CN103567464B - 激光加热辅助微车削装置 - Google Patents

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Abstract

激光加热辅助微车削装置属于机床辅助加工领域，目的在于解决现有技术存在的加工表面质量差，刀具磨损、断裂的问题。本发明包括旋转滑台、平动滑台、激光器和卡具；平动滑台固定在Y向滑台上，旋转滑台固定在平动滑台上，激光器通过卡具固定于旋转滑台上，激光器枪头轴线与机床刀具的刀尖所在铅直面共面；本发明的方法通过激光器的光线作用于微型刀尖前端，实现激光对待加工工件进行局部预热。本发明将激光器与微车削装置结合，对待加工工件的预热，实现了对难加工材料的微车削加工，并保证了加工表面质量、尺寸精度，减小了切削力，改善了刀具磨损严重及刀具断裂实效现象；又通过摄像机的实时监测，保证了激光光斑微直径精确可靠。

Description

激光加热辅助微车削装置
技术领域
本发明属于机床加工领域，具体涉及一种激光加热辅助微车削装置。
背景技术
基于合金、复合材料、陶瓷等难加工材料的微型化产品在航空航天、汽车、生物医学、光学、军事和微电子等领域的广泛应用；微车削需要达到高精度、低表面粗糙度、高材料去除率的微米级尺寸特征加工。
公开号为CN103071810A的中国专利公开了一项发明名称为微型纵切双刀排车削机床的技术方案，该微型纵切双刀排车削机床包括减震平台12、支撑单元、主轴单元、车削单元和计算机控制系统；所述支撑单元固定在所述减震平台12上，所述主轴单元固定在所述减震平台12上，所述主轴单元带动被加工工件做高速旋转运动，所述车削单元包括两个结构相同的子单元，所述两个结构相同的子单元分别位于电主轴6的两侧并固定在所述支撑单元上，所述两个子单元上分别放置相对于主轴单元中的电主轴6对称的刀具2；所述主轴单元可以实现沿电主轴6方向进给，所述车削单元可以实现左右和上下方向的移动；所述计算机控制系统通过数控系统控制各个运动部件实现运动；所述车削单元的每个子单元包括刀排架1、Y向滑台11和X向滑台9；所述Y向滑台11固定在所述X向滑台9上，所述X向滑台9和Y向滑台互11相垂直，所述刀排架1固定在所述Y向滑台11上，通过X向滑台9和Y向滑台11的共同作用带动刀排架1上的刀具2实现X方向和Y方向的运动。该微小型数控车床在微车削加工过程中由于刀具直接和被加工工件接触，导致加工微表面有毛刺形成，刀具磨损严重，刀具断裂失效。
发明内容
本发明的目的在于提出一种激光加热辅助微车削装置，目的在于解决现有技术中存在的加工表面有毛刺、刀具磨损严重及刀具断裂失效的问题，实现难加工材料的精密微切削。
为实现上述目的，本发明的激光加热辅助微车削装置还包括旋转滑台、平动滑台、激光器和卡具；所述平动滑台固定在微小型数控车床的一个Y向滑台上，所述旋转滑台固定在所述平动滑台上，所述激光器通过所述卡具固定在所述旋转滑台，实现激光光线入射角度的任意调节，所述激光器的激光器枪头轴线与所述机床刀具的刀尖所在铅直面共面，实现对待加工工件加工前的预热。
所述车削装置还包括摄像机和支架，所述支架固定在所述减震平台上，所述摄像机固定在所述支架上，所述摄像机监测激光器调光时激光光斑的微半径。
所述激光器为可调激光器，
本发明的有益效果为：本发明的微小型数控车床激光辅助加工装置及方法，结构、原理简单，实现了对合金、复合材料、工程陶瓷等难加工材料的微车削加工，加工工件直径为0.1mm-10mm，得到微米级几何结构；通过材料切削区域前的聚焦激光束对工件进行局部预热的工艺，降低工件的机械性能，减小切削力，使得材料更容易被切除。本发明的装置同时使用旋转滑台和平动滑台，可满足激光入射角度的任意可调，并且调光过程中使用摄像机进行监测，确保得到精准的光斑微尺寸，且其激光光斑半径能达到最小0.01mm，保证了加工表面质量、尺寸精度，改善了刀具磨损严重及刀具断裂实效现象。本发明为高速微车削，电主轴转速能达到100000转/分，切削深度能实现5-20微米的微车削，车削速度可高达500毫米/分，激光器与刀具的同步运动，保证了激光器对难加工材料的高速加热过程，实现了难加工材料的快速预热，为难加工材料高速微车削提供条件。
附图说明
图1为本发明的激光加热辅助微车削装置结构示意图；
图2为本发明的激光加热辅助微车削装置局部放大图；
图3为本发明的激光加热辅助微车削方法流程图；
其中：1、刀排架，2、刀具，3、圆柱形导套，4、圆柱形导套外套，5、法兰，6、电主轴，7、长方体滑轨，8、Z向滑台，9、X向滑台，10、支撑板，11、Y向滑台，12、减震平台，13、旋转滑台，14、卡具，15激光器，16平动滑台，17摄像机，18支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
微型纵切双刀排车削机床包括减震平台12、支撑单元、主轴单元、车削单元和计算机控制系统；所述支撑单元固定在所述减震平台12上，所述主轴单元固定在所述减震平台12上，并穿过所述支撑单元，所述车削单元包括两个结构相同的子单元，所述两个结构相同的子单元分别位于主轴的两侧并固定在所述支撑单元上，所述两个子单元上分别放置相对于主轴单元中的主轴对称的刀具2；所述主轴单元可以实现沿主轴方向进给，所述车削单元可以实现左右和上下方向的移动；所述计算机控制系统通过数控系统控制各个运动部件实现运动。
