CN106903435A - 激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置及方法 - Google Patents

激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置及方法 Download PDF

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Abstract

激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置及方法，属于机械加工设备和材料领域，解决了现有方法存在的制造过程较为复杂、工序长、环境污染、价格昂贵、不能快速制备的问题。该制造装置包括减震平台；固定在减震平台上的龙门支撑架；固定在龙门支撑架上表面的手动调整平台；固定在手动调整平台上的激光器，所述激光器的激光输出端竖直向下设置；固定在减震平台上的三维移动机构，铝合金工件固定在三维移动机构上；与三维移动机构相连的主控计算机，通过主控计算机控制三维移动机构移动和设置切削参数；通过夹具和刀柄固定在龙门支撑架上的刀片。本发明结构简单、成本低、耗时短、无污染，不会对操作者的身体产生任何伤害。

Description

激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置及方法
技术领域
本发明属于机械加工设备和材料技术领域，具体涉及一种激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置及方法。
背景技术
Al2O3是用途最广的氧化物材料之一。Al2O3由于其具有耐高温(熔点达到2050℃)、耐腐烛、耐磨损、高机械性能(硬度达到莫氏9度)、抗氧化等优点，在结构陶瓷、电子陶瓷以及生物陶瓷等领域都具有很重要的应用。与普通的Al2O3颗粒相比，Al2O3纳米颗粒具有纳米材料的特征，具备较强的体积效应、表面效应、量子宏观效应和量子尺寸效应。Al2O3纳米颗粒在陶瓷、医药、化学化工、光学、航空以及核工业等方面都具有广泛的应用。采用Al2O3纳米颗粒为原料，可以极大的降低陶瓷的烧结温度，从而更好的节约能源。而且，由于Al2O3纳米颗粒相变温度低，粉体的颗粒尺寸小，在烧结完成后陶瓷的致密度会有很大提高，气孔相对均匀，力学性能也就相应的有一个很大的提高。
在医学领域，由于陶瓷与生理坏境接触基本不发生反应，具有很好的结构相容性，并且在使用过程中，由于其摩擦系数小、磨损率低、强度高，一旦植入人体便可发挥长久的功用而不用更换，因此可以用来做人造牙齿和人工骨。
此外，纳米颗粒还可以作为吸波材料用于材料表面，增强材料对激光能量的吸收效率。例如，在激光辅助切削过程中，由于切削后材料表面光洁度较高时，表面对激光的反射率增大，降低了材料的吸能效率，影响激光辅助切削后工件的质量。通过在材料表面覆盖Al2O3纳米颗粒，可以增强材料对激光的吸收，同时由于Al2O3具有良好的导热率，激光局部照射在表面后，材料吸收的能量可以迅速传递，使表面的能量分布更均与，提高材料的加工质量。
Al2O3纳米颗粒的制备已经成为很多材料科学工作者的研究目标之一。目前主要采用化学方法制备。兰州大学的李建工教授通过热分解法和高分子网络法联合制备Al2O3纳米颗粒，将Al(NO3)3·9H2O与配置好的溶液进行反应并形成凝胶，凝胶干燥后煅烧形成Al2O3纳米颗粒。化学方法制备Al2O3纳米颗粒存在化学试剂反应控制复杂、工序多等问题。公开号为CN101797824A的中国专利公开了利用脉冲激光辐照多层结构薄膜，相变材料层中的物质在辐照后形成纳米颗粒。其方法需要利用真空镀膜技术制备纳米级结构，成本高。以上方法并不能实现快速大量的Al2O3纳米颗粒制造，难以在工业中大量应用，化学方法对环境的影响较大。
发明内容
为了解决现有Al2O3纳米颗粒层制备方法存在的制造过程较为复杂、工序长、环境污染、价格昂贵、不能快速制备的问题，本发明提供一种激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置及方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置，包括：减震平台；
固定在减震平台上的龙门支撑架；
固定在龙门支撑架上表面的手动调整平台；
