CN103302751B - 一种激光辅助加热切削陶瓷的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助加热切削陶瓷的装置，包括车刀、固定在数控车床上的自动换刀刀架、固定陶瓷工件的卡盘、激光聚焦头，光纤、脉冲掺镱型光纤激光器、激光控制电路板，所述激光聚焦头通过激光固定板固定在高度调节仪上，所述高度调节仪固定在纵横调节板上，所述纵横调节板安装在所述自动换刀刀架上设置的向上延伸的复数根安装轴上。本发明实现了加工过程中激光聚焦头与刀具保持相对位置固定不变，刀具按预设的数控代码所生成轨迹移动对陶瓷工件加工这一功能，同时采用低功率激光器对材料进行加热，使材料处于半软化状态，既能够达到切削加工前软化材料的要求，又不至于激光功率太高将材料烧坏，能够满足于陶瓷材料的切削加工。

Description

一种激光辅助加热切削陶瓷的装置

技术领域

本发明涉及一种新型机械加工装置，尤其是一种采用低功率激光辅助加热切削陶瓷加工装置。

背景技术

工程陶瓷类硬质脆性材料的加工难题主要体现在加工质量差、效率低、加工成本高等方面。由于这类材料既硬又脆，抗热震性差，对加工过程中力和热影响非常敏感，一产生崩碎性破坏和热裂纹，严重影响零件的机械力学性能，因而传统机械加工方法很难得到满意的加工效果。采用金刚石砂轮磨削，加工效率低、制造成本占75％以上，难以满足大规模生产要求。改善加工质量和提高加工效率成为目前对工程陶瓷类硬质脆性材料的成型加工中亟待解决的主要问题。

中国专利文献CN102430904A公开了一种激光热辅助铣削加工方法与装置，其实质是通过激光提升局部工件的温度，达到改善材料加工性能的目的，同时在激光聚焦头与铣刀相对固定的前提下，增加一转动工件用的旋转工作台，从而实现复杂零件的激光加热辅助铣削加工。然而，在激光辅助加热切削加工中，车床自身的结构以及车削加工的特点给激光与车床的有利结合带来了一定的困难。激光照射点的位置必须与车刀的位置保持一致，随着刀具的运动轨迹而一起运动，保证激光与刀具的位置相对固定。同时，传统的激光辅助加热采用高功率的激光，高功率激光容易使得工件迅速熔化、汽化，温度不均会导致汽化程度不同而引起陶瓷材料表面产生裂纹，改变热影响区材料的组织性能，使得加工质量降低，因此，需要从加工方法和装置方面综合考虑，设计一套既便于调节，又能够满足要求的切削装置。

发明内容

本发明的目的是使激光加热辅助切削技术应用于陶瓷材料的加工，设计了一套激光聚焦头与车刀相对位置在加工前可以调节，在加工过程中相对位置保持固定不变的激光加热辅助切削陶瓷材料的装置。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种激光辅助加热切削陶瓷的装置，包括车刀、固定在数控车床上的自动换刀刀架、固定陶瓷工件的卡盘、激光聚焦头，光纤、脉冲掺镱型光纤激光器、激光控制电路板，所述激光聚焦头通过激光固定板固定在高度调节仪上，所述高度调节仪固定在纵横调节板上，所述纵横调节板安装在所述自动换刀刀架上设置的向上延伸的复数根安装轴上，加工过程中激光聚焦头与刀具保持相对静止，刀具按预定的数控编程代码生成的轨迹移动实现对陶瓷工件的加工。

