CN107097072A - 一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法及其装置，根据待加工材料的可氧化特性，通过低功率激光器加热待加工区域材料，通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使待加工区域材料与氧化剂发生快速可控的氧化反应，通过调节激光和氧化剂参数控制氧化反应的速率、氧化物的微观组织和结构，使待加工工件表面形成氧化层，进而改变材料的微细铣削去除机制，降低切削载荷，随后利用微铣刀快速地去除该氧化层以及少量的亚表层材料，形成高精度的已加工表面。本发明可以获得较高的加工效率和较好的表面完整性，工艺可控性高。利用本发明所提出的加工方法能够实现钛合金、硬质合金等难加工材料的高深宽比微结构的高效、高质量加工。

Description

一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法及其装置
技术领域：
本发明涉及一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法及其装置，其属于微细加工领域。
背景技术：
高深宽比微结构在国防、航空航天、能源动力、生物医疗、汽车和电子等领域具有较大的应用需求。但是现有的诸多微细加工技术，如光刻、微细电加工、反应离子深刻蚀、聚焦离子束加工等，不仅受到材料的限制，而且难以满足高深宽比微结构加工精度和表面完整性的要求。微细铣削技术具有可加工材料多样化、加工精度可控、成本低、柔性强等优点，能够实现真三维自由曲面微细结构的加工，理论上可以解决高深宽比微结构的加工难题。但是，在利用微细铣削加工高深宽比微结构时需要使用大长径比的微铣刀，而大长径比的微铣刀的直径小，整体强度和刚性不足，加工过程中让刀变形大，容易出现崩刃、断刀的现象，使得加工过程中存在刀具寿命低、加工效率低、表面完整性差和工艺可控性低等问题。
为解决上述问题，一种途径是提高大长径比微铣刀的刚度和强度，这可通过更改刀具结构或材料来实现。但是受微结构形状和特征尺寸的限制，通过更改刀具结构来提高其刚度和强度的能力有限。现有的硬质合金微铣刀刀体已经具有较高的刚度和强度，若更改刀具材料，如使用陶瓷或金刚石材料，则必然带来刀具可靠性低和加工成本高等问题，因此通过更改刀具材料来进一步提高刚度和强度的能力也比较有限。另一种途径是降低切削载荷，这可通过提高刀具锋利性或改性待加工区域材料来实现。但从现有条件看，提高微细刀具锋利性的手段有限。对待加工区域材料进行改性处理是一种降低切削载荷的有效手段，如采用激光加热辅助的方法对待加工区域材料进行软化以降低其强度和硬来降低切削载荷、提高材料的可加工性能，但是激光加热辅助微细铣削中加热软化材料所需的激光功率较高，使得工件表面热影响区比较大，尤其在加工如硬质合金和钛合金等高硬、高强度材料方面，工艺的可控性差，过高功率会烧蚀件材料出现熔坑，并造成亚表层材料的物理力学性能发生改变，影响材料的使役性能，且加工过程中刀具距离激光光斑较近，在对工件材料进行软化的同时也降低了刀具的性能。另如电解磨削工艺利用电解作用在工件表面生成易于去除的离子化合物和阳极膜，从而大幅度降低了磨削力，但是电解磨削的材料去除率较低，且不能加工高深宽比微结构。
发明内容：
本发明的目的在于提出一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法及其装置，以解决微细铣削加工高深宽比微结构中存在的刀具寿命低、加工效率低、表面完整性差和工艺可控性低等问题。
本发明采用如下技术方案：一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，其特征在于：如下步骤
步骤一，工件的预处理，将工件打磨，随后用抛光剂抛光，然后在无水乙醇溶液中超声清洗，去除工件表面的杂质及有机物污渍；
步骤二，根据工件表面待加工区域材料的氧化特性，通过激光器加热待加工区域材料，并通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使待加工区域材料与氧化剂发生快速可控的氧化反应，通过调节激光和氧化剂参数控制氧化反应的速率、氧化物的微观组织和结构，使待加工的工件表面形成氧化层，在氧化层下方形成亚表层，随后根据氧化层和亚表层的微观结构和厚度制定相应的微细铣削工艺方案；
步骤三，将工件固定在工作台上，打开主轴，调节微铣刀与工件表面的相对位置，使刀尖与待加工表面处于同一水平位置，实现对刀，打开激光器，调节激光器镜头与工件表面的相对位置，使激光光斑聚焦在待加工表面上，实现激光器焦距的调节；
步骤四，打开喷气管阀门，设定激光功率、频率和氧化气体流量的参数，设定相应的走刀路径和切削参数，进行激光诱导氧化辅助微细铣削加工，加工出高深宽比的微结构；
步骤五，关闭激光器和喷气管阀门，退刀，关闭主轴。
进一步地，所述激光器为脉冲型激光器或连续型激光器。
进一步地，所述激光器所使用的激光功率不超过7W。
