CN106001613A - 一种激光加热辅助的车削装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加热辅助的车削装置及其方法，其装置包括车削装置，所述车削装置上固定有刀具和工件，所述刀具与所述车削装置可拆卸连接；激光装置，用于通过激光对所述工件进行加热；非接触式测温装置，用于实时采集所述工件切削处的温度；控制装置，用于将其内存储的最佳温度场的数据与所述非接触式测温装置实时采集的温度数据进行比对，若有差别，则控制所述激光装置调整激光参数以达到所述最佳的温度场。本发明的有益效果在于，通过数据匹对的方式来调整激光参数，使所述工件切削处的温度场与最佳的温度场始终一致，在这样的温度场下进行切削，能够使刀具寿命最长，工件加工表面质量最优，车削效率最高。

Description

一种激光加热辅助的车削装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种车削装置，尤其涉及一种激光加热辅助的车削装置及其方法。

背景技术

激光加热辅助切削技术是将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时间内，将局部加热到很高的温度使材料的切削性在高温下发生改变，然后采用刀具进行加工。通过对材料进行局部微小区域的加热，提高材料塑性的同时使材料的屈服强度降低，减小切削力，延长刀具使用寿命，抑制锯齿形切屑产生，从而达到提高加工效率、降低成本、增加表面质量的目的。

然而，激光加热车削加工的材料通常为难加工的材料，即使采用激光加热车削进行加工，由于在加工过程中未能在线监测切削温度且未能实时调整激光参数以满足最佳的温度场，这样，加工时，容易造成刀具磨损较严重，同时对零件的加工质量有着较大的影响，使加工效率很低。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，一方面提供一种激光加热辅助的车削装置，包括一车削装置，所述车削装置上固定有一刀具和一待切削的工件，所述刀具与所述车削装置可拆卸连接；一激光装置，用于通过激光对所述工件进行加热；一非接触式测温装置，用于实时采集所述工件切削处的温度；一控制装置，其分别与所述激光装置和所述非接触式测温装置相连，所述控制装置用于将其内存储的最佳温度场的数据与所述非接触式测温装置实时采集的温度数据进行比对，若有差别，则控制所述激光装置调整激光参数以达到所述最佳温度场。

进一步，所述非接触式测温装置为红外热像仪。

进一步，所述激光装置包括激光聚焦头和激光器，所述激光聚焦头、激光器和所述控制装置依次相连。

进一步，所述激光装置还包括聚焦头调整装置，其用于固定所述激光聚焦头且能够调整所述激光聚焦头的激光入射方向和激光光斑的直径。

进一步，所述车削装置包括数控车床工作台和固定于所述数控车床工作台上的三爪卡盘，所述三爪卡盘用于固定所述工件。

进一步，所述车削装置还包括导轨和刀架，所述导轨设于所述数控车床工作台上，所述导轨、刀架和刀具依次层叠设置，所述导轨能够使所述刀架在X轴方向移动。

进一步，所述导轨与所述刀架之间设有调节装置，所述调节装置能够使所述刀架分别在Y轴和Z轴方向移动。

另一方面，提供一种激光加热辅助的车削装置的车削方法，包括以下步骤：

(1)将所述工件安装于所述车削装置上；

(2)调整所述激光装置和所述非接触式测温装置的相对位置，使其对准所述工件的待切削区域；

(3)通过温度场有限元仿真选择最佳温度场，得到激光参数和切削参数，利用所述非接触式测温装置测量激光照射区域的温度场以验证仿真的准确性，并将所述最佳温度场的数据存储于所述控制装置中；

(4)设置所述激光参数和所述切削参数，打开光闸，通过预热使所述工件的切削区域温度达到加工要求，利用所述非接触式测温装置实时采集的温度数据与所述控制装置内的最佳温度场数据进行对比，若有差别，则发出反馈信号给所述激光装置，控制所述激光装置调整激光参数以达到所述最佳的温度场；