固定在手动调整平台上的激光器，所述激光器的激光输出端竖直向下设置；
固定在减震平台上的三维移动机构，待加工的铝合金工件固定在三维移动机构上；
与三维移动机构相连的主控计算机，通过主控计算机控制三维移动机构移动，通过主控计算机设置切削参数；
固定在龙门支撑架下表面的夹具；
固定在夹具下端的刀柄；
固定在刀柄上的刀片，所述刀片的前刀面垂直于铝合金工件的上表面，所述刀片的前刀面与铝合金工件的侧面相对设置。
进一步的，所述激光器输出的激光束与刀片的前刀面之间的距离d满足：1mm<d<3mm。
进一步的，所述激光器输出的激光束聚焦于铝合金工件的上表面，聚焦高度h＝130mm，激光功率P：10W<P<30W。
进一步的，所述切削参数包括切削厚度ap和切削宽度w，所述切削厚度ap满足：2μm<ap<13μm，切削宽度w满足：0.5mm<w<1mm。
本发明还提供了一种激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造方法，包括以下步骤：
步骤一、建立坐标系：以刀片前刀面的下端点为坐标原点O建立空间坐标系；
步骤二、对刀以及切削参数设置：开启激光器和主控计算机，通过调节手动调整平台带动激光器移动，从而调节激光器输出的激光束与刀片的前刀面之间的距离d：1mm<d<3mm；调整激光器输出的激光束聚焦于铝合金工件的上表面，聚焦高度h＝130mm，激光功率P：10W<P<30W；设置切削厚度ap：2μm<ap<13μm，切削宽度w：0.5mm<w<1mm，w即为铝合金工件在Y方向上的长度；将铝合金工件侧面与坐标原点O在X轴负方向上的距离为5mm处设为切削起始点；
步骤三、通过主控计算机控制三维移动机构移动，同时带动铝合金工件沿着X轴正方向运动，通过刀片前刀面对铝合金工件上表面进行微切削，在微切削过程所形成的切屑固着在刀片前刀面上，当刀片前刀面离开铝合金工件上表面5mm后三维移动机构停止运动即铝合金工件停止运动，完成一次微切削；
步骤四、激光器保持开启状态，通过主控计算机控制三维移动机构移动，同时带动铝合金工件沿着Z轴负方向运动1mm即铝合金工件下降1mm；
步骤五、通过主控计算机控制三维移动机构移动，同时带动铝合金工件沿着X轴负方向运动，激光器发出的激光束照射在刀片前刀面黏着的切屑上，通过激光加热作用在铝合金工件上表面形成Al2O3纳米颗粒层。
本发明的有益效果是：本发明首先通过三维移动机构控制铝合金工件相对于刀片运动实现正交微切削，然后利用激光束对铝合金工件表面黏着的切屑进行照射，在铝合金工件表面形成Al2O3纳米颗粒层。本发明的装置结构简单、成本较低，易于实现。本发明的制备过程无化学试剂的使用，无特殊环境要求，环境友好，不会造成任何污染，也不会对操作者的身体产生任何伤害，制作工艺简单，耗时短，成本大幅度降低。
附图说明
图1为本发明的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造方法的过程示意图。
图2为本发明的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置的结构示意图。
图3为激光器与手动调整平台位置关系示意图。
图4为刀片与铝合金工件位置关系示意图。
图5为本发明的铝合金工件表面Al2O3纳米颗粒层的扫描电镜照片。图5中，(1)为待加工表面；(2)、(3)、(4)均为铝合金工件表面形成的Al2O3纳米颗粒层。
图6为本发明的铝合金工件表面Al2O3纳米颗粒层的能谱分析照片。
图中：1、减震平台，2、三维移动机构，3、激光辅助加工机构，4、龙门支撑架，5、刀片，51、前刀面，6、铝合金工件，61、切屑，62、Al2O3纳米颗粒层，7、激光器，71、激光束，8、手动调整平台，9、夹具，10、刀柄。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置，主要包括：减震平台1、三维移动机构2、激光辅助加工机构3和主控计算机。
激光辅助加工机构3包括：龙门支撑架4、激光器7、手动调整平台8。龙门支撑架4固定在减震平台1上，手动调整平台8固定在龙门支撑架4的横梁上表面中心位置。如图3所示，激光器7固定在手动调整平台8上，激光器7的激光输出端竖直向下设置。
三维移动机构2固定在减震平台1上，并且三维移动机构2位于龙门支撑架4内侧的减震平台1中心位置，主控计算机与三维移动机构2相连，主控计算机用于控制三维移动机构2移动，三维移动机构2可以实现平移、上升和下降功能，同时，通过主控计算机设置切削参数。