进一步的，所述高度调节仪还包括有一高度微调旋钮，其高度调节范围在100mm。

进一步的，所述纵横调节板设置有相互连通的复数个横向沟槽和纵向沟槽，用来方便高度调节仪在纵横调节板上的移动和固定。

进一步的，通过所述激光聚焦头发射的激光为低功率脉冲激光，功率范围在60~90瓦。

进一步的，所述卡盘为三爪卡盘。

上述装置的具体工作步骤为：

— 通过温度场有限元分析仿真进行参数优化，根据仿真结果选择激光功率、进给速率、切削速度、激光光斑中心距离刀尖位置等工艺参数；

— 将所要加工的陶瓷工件安装在数控车床上的卡盘上，并将刀具安装在刀架上；

— 根据模拟的工艺参数，通过调整装置调节好激光聚焦头相对于刀具的具体位置，以及光斑的大小，使之照射在待加工材料合理位置；

— 按照加工需求规划好加工轨迹；写出数控程序，转化为数控代码，输入到数控车床；

— 开启数控车床，打开激光器，数控车床按照给定数控代码所生成的轨迹对陶瓷工件进行加工；

—加工轨迹完成后，关闭激光器，车刀完成一个过程的切削加工。

本发明提出的选择合适的工艺参数的方法是基于ANSYS有限元分析软件对模型结果进行选择优化的。切削区域温度是激光加热辅助切削的重要参数，反应了工件表面的软化程度，是切削能否顺利进行的关键因素。选定的参数需保证切削区域温度在合理的范围内，使材料处于半软化状态，温度过高则会使材料被激光烧坏，温度过低不利于材料的去除。参数的选定需要根据陶瓷的力学性能及规格和切削设备的结构参数和工艺参数，如刀片材料和角度，在保证切削质量和合理切削负荷的前提下，确定陶瓷切削时所需的强度等级。然后，根据陶瓷的材料性能，确定带材所需的加热温度。直接通过试验的方法得到合适的工艺参数成本较高，而采用有限元仿真的方法能够节约时间、降低成本，并且能够得到合理的工艺参数，优化各项工艺参数。通过参数优化可以大大减少实验次数，得到最好的加工效果。使用的低功率激光为脉冲激光，热流密度比较大，仿真过程中有限元划分单元时使单元足够小，才能完全模拟光束移动的过程。将激光看做表面热流密度，加载热辐射与对流边界条件，并通过修改试验参数进行仿真，即可得到准确的温度分布预测模型。根据仿真试验结果，即可得到最终的加工工艺参数。

通过以上技术方案，本发明的积极效果是:

1.采用此方法加工需要建立的低功率激光加热辅助切削系统不需要复杂的激光光路系统，光路简单易于调节，系统操作方便，通过简单的数控车床即可满足要求。

2.本发明有效地提高陶瓷的切削质量。通过对陶瓷材料待加工位置有针对性的加热软化，材料硬度明显降低，切削过程有效地降低切削负荷。由于加热降低了材料的硬度，使材料更容易发生剪切变形，故降低了切削力，进而降低了机械切削中刀片的磨损和崩刀风险，有效地提高了机械切削的效率。

3.改变传统陶瓷材料采用磨削的方法，利用此装置车削也能够对陶瓷材料进行材料去除，极大提高了加工效率。

4.采用低功率激光器对材料进行加热，使材料处于半软化状态，既能够满足切削加工前软化材料的要求，又不至于激光功率太高将材料烧坏。

5.激光工艺参数的选取先通过模拟仿真进行选取，参数选择不需要大量的试验，节约时间、降低成本。

附图说明

图1为本发明激光加热辅助切削陶瓷材料装置的组成连接示意图；

图2为本发明实施例中激光照射加工材料示意图；

图3为本发明实施例中纵横调节板的结构示意图；

图4为本发明实施例装置的加工过程流程图。

在附图中：

1—卡盘  2—陶瓷工件  3—刀具  4—自动换刀刀架 5—激光聚焦头 6—激光器固定板 7—高度调节仪 8—高度微调旋钮  9—纵横调节板 10—光纤  11—脉冲掺镱型光纤激光器  12—激光控制电路板 13—数控车床 41—安装轴  91—纵向沟槽  92—横向沟槽  93—安装孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