(5)加工完成后，关闭所述光闸。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

1.本发明通过数据匹对的方式来调整激光参数，使所述工件切削处的温度场与最佳的温度场始终一致，在这样的温度场下进行切削，能够使得刀具寿命最长，加工表面质量最优，保证激光加热车削的效率最高；

2.所述非接触式测温装置优选所述红外热像仪，其不仅具有无接触、灵敏度高、测温范围大、响应快、抗干扰性强等优点，而且其不受材料的限制，几乎所有的金属和非金属材料在一定条件下均有红外辐射，使其适用范围很广；

3.所述导轨和所述调节装置，实现了所述刀架在X轴、Y轴和Z轴方向的移动，从而使所述刀架在移动的过程中能够带动所述刀具对准所述工件的待切削区域。

附图说明

图1为本发明一种激光加热辅助的车削装置的功能结构框图；

图2为本发明一种激光加热辅助的车削装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

请参阅图1和图2，其分别为本发明一种激光加热辅助车削装置的功能结构框图和结构示意图。

结合图1和图2所示，一种激光加热辅助的车削装置，包括一车削装置1，所述车削装置上1固定有一工件13和一刀具16，所述刀具16与所述车削装置可拆卸连接；一激光装置2，用于通过激光对所述工件13进行加热；一非接触式测温装置3，用于实时采集所述工件13切削处的温度；一控制装置4，其分别与所述激光装置2和所述非接触式测温装置3相连，所述控制装置4用于将其内存储的最佳温度场的数据与所述非接触式测温装置3实时采集的温度数据进行比对，若有差别，则发出反馈信号给所述激光装置2，控制所述激光装置2调整激光参数以达到所述最佳的温度场，其中，所述刀具16与所述车削装置1可拆卸连接方式为螺丝、螺栓或卡扣等连接方式，方便在所述刀具16磨损时，方便更换所述刀具16。本发明中通过数据匹对的方式来调整激光参数，使所述工件13切削处的加热的温度场与最佳的温度场始终一致，在这样的温度场下进行切削，能够使得刀具寿命最长，加工表面质量最优，保证激光加热车削的效率最高。

所述的最佳温度场的数据库的建立是基于有限元模型的结果进行选择优化的，并提前存储于所述控制装置4中供使用。具体为，按照实际工件13的大小建立模型划分网格，将激光看做为表面热流，加载热辐射与对流边界条件，并通过温度测量试验修正边界条件后，即可得到准确的温度分布预测模型。根据试验系统采用选定的工艺参数进行仿真，以工件13切削区域处的温度为优化目标，结合所述车削装置的工艺参数选择特点，即可得到最佳的温度场参数。为了修正当前工件13加热切削处的温度，需要不同的激光参数与温度场对应的数据，这些数据也是通过温度分布预测模型得到的，提前存储于所述控制装置4内。

其中，通过温度场有限元仿真选择，能够得到激光功率、激光运动速度、预热时间、激光光斑中心到铣刀中心距离等工艺参数，利用红外仪测量激光照射区域的温度场以验证仿真的准确性。

激光加热过程的温度场有限元仿真理论如下所述：激光照射在固体表面时，光能的吸收主要发生在式样表层，因此激光在固体表面的热作用可以视为发生在表面一个无限薄的区域内，在此区域内激光可以看做表面热源。该表面热源用(1)公式表示为：

$I=\frac{2{\mathrm{AP}}_l}{{\mathrm{\πR}}^2}\exp \left(\frac{-2r^2}{R^2}\right)---\left(1\right)$

式中，P_l表示激光功率(W)，A表示激光吸收率，r表示激光光斑中心到铣刀中心的距离，R表示激光半径(m)。

激光传热过程简化为旋转圆柱体受高斯移动热源与对流边界作用下三维瞬态传热问题。假设材料热性能等向，圆柱坐标系下导热微分方程如公式(2)所示：

$\frac{1\∂}{r\∂r}\left(\mathrm{\λ}r\frac{\∂T}{\∂r}\right)+\frac{1\∂}{r^2\∂\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\φ}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_v={\mathrm{\ρc}}_p\frac{\∂T}{\∂t}---\left(2\right)$