如图2和图4所示，铝合金工件6固定在三维移动机构2的上端面上，刀片5固定在刀柄10上，刀柄10固定在夹具9下端，夹具9上端固定在龙门支撑架4的横梁下表面上，刀片5的前刀面51垂直于铝合金工件6的上表面，并且刀片5的前刀面51与铝合金工件6的侧面相对设置。
通过调节手动调整平台8带动激光器7移动，从而调节激光器7输出的激光束71与刀片5的前刀面51之间的距离d：1mm<d<3mm。调整激光器7输出的激光束71聚焦于铝合金工件6的上表面，聚焦高度h＝130mm，激光功率P：10W<P<30W，切削厚度ap：2μm<ap<13μm，切削宽度w：0.5mm<w<1mm，w即为铝合金工件6在Y方向上的长度；通过三维移动机构2控制铝合金工件6相对于刀片5运动实现正交微切削。
本发明通过结合激光加热以及微切削加工两种方法，在铝合金工件6表面形成Al2O3纳米颗粒层62。
如图1所示，本发明的本发明的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造方法，其具体步骤如下：
步骤一、建立坐标系，以刀片5前刀面51的下端点为坐标原点O建立空间坐标系。
步骤二、对刀以及切削参数设置：开启激光器7和主控计算机，通过调节手动调整平台8带动激光器7移动，从而调节激光器7输出的激光束71与刀片5的前刀面51之间的距离d：1mm<d<3mm；调整激光器7输出的激光束71聚焦于铝合金工件6的上表面，聚焦高度h＝130mm，激光功率P：10W<P<30W；设置切削厚度ap：2μm<ap<13μm，切削宽度w：0.5mm<w<1mm，w即为铝合金工件6在Y方向上的长度；将铝合金工件6侧面与坐标原点O在X轴负方向上的距离为5mm处设为切削起始点。
步骤三、通过主控计算机控制三维移动机构2移动，同时带动铝合金工件6沿着X轴正方向运动，通过刀片5前刀面51对铝合金工件6上表面进行微切削，在微切削过程所形成的切屑61固着在刀片5前刀面51上，当刀片5前刀面51离开铝合金工件6上表面5mm后三维移动机构2停止运动即铝合金工件6停止运动，完成一次微切削。
步骤四、激光器7保持开启状态，通过主控计算机控制三维移动机构2移动，同时带动铝合金工件6沿着Z轴负方向运动1mm即铝合金工件6下降1mm。
步骤五、通过主控计算机控制三维移动机构2移动，同时带动铝合金工件6沿着X轴负方向运动，激光器7发出的激光束71照射在刀片5前刀面51黏着的切屑61上，通过激光加热作用在铝合金工件6上表面形成Al2O3纳米颗粒层62。
具体实施方式一
本实施方式中，铝合金工件6采用2024铝合金颗粒增强复合材料，铝合金工件6的尺寸为：长度:宽度:高度＝10mm:1mm:10mm；
本实施方式中，激光器7采用Nd:YAG激光器，输出的激光束波长为1064nm，激光功率P为17W，采用连续输出模式。
本发明的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造方法，其具体步骤如下：
步骤一、建立坐标系，以刀片5前刀面51的下端点为坐标原点O建立空间坐标系。
步骤二、对刀以及切削参数设置：开启激光器7和主控计算机，通过调节手动调整平台8带动激光器7移动，从而调节激光器7输出的激光束71与刀片5的前刀面51之间的距离d＝1.5mm；调整激光器7输出的激光束71聚焦于铝合金工件6的上表面，聚焦高度h＝130mm，激光功率P＝17W；设置切削厚度ap＝10μm，切削宽度w＝1mm，w即为铝合金工件6在Y方向上的宽度；将铝合金工件6侧面与坐标原点O在X轴负方向上的距离为5mm处设为切削起始点。
步骤三、通过主控计算机控制三维移动机构2移动，同时带动铝合金工件6沿着X轴正方向运动，通过刀片5前刀面51对铝合金工件6上表面进行微切削，在微切削过程所形成的切屑61黏着在刀片5前刀面51上，当刀片5前刀面51离开铝合金工件6上表面5mm后三维移动机构2停止运动即铝合金工件6停止运动，完成一次微切削。
步骤四、激光器7保持开启状态，通过主控计算机控制三维移动机构2移动，同时带动铝合金工件6沿着Z轴负方向运动1mm即铝合金工件6下降1mm。