参照附图1所示，先将刀具3安装在数控车床13上的自动换刀刀架4上面，借助于自动换刀刀架4上另外几个安装刀具的螺栓孔，通过设置于所述螺栓孔内的三根安装轴41将纵横调节板9固定在自动换刀刀架4上，激光聚焦头5安装在激光固定板6上，固定板6固定在高度调节仪7上，需要调整激光光斑大小时，可以旋转高度微调旋钮8，对光斑大小进行微调，高度调节仪7固定在纵横调节板9上，通过纵横调节板上的沟槽可以调节激光器横向和纵向的位置，以使激光照射到预订的位置。脉冲掺镱型光纤激光器11通过激光控制电路板12可以调节激光的功率和脉冲的大小，激光通过光纤10传导进入激光聚焦头5，加工过程中激光与刀具3保持相对静止，实现激光与刀具3的联动，刀具3按预定的轨迹移动实现工件2的加工。激光控制电路板12通过电缆与各个工作台及激光器11联接，控制激光的功率、脉冲和光闸的开关。

结合图2、图3，将激光聚焦头5垂直安装好，通过激光器固定板6安装在高度调节仪7上面，需要对光斑大小微调的时候，调节高度微调旋钮8，可以使聚焦头在垂直方向上有100mm变动范围，实验过程中调节到自己所需的光斑直径。安装孔93用于将纵横调节板9固定在安装轴41上，当需要调节横向和纵向的位置时，借助于纵横调节板9上的沟槽，当调节横向位置时，通过横向沟槽92横向移动高度调节仪7已经固定在上面的激光聚焦头，移动到合适的位置后采用螺母固定好。当需要纵向调节时，通过纵向沟槽91将纵横调节板9及上面的整个装置一起沿纵向移动，移动到合适的位置，用螺母将其固定好，即可完成激光聚焦头相对于刀具3的所需位置的调节。

图4为本装置的工作流程图，首先通过温度场有限元仿真对陶瓷材料进行建模、加载与求解、后处理选择优化加工工艺参数，得到激光功率、切削速度、进给速率、激光光斑中心距离刀具的位置等工艺参数。利用本发明的激光加热辅助加工装置加工时，将陶瓷工件2装夹在主轴上的三爪卡盘1上，调节好陶瓷工件2、刀具3、激光之间的相互位置关系。按照所需的加工轨迹制定试验方法，确定加工轨迹，根据数控机床要求编写数控代码，输入数控代码。开启激光，通过加热使切削区域温度达到加工要求，按照给定的数控代码进行加工。按照预设的轨迹加工完成之后，关闭激光，刀具3循环进行下一次加工，激光开启后加工继续进行。按照此顺序加工所有的轨迹后，关闭激光，刀具3返回，加工完成。在加工的过程中，加工完一段轨迹之后需要立即关闭光闸，防止激光照射到车床上的其他位置烧坏机床。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种激光辅助加热切削陶瓷的装置，包括刀具(3)、固定在数控车床(13)上的自动换刀刀架(4)、固定陶瓷工件的卡盘(1)、激光聚焦头(5)、光纤(10)、脉冲掺镱型光纤激光器(11)、激光控制电路板(12)，其特征在于，所述激光聚焦头(5)通过激光固定板(6)固定在高度调节仪(7)上，所述高度调节仪(7)固定在纵横调节板(9)上，所述纵横调节板(9)安装在所述自动换刀刀架(4)上设置的向上延伸的复数根安装轴(41)上，加工过程中激光聚焦头(5)与刀具(3)保持相对位置固定，刀具(3)按预定的轨迹移动实现陶瓷工件(2)的加工；

通过所述激光聚焦头(5)发射的激光为低功率脉冲激光，功率范围在60～90瓦。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助加热切削陶瓷的装置，其特征在于，所述高度调节仪(7)还包括有一高度微调旋钮(8)，其高度调节范围在100mm。

3.根据权利要求1所述的一种激光辅助加热切削陶瓷的装置，其特征在于，所述纵横调节板(9)设置有相互连通的复数个横向沟槽(92)和纵向沟槽(91)，用来方便高度调节仪(7)在纵横调节板(9)上的移动和固定。

4.根据权利要求1所述的一种激光辅助加热切削陶瓷的装置，其特征在于，所述卡盘(1)为三爪卡盘。