同轴，激光束13按后角方向倾斜一定的角度，焦点位于待加工的刀具表面圆弧线位置，手动往复旋转或电控往复旋转，即可加工出刀具的圆弧刃口。

如图8所示，为图7加工过程的示意图，未加工前刀头部分的轴心线与运动旋转中心之间有角度，以运动旋转中心旋转，激光束13对刀头进行加工，可以示意看出刀头底面上的已加工去除部分和刀头底面上的待去除部分。

综合以上实施例表明，激光刃磨方法融合了磨(逐层去除)和切(一次去除)两种加工优势。且加工效率和精度有效提高于现有工艺方法，是一项工具加工领域的重大突破。

平移台的动力和数据接入部分。每个运动单元的数据接入方式可以是普通串口或并口接入，也可以是基于其它各种通讯协议下的有线或无线接入方式。

综合以上实施例表明，本发明综合了激光切割机及激光雕刻机的工件运动方式和传统砂轮刃磨刀具和电火花刃磨刀具的工件运动方式，并以激光替代砂轮和电火花对刀具刃口进行加工，使加工效率得到大幅提高，是超硬工具加工领域的一项重大突破。尤其在金刚石刀具的粗磨和半精磨方面，激光刃磨机的加工效率可以比现有砂轮磨削或电火花磨削效率高出数倍。

一种以激光为介质刃磨刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式工件的加工方法，是以激光对所述工件进行以精密去除材料为特征的加工方法。

被加工工件可以由导体、半导体或不导电材料构成。

通过导光聚焦系统在工件的待加工处形成可实现加工的高密度能量。

所述工件的加工特征在于加工过程中使工件和激光焦点间产生相对位移，以便形成具有所需形状和相对位置的加工痕迹。

一种激光工具刃磨机。由高品质激光器、导光聚焦系统、高精度的多维运动系统、安装工具卡具、实时监测系统、冷却系统、电源系统、控制和操作系统等部分构成。

各系统之间也可根据结构的需要进行拆分或组合，进而形成新的外观形式。

所述高品质激光器可以是市售的灯泵浦或二极管泵浦的固体YAG激光器(波长1064nm、倍频后为532nm、三倍频为355nm)、可以是光纤激光器、可以是紫外波长激光器、也可以是其它品质较高适于进行工具加工的激光器。

导光聚焦系统包含一系列光学镜片，通过对激光束的扩束、转折、汇集聚焦，使焦点或交平面处具有极高的能量密度。该导光聚焦系统可以与工作台面偏转一定的角度，以实现对刀具后角及其它位置的加工。

高精度的多维运动系统：可以是市售的采用二维以上的电控或手控平移台、偏转台及旋转台(通称运动单元)。按照一定方式组合在一起，使工件可以在(X、Y、Z)三个直线坐标方向及(θx、θy、θz)三个圆坐标方向共六维中的至少两维以上的的方向内进行调整或运动。

安装工具卡具可以由一件或多件工具构成，并根据不同的使用要求进行拆分或组合。可以独立存在也可集成于高精度多维运动系统。可以使工件待加工点处于较适合的安装位置。

所述实时监测系统可以是市售的显微镜、投影系统或CCD摄像系统构成。可独立也可和激光工具刃磨机中其它系统相互集成。

所述控制和操作系统可以包括：具有一定应用程序的计算机、操作部件(也可以是键盘和鼠标)和显示部件。其工作方式在于：通过与激光工具刃磨机中其它各系统的数据或电力端口连接，传达指令和实现操控。

所述数据端口可以是普通串口或并口接入，也可以是基于其它各种通讯协议下的有线或无线接入方式。

Claims (10)

1.一种激光工具刃磨方法，其特征在于：采用高品质激光代替砂轮或放电加工，对刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式工件进行精密加工，含有以下步骤：将精密刀具、模具和类似于刀具、模具的形状或形式的工件装于安装工具卡具内，调整被加工工件位置使之达到最合适的角度和方位；使被加工点置于激光焦点或焦平面上，开动激光和冷却气或冷却液，电控或手控高精度多维运动系统，使加工区域按一定规律进行位移，从而形成各种形状的工具刃口。