步骤五、通过主控计算机控制三维移动机构2移动，同时带动铝合金工件6沿着X轴负方向运动，激光器7发出的激光束71照射在刀片5前刀面51黏着的切屑61上，通过激光加热作用在铝合金工件6上表面形成Al2O3纳米颗粒层62。图5中，(1)为待加工表面，(2)为在铝合金工件6上表面形成的Al2O3纳米颗粒层62的电镜图像，(3)和(4)分别为放大2000x和10000x的电镜图像，由图5可以清晰地看出，附着在铝合金工件6上表面的Al2O3纳米颗粒层62，尺寸在200nm～300nm之间。图6为Al2O3纳米颗粒层62的能谱分析照片，从图6中可以看出Al2O3纳米颗粒层62的成分为Al2O3。
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来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置，其特征在于，包括：减震平台(1)；
固定在减震平台(1)上的龙门支撑架(4)；
固定在龙门支撑架(4)上表面的手动调整平台(8)；
固定在手动调整平台(8)上的激光器(7)，所述激光器(7)的激光输出端竖直向下设置；
固定在减震平台(1)上的三维移动机构(2)，待加工的铝合金工件(6)固定在三维移动机构(2)上；
与三维移动机构(2)相连的主控计算机，通过主控计算机控制三维移动机构(2)移动，通过主控计算机设置切削参数；
固定在龙门支撑架(4)下表面的夹具(9)；
固定在夹具(9)下端的刀柄(10)；
固定在刀柄(10)上的刀片(5)，所述刀片(5)的前刀面(51)垂直于铝合金工件(6)的上表面，所述刀片(5)的前刀面(51)与铝合金工件(6)的侧面相对设置。
2.根据权利要求1所述的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置，其特征在于，所述激光器(7)输出的激光束(71)与刀片(5)的前刀面(51)之间的距离d满足：1mm<d<3mm。
3.根据权利要求1所述的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置，其特征在于，所述激光器(7)输出的激光束(71)聚焦于铝合金工件(6)的上表面，聚焦高度h＝130mm，激光功率P：10W<P<30W。
4.根据权利要求1所述的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造装置，其特征在于，所述切削参数包括切削厚度ap和切削宽度w，所述切削厚度ap满足：2μm<ap<13μm，切削宽度w满足：0.5mm<w<1mm。
5.采用权利要求1至4中任意一项所述的制造装置实现的激光辅助微切削铝合金表面Al2O3纳米颗粒层制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立坐标系：以刀片(5)前刀面(51)的下端点为坐标原点O建立空间坐标系；
步骤二、对刀以及切削参数设置：开启激光器(7)和主控计算机，通过调节手动调整平台(8)带动激光器(7)移动，从而调节激光器(7)输出的激光束(71)与刀片(5)的前刀面(51)之间的距离d：1mm<d<3mm；调整激光器(7)输出的激光束(71)聚焦于铝合金工件(6)的上表面，聚焦高度h＝130mm，激光功率P：10W<P<30W；设置切削厚度ap：2μm<ap<13μm，切削宽度w：0.5mm<w<1mm，w即为铝合金工件(6)在Y方向上的长度；将铝合金工件(6)侧面与坐标原点O在X轴负方向上的距离为5mm处设为切削起始点；
步骤三、通过主控计算机控制三维移动机构(2)移动，同时带动铝合金工件(6)沿着X轴正方向运动，通过刀片(5)前刀面(51)对铝合金工件(6)上表面进行微切削，在微切削过程所形成的切屑(61)固着在刀片(5)前刀面(51)上，当刀片(5)前刀面(51)离开铝合金工件(6)上表面5mm后三维移动机构(2)停止运动即铝合金工件(6)停止运动，完成一次微切削；
步骤四、激光器(7)保持开启状态，通过主控计算机控制三维移动机构(2)移动，同时带动铝合金工件(6)沿着Z轴负方向运动1mm即铝合金工件(6)下降1mm；
步骤五、通过主控计算机控制三维移动机构(2)移动，同时带动铝合金工件(6)沿着X轴负方向运动，激光器(7)发出的激光束(71)照射在刀片(5)前刀面(51)黏着的切屑(61)上，通过激光加热作用在铝合金工件(6)上表面形成Al2O3纳米颗粒层(62)。
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