所述主轴单元包括电主轴6、电主轴夹具和Z向滑台8；所述电主轴夹具中间开有孔，上部中间开有空隙与所述孔连通，所述空隙两边分别有一个紧固耳，所述电主轴6置于电主轴夹具的孔中，调节所述两个紧固耳之间的距离调节孔径的大小实现对电主轴6的夹紧或松开；所述电主轴6与孔同轴；所述电主轴6夹具固定在Z向滑台8上，所述Z向滑台8带动电主轴6和电主轴夹具沿Z向运动，所述Z向滑台8与减震平台12固接。
所述车削单元的每个子单元包括刀排架1、Y向滑台11和X向滑台9；所述Y向滑台11固定在所述X向滑台9上，所述X向滑台9和Y向滑台11互相垂直，所述刀排架1固定在所述Y向滑台11上，通过X向滑台9和Y向滑台11的共同作用带动刀排架1上的刀具2实现X方向和Y方向的运动。
所述刀排架11通过螺栓与Y向滑台11中间部分连接，通过Y向滑台11的滑动实现刀具2的Y向移动；所述刀排架1可以安装两把以上刀具2；每个刀排架1分别独立地滑动以调整刀具2；刀具2安装于刀排架1的刀槽中，通过调节刀排架1上的螺栓对刀具2夹紧。
所述支撑单元包括所述的支撑单元包括圆柱形导套3、圆柱形导套外套4、法兰5、支撑板10；所述圆柱形导套3插入法兰5的细径圆管的孔中通过螺纹连接，圆柱形导套外套4套在圆柱形导套3上，两者螺纹连接，旋转圆柱形导套外套4调节导套的松紧，实现对圆柱形导套3中的工件的夹紧或松开。
所述Y向滑台11的滑台底板通过所述X向滑台9上的孔A互相垂直安装于X向滑台9上，由X向滑台9带动Y向滑台11及其上组件进行X方向的移动，并且通过长方体滑轨7实现导向和承重的功能；X向滑台9通过其下方的孔B用螺栓固定于支撑板10上。
所述Z向滑台8与所述Y向滑台11的结构相同，所述机床的X、Y、Z三向滑台分别用电缆连接机床控制柜，机床控制柜与计算机控制系统主机与显示器连接，通过数控软件对机床控制柜中的控制模块给出指令，实现X、Y、Z三向滑台的相应运动。首先控制Y向滑台11和Z向滑台8的进给，实现对刀。在对刀之后，根据要加工的零件的形状，编制相应的程序。通过计算机中数控系统，控制x方向的滑台实现双排刀具2同时沿工件径向进给，控制主轴下方的滑台实现沿工件轴线即Z方向的进给；其中，Y方向的滑台仅在对刀中运动，而在切削过程中固定不动。
参见附图1和附图2，本发明的激光加热辅助微车削装置在微型车削机床上还包括旋转滑台13、平动滑台16、摄像机17、支架18、激光器15和卡具14；
所述平动滑台16固定在微小型数控车床的Y向滑台上，所述旋转滑台13固定在所述平动滑台16上，所述激光器15通过所述卡具14固定在所述旋转滑台13，所述激光器15的激光器枪头轴线与所述机床刀具2的刀尖所在铅直面共面，实现对待加工工件加工前的预热，且能保证激光光线的入射角度任意可调，所述支架固定在所述减震平台12上，所述摄像机固定在所述支架上，调光时监测激光光斑的微半径。
所述激光器15为可调激光器，
参见附图3，激光加热辅助微车削方法，包括以下步骤：
步骤一：调节工件与刀具的相对位置，使刀尖位于工件端面中心，并处于同一水平位置实现对微型数控车床的对刀；
步骤二：开启激光器，对激光器进行调光，使激光器光斑半径最小为0.01mm；
步骤三：通过调节旋转滑台13和平动滑台16调节激光的入射角度，实现不同的入射角度，通过改变激光器15的激光器枪头的角度，使激光器15发出的光线作用在微型刀尖前端，距刀尖一个光斑半径的距离，并保证激光光斑作用在车削路径上；
步骤四：微型数控车床进行切削，同时开启激光器15，对待加工工件进行局部预热，保证跟进的微型车刀对工件局部预热部分进行切削工件；
步骤五：加工完成，退刀，关闭电主轴6,关闭激光器15。
所述待加工工件直径的取值范围为：0.1mm-10mm。
所述激光器15为可调激光器15。
本发明的具体操作过程为：待加工工件固于圆柱形导套3，旋转圆柱形导套外套4调节套的松紧，进行装卡工件，将微型刀具2装卡于右侧倒排架上，运行机床，开启电主轴6,进行对刀过程，完成对刀之后，开启激光器，通过调整旋转滑台13和平动滑台16，可以任意改变激光器15的激光器枪头的入射角度,调节激光器15的激光器枪头发射的激光路径，使光斑作用于刀尖前端一个光斑半径的距离，且在待加工路径上。光斑半径可调节到几微米，通过摄像机17监测光斑调节过程，得到精准的光斑微尺寸，确保得到所需要的微结构特征。待完成调光之后进入加工过程，保证刀具2的车削过程和激光器15的预热过程同时进行。通过激光对待加工难加工材料表面进行局部预热，降低工件的机械性能，减小切削力，保证了难加工材料微尺寸特征的实现的同时，减少的刀具2的严重磨损和断裂失效。加工完成，退刀，关闭激光器15，关闭电主轴6，旋转圆柱形导套外套4调节圆柱形导套3的松紧，取下已加工工件。完成整个激光辅助微车削加工。
以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (2)