式中，λ表示材料的导热系数(W/m·℃)，ρ表示密度(kg/m³)，c_p表示比热容(J/kg·℃)，q_v表示内热源功率密度。

在激光的照射下材料表面吸收的激光能量转化为热能，表面温度升高，与此同时材料内部进行着由表及里、由高温向低温的热传导。材料由激光获得热能视为一种边界条件，即材料表面存在一个随时间变化的外部热源。在工件圆周表面，激光光斑作用区域内时，

$\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r_w}=q_{l,abs}-q_c-E\left(T\right)---\left(3\right)$

式中，q_l,abs表示材料吸收激光热量，q_c表示材料表面对流换热，q_c＝h_c(T-T₀)；E(T)表示材料表面辐射换热，h_c表示复合换热系数(W/m·℃)，T₀表示环境温度。

实施例二

如上所述的一种激光加热辅助车削装置，本实施例与其不同之处在于，如图2所示，所述非接触式测温装置3为红外热像仪、红外测温仪和非接触式温度传感器中的一种。

本实施例中，所述非接触式测温装置3优选所述红外热像仪3，所述红外热像仪3很容易实现激光加热辅助车削的在线温度监测，其不仅具有无接触、灵敏度高、测温范围大、响应快，在监控过程中无需停机等优点，而且能够剔除在加工过程中其他环境噪声的影响，提高了激光加热辅助车削的效率，除此之外，红外热像仪不受材料的限制，几乎所有的金属和非金属材料在一定条件下均有红外辐射，且红外热像仪安装简单，其只需在原有激光加热辅助车削装置的基础上集成就能够实现激光加热辅助车削温度场的在线温度监测。

实施例三

如上所述的一种激光加热辅助的车削装置，本实施例与其不同之处在于，如图2所示，所述激光装置2包括激光器21和激光聚焦头22，所述激光聚焦头22通过发射激光对所述工件13进行加热，所述控制装置4、所述激光器21和所述激光聚焦头22依次相连。

所述激光装置2还包括聚焦头调整装置23，所述聚焦头调整装置23用于固定所述激光聚焦头22且能够调整所述激光聚焦头22的激光入射方向以及入射在所述工件13表面的光斑的直径大小，所述红外热像仪3安装在所述工件13的一侧，并以一定角度照射在所述工件13待切削区域。

因光纤具有传输容量大、抗干扰性强、信号稳定、传播速度快等优点，实施例一至实施例三中各部件的连接方式优选为光纤5连接。

实施例四

如上所述的一种激光加热辅助车削装置，本实施例与其不同之处在于，如图2所示，所述车削装置1包括数控车床工作台11、三爪卡盘12、所述工件13、导轨14、刀架15和所述刀具16。

所述三爪卡盘12固定于所述数控车床工作台11上，所述三爪卡盘12用于固定待切削的所述工件13，所述导轨14卡接于所述数控车床工作台11上，所述导轨14能够在所述数控车床工作台11上滑动，即在所述X轴方向滑动，所述导轨14上设有刀架15，所述刀架15上设有刀具16，所述刀架15与所述刀具16可拆卸连接，其可拆卸连接方式为螺丝、螺栓或卡扣等连接方式，方便在所述刀具16磨损时，方便更换所述刀具16。