进一步地，所述待加工区域材料为钛合金或硬质合金。
进一步地，所述氧化剂为氧气。
进一步地，所述氧化层和亚表层的去除方式为逐层氧化-逐层去除或单次氧化-逐层去除。
本发明还采用如下技术方案一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工装置，包括微铣刀，主轴，激光器，喷气管、激光光斑、激光器连接调整装置、喷气管固定装置、喷气管阀门和工作台，所述工作台上固定有工件，激光器将激光光斑聚焦在工件表面的待加工区域材料上，所述微铣刀固定在主轴上，激光器通过激光器连接调整装置固定在主轴上，加工过程中激光器与微铣刀的相对位置保持不变，所述激光器将激光光斑聚焦在微铣刀前端的待加工区域材料，喷气管通过喷气管固定装置固定在激光器上，喷气管与激光器的相对位置保持不变，喷气管喷出的氧化剂始终汇聚于激光光斑处，喷气管上装有喷气管阀门。
本发明具有如下有益效果：
(1)通过激光和氧化剂的耦合作用使待加工材料发生快速可控的氧化反应，形成疏松易去除的氧化层，能够改变材料的微细铣削去除机制，降低切削载荷，提高加工效率；
(2)材料的氧化温度在熔点以下，氧化反应所需的激光功率远远低于激光加工或激光加热辅助软化材料所需的激光功率，因此激光产生的热影响区比较小，且激光与刀具距离较大，激光对微铣刀性能的影响比较有限；
(3)微细铣削的去除量很小，与氧化层的尺度相当，微铣刀每次仅需去除氧化层和少量的亚表层材料，能够减少毛刺的累加，提高表面完整性；
(4)通过调节激光和氧化剂参数可以准确控制氧化反应的速率、氧化物的微观组织和结构，工艺可控性高；
(5)利用本发明所提出的激光诱导氧化辅助微细铣削的加工方法能够实现硬质合金、钛合金等难加工材料的高深宽比微结构的高效、高质量加工。
附图说明：
图1(a)和图1(b)为本发明激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法的原理图。
图2为本发明激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法具体实施例的示意图。
图中：
1-工件，2-微铣刀，3-主轴，4-激光器，5-喷气管，6-激光光斑，7-氧化层，8-亚表层，9-激光器连接调整装置，10-喷气管固定装置，11-喷气管阀门，12-工作台。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。
本发明激光诱导氧化辅助微细铣削加工装置主要包括工件1，微铣刀2，主轴3，激光器4，喷气管5和激光光斑6。加工时，激光器4将激光光斑6聚焦在工件1表面的待加工区域材料上，喷气管5将氧化剂喷向激光光斑处，在激光的作用下，待加工区域材料的温度会迅速升高，进而与氧化剂发生快速的氧化反应，生成相应的氧化物，通过调节激光和氧化剂参数准确控制氧化反应的速率、氧化物的微观结构和特征，使待加工区域材料形成疏松易去除的氧化层7，在氧化层7下方还会形成亚表层8，亚表层8是介于氧化层7和基体之间的材料(这里的基体是指未受到激光热影响的工件材料)，亚表层8是受激光和氧化反应热影响下形成的热影响层，在利用激光和氧化剂的耦合作用使待加工区域材料转变为疏松的氧化层后，利用固定在主轴3上的微铣刀2快速去除氧化层7和少量的亚表层8材料，形成高精度的已加工表面。
作为本发明激光诱导氧化辅助微细铣削加工装置的进一步改进，其还包括激光器连接调整装置9，喷气管固定装置10，喷气管阀门11和工作台12。其中，工件1固定在工作台12上，微铣刀2固定在主轴3上，激光器4通过激光器连接调整装置9固定在主轴3上，加工过程中激光器4与微铣刀2的相对位置保持不变，激光器4将激光光斑6聚焦在微铣刀2前端的待加工材料区域，喷气管5通过喷气管固定装置10固定在激光器4上，喷气管5与激光器4的相对位置保持不变，喷气管5喷出的氧化剂始终汇聚于激光光斑6处，喷气管5上还装有喷气管阀门11。
下面以TC4钛合金作为工件材料，氧气作为氧化剂，YLP型脉冲光纤激光器作为激光器，使用三轴微细铣削机床，采用逐层氧化-逐层去除的方式，结合图1和图2对本发明的具体实施例进行进一步说明。
TC4是一种α+β型钛合金，主要由Ti、Al和V等元素组成，熔点为1643℃，氧化物主要为TiO2和Al2O3。在激光和氧气的耦合作用下，TC4表面材料会发生快速的氧化反应，形成由TiO2和Al2O3组成的氧化膜，由于TC4中Al含量低于形成保护性氧化膜的临界含量，加上TiO2的生长速率高于Al2O3，导致氧化膜呈现疏松多孔的结构，而疏松多孔的结构为氧的持续扩散提供了通道，使得氧气与基体材料进一步发生氧化反应，从而使得待加工区域材料在极短时间内转变成疏松易去除的氧化层，随后再利用微铣刀快速去除氧化层和少量的亚表层材料。由于微细铣削的去除量很小，与氧化层的尺度相当，因此每次铣削过程中仅需去除氧化层和少量的亚表层材料就可得到高精度的已加工表面。
本发明激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，包括以下步骤：