2.根据权利要求1所述的一种激光工具刃磨方法，其特征在于：电源系统分为多路，分别为高品质激光器、高精度多维运动系统、实时监测系统、冷却系统和控制和操作系统提供电力；

控制和操作系统分别控制高精度多维运动系统、实时监测系统、冷却系统和高品质激光器；

当控制和操作系统完成程序的设定并对设备发出指令时，被安装工具卡具锁定的工件在实时监测系统的监控下，随高精度多维运动系统进行基准点的定位；

定位完成后高品质激光器通过导光聚焦系统发出能量，并在工件表面形成烧蚀或材料气化的加工痕迹；

同时冷却系统以液冷或气冷的方式对激光器由电能至光能转换过程中产生的热量加以冷却；

以及采用辅助气体的形式通过喷嘴对导光聚焦系统和工件表面的被加工部分加以冷却并吹除气化和烧熔残渣；

高精度多维运动系统在实时监测系统的监控下，配合高品质激光器进行预设程序下的多维精确位移。并根据实时监测系统的检测结果进行随时的修正；

通过以上步骤实现对工件的精密加工。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光工具刃磨方法，其特征在于：采用二维以上的电控或手控平移台、偏转台及旋转台，按照一定方式组合在一起，使工件在(X、Y、Z)三个直线坐标方向及(θx、θy、θz)三个圆坐标方向共六维中的至少两维以上的的方向内进行调整或运动。

4.根据权利要求3所述一种激光工具刃磨方法，其特征在于：包含一系列光学镜片，通过扩束、转折、汇集聚焦，使焦点或交平面处具有极高的能量密度，该导光聚焦系统可以与主工作台面偏转一定的角度，以实现对刀具后角及其它位置的加工。

5.根据权利要求1或2所述的一种激光工具刃磨方法，其特征在于：激光刃磨螺旋槽采用逐层切削的方式；运动系统θx旋转、y轴、z轴的三轴按照一定的时间、速度等函数关系进行运动，使激光束在工件上形成规律弧形加工痕迹；

或调整使待加工的圆弧的圆心与旋转中心同轴，激光束按后角方向倾斜一定的角度，焦点位于待加工的刀具表面圆弧线位置，手动往复旋转或电控往复旋转，即可加工出刀具的圆弧刃口。

6.一种激光工具刃磨机，其特征在于：由高品质激光器、导光聚焦系统、高精度的多维运动系统、安装工具卡具、实时监测系统、冷却系统、电源系统、控制和操作系统等部分组成；高品质激光器固定在机身上，导光聚焦系统安装在高品质激光器的前端，实时监测系统安装在导光聚焦系统的一侧，安装工具卡具安装在高精度多维运动系统上，冷却系统的管道连接高品质激光器；电源系统和控制和操作系统通过电缆连接高品质激光器、导光聚焦系统、高精度多维运动系统、安装工具卡具、实时监测系统和冷却系统。

7.根据权利要求5所述的一种激光工具刃磨机，其特征在于：激光波长或是Nd:YAG三倍频355nm激光，或是Nd:YAG二倍频532nm，或是Nd:YAG激光1064nm；

激光脉冲的脉冲宽度小于200微秒。

8.根据权利要求5所述的一种激光工具刃磨机，其特征在于：采用二维以上的电控或手控平移台、偏转台及旋转台；按照一定方式组合在一起，使工件能够在(X、Y、Z)三个直线坐标方向及(θx、θy、θz)三个圆坐标方向共六维中的至少两维以上的的方向内进行调整或运动。

9.根据权利要求5所述的一种激光工具刃磨机，其特征在于：高品质激光为灯泵浦或二极管泵浦的固体YAG激光器(波长1064nm、倍频后为532nm、三倍频为355nm)、或是光纤激光器、或是紫外波长激光器。

10.根据权利要求5所述的一种激光工具刃磨机，其特征在于：控制和操作系统分别连接高精度多维运动系统、实时监测系统、冷却系统和高品质激光器；当控制和操作系统完成程序的设定并对设备发出指令时，被安装工具卡具锁定的工件在实时监测系统的监控下，随高精度多维运动系统进行基准点的定位。

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