所述导轨14与所述刀架15之间设有调节装置，所述调节装置能够使所述刀架15分别在在Y轴和Z轴方向上移动。

本发明通过设置所述导轨和所述调节装置，实现了所述刀架在X轴、Y轴和Z轴方向的移动，从而使所述刀架在移动的过程中能够带动所述刀具对准所述工件的待切削区域。

实施例五

上述所述装置的激光加热辅助车削步骤包括：

(1)将所述工件13安装于所述车削装置1上；

(2)调整所述激光装置2和所述非接触式测温装置3的相对位置，使其对准所述工件13的待切削区域；

(3)通过温度场有限元仿真选择最佳温度场，得到激光参数和切削参数，利用所述非接触式测温装置3测量激光照射区域的温度场以验证仿真的准确性，并将所述最佳温度场的数据存储于所述控制装置4中；

(4)设置所述激光参数和所述切削参数，打开光闸，通过预热使所述工件13的切削区域温度达到加工要求，利用所述非接触式测温装置3实时采集的温度数据与所述控制装置4内的最佳温度场数据进行对比，若有差别，则发出反馈信号给所述激光装置2，控制所述激光装置2调整激光参数以达到所述最佳的温度场；

(5)加工完成后，关闭所述光闸。

其中，所述的激光参数包括激光功率、预热时间、激光运动速度和激光光斑中心到刀具中心的距离；所述的切削参数包括切削速度、切削深度和进给速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光加热辅助的车削装置，包括一车削装置，所述车削装置上固定有一刀具和一待切削的工件，所述刀具与所述车削装置可拆卸连接，其特征在于，还包括：

一激光装置，用于通过激光对所述工件进行加热；

一非接触式测温装置，用于实时采集所述工件切削处的温度；

一控制装置，其分别与所述激光装置和所述非接触式测温装置相连，所述控制装置用于将其内存储的最佳温度场的数据与所述非接触式测温装置实时采集的温度数据进行比对，若有差别，则控制所述激光装置调整激光参数以达到所述最佳温度场。

2.根据权利要求1所述的激光加热辅助的车削装置，其特征在于，所述非接触式测温装置为红外热像仪。

3.根据权利要求2所述的激光加热辅助的车削装置，其特征在于，所述激光装置包括激光聚焦头和激光器，所述激光聚焦头、激光器和所述控制装置依次相连。

4.根据权利要求3所述的激光加热辅助的车削装置，其特征在于，所述激光装置还包括聚焦头调整装置，其用于固定所述激光聚焦头且能够调整所述激光聚焦头的激光入射方向和激光光斑的直径。

5.根据权利要求1所述的激光加热辅助的车削装置，其特征在于，所述车削装置包括数控车床工作台和固定于所述数控车床工作台上的三爪卡盘，所述三爪卡盘用于固定所述工件。

6.根据权利要求5所述的激光加热辅助的车削装置，其特征在于，所述车削装置还包括导轨和刀架，所述导轨设于所述数控车床工作台上，所述导轨、刀架和刀具依次层叠设置，所述导轨能够使所述刀架在X轴方向移动。

7.根据权利要求6所述的激光加热辅助的车削装置，其特征在于，所述导轨与所述刀架之间设有调节装置，所述调节装置能够使所述刀架分别在Y轴和Z轴方向移动。

8.一种如权利要求1-7任一所述的激光加热辅助的车削装置的车削方法，包括以下步骤：

(1)将所述工件安装于所述车削装置上；

(2)调整所述激光装置和所述非接触式测温装置的相对位置，使其对准所述工件的待切削区域；

(3)通过温度场有限元仿真选择最佳温度场，得到激光参数和切削参数，利用所述非接触式测温装置测量激光照射区域的温度场以验证仿真的准确性，并将所述最佳温度场的数据存储于所述控制装置中；

(4)设置所述激光参数和所述切削参数，打开光闸，通过预热使所述工件的切削区域温度达到加工要求，利用所述非接触式测温装置实时采集的温度数据与所述控制装置内的最佳温度场数据进行对比，若有差别，则发出反馈信号给所述激光装置，控制所述激光装置调整激光参数以达到所述最佳的温度场；

(5)加工完成后，关闭所述光闸。