步骤一，工件材料的预处理，将工件材料先后用320#～2000#的水砂纸打磨，随后用1μm粒度的高效金刚石抛光剂抛光，使表面粗糙度Ra≤0.3μm，然后在无水乙醇溶液中超声清洗10～15min，以去除表面的杂质及有机物污渍。
步骤二，通过有限元仿真的方法研究激光作用下温度场的分布情况，根据温度场的分布情况结合实验的方法研究不同激光参数和氧气流量下氧化层和亚表层的组织结构和厚度，优选激光参数和氧气流量，根据优选后的激光参数和氧气流量下形成的氧化层和亚表层的组织结构和厚度制定微细铣削工艺方案。
步骤三，将工件固定在工作台上，打开主轴，调节微铣刀与工件表面的相对位置，使刀尖与待加工表面处于同一水平位置，实现微细铣床的对刀；打开激光器，调节激光器镜头与工件表面的相对位置，使激光光斑聚焦在待加工表面上，实现激光器焦距的调节。
步骤四，打开喷气管阀门(本实施例中喷气管中喷出的氧化剂为氧气)，设定激光功率、频率和氧气流量等参数，设定相应的走刀路径和切削参数，进行激光诱导氧化辅助微细铣削加工，通过逐层氧化-逐层去除的方式加工出高深宽比的微结构。
步骤五，关闭激光器和喷气管阀门，退刀，关闭主轴。
激光参数包括激光功率、光斑直径、脉宽、频率，其中激光功率优选为4W，光斑直径为200μm，脉宽100ns，频率20KHz，氧气流量为5L/min。
微铣刀为直径200μm的两刃WC-Co类硬质合金立铣刀。
微细铣削参数包括主轴转速、微铣刀的每齿进给量、微铣刀的轴向切深，其中主轴转速为60000RPM，每齿进给量为1μm/z，微铣刀的轴向切深为15μm。
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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，其特征在于：如下步骤
步骤一，工件的预处理，将工件打磨，随后用抛光剂抛光，然后在无水乙醇溶液中超声清洗，去除工件表面的杂质及有机物污渍；
步骤二，根据工件表面待加工区域材料的氧化特性，通过激光器加热待加工区域材料，并通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使待加工区域材料与氧化剂发生快速可控的氧化反应，通过调节激光和氧化剂参数控制氧化反应的速率、氧化物的微观组织和结构，使待加工的工件表面形成氧化层，在氧化层下方形成亚表层，随后根据氧化层和亚表层的微观结构和厚度制定相应的微细铣削工艺方案；
步骤三，将工件固定在工作台上，打开主轴，调节微铣刀与工件表面的相对位置，使刀尖与待加工表面处于同一水平位置，实现对刀，打开激光器，调节激光器镜头与工件表面的相对位置，使激光光斑聚焦在待加工表面上，实现激光器焦距的调节；
步骤四，打开喷气管阀门，设定激光功率、频率和氧化气体流量的参数，设定相应的走刀路径和切削参数，进行激光诱导氧化辅助微细铣削加工，加工出高深宽比的微结构；
步骤五，关闭激光器和喷气管阀门，退刀，关闭主轴。
2.如权利要求1所述的激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，其特征在于：所述激光器为脉冲型激光器或连续型激光器。
3.如权利要求1所述的激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，其特征在于：所述激光器所使用的激光功率不超过7W。
4.如权利要求1所述的激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，其特征在于：所述待加工区域材料为钛合金或硬质合金。
5.如权利要求1所述的激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，其特征在于：所述氧化剂为氧气。
6.如权利要求1所述的激光诱导氧化辅助微细铣削加工方法，其特征在于：所述氧化层和亚表层的去除方式为逐层氧化-逐层去除或单次氧化-逐层去除。
7.一种激光诱导氧化辅助微细铣削加工装置，其特征在于：包括微铣刀(2)，主轴(3)，激光器(4)，喷气管(5)、激光光斑(6)、激光器连接调整装置(9)、喷气管固定装置(10)、喷气管阀门(11)和工作台(12)，所述工作台(12)上固定有工件(1)，激光器(4)将激光光斑(6)聚焦在工件(1)表面的待加工区域材料上，所述微铣刀(2)固定在主轴(3)上，激光器(4)通过激光器连接调整装置(9)固定在主轴(3)上，加工过程中激光器(4)与微铣刀(2)的相对位置保持不变，所述激光器(4)将激光光斑(6)聚焦在微铣刀(2)前端的待加工区域材料，喷气管(5)通过喷气管固定装置(10)固定在激光器(4)上，喷气管(5)与激光器(4)的相对位置保持不变，喷气管(5)喷出的氧化剂始终汇聚于激光光斑(6)处，喷气管(5)上装有喷气管阀门(11)。
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