1.激光加热辅助微车削装置，包括刀排架(1)、圆柱形导套(3)、圆柱形导套外套(4)、法兰(5)、电主轴(6)、长方体滑轨(7)、Z向滑台(8)、X向滑台(9)、支撑板(10)、Y向滑台(11)、减震平台(12)；
所述支撑板(10)固定在所述减震平台(12)上，两个所述长方体滑轨(7)分别固定在所述支撑板(10)上端和下端，所述电主轴(6)通过Z向滑台(8)实现运动，所述Z向滑台(8)穿过所述支撑板(10)中间开有的通孔，所述Z向滑台(8)固定在所述减震平台(12)上，两个所述X向滑台(9)关于电主轴(6)轴线对称固定在所述支撑板(10)上，所述X向滑台(9)与所述长方体滑轨(7)平行，两个所述Y向滑台(11)分别固定在两个X向滑台(9)上，所述刀排架(1)固定在所述Y向滑台(11)上，所述支撑板(10)中间开有的通孔配合有法兰(5)，所述圆柱形导套(3)插入法兰(5)的细径圆管的孔中通过螺纹连接，圆柱形导套外套(4)套在圆柱形导套(3)上；
其特征在于，还包括旋转滑台(13)、平动滑台(16)、卡具(14)和激光器(15)；所述平动滑台(16)固定在微小型数控车床的一个Y向滑台(11)上，所述旋转滑台(13)固定在所述平动滑台(16)上，所述激光器(15)通过所述卡具(14)固定在所述旋转滑台(13)，实现激光光线的入射角度的任意调节，所述激光器(15)的激光器枪头轴线与所述机床刀具的刀尖所在铅直面共面，实现对待加工工件加工前的预热；
所述车削装置还包括摄像机(17)和支架(18)，所述支架(18)固定在所述减震平台(12)上，所述摄像机(17)固定在所述支架(18)上，所述摄像机(17)监测激光器(15)调光时激光光斑的微半径。
2.根据权利要求1所述的激光加热辅助微车削装置，其特征在于，所述激光器(15)为可调激光器。
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