CN108500468A - 一种曲线轮廓激光去毛刺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，提供了一种曲线轮廓激光去毛刺的方法，在工件轮廓毛刺临近区域喷涂去毛刺熔渣抑制剂，使得工件轮廓毛刺临近区的表面形成防熔渣涂层，将工件装夹在夹具上，确定工件初始位置，在计算机系统中输入激光工艺参数，由计算机系统根据工件轮廓生成加工轨迹的指令，控制工件运动，使激光沿工件曲线轮廓以脉冲扫描的方式，去除工件轮廓毛刺，同时辅助气体从激光旁轴吹入。本发明采用去毛刺熔渣抑制剂防止熔渣挂渣，针对曲线轮廓去毛刺，通过参数的可调，从而高效地、有针对性地去除毛刺。

Description

一种曲线轮廓激光去毛刺的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体是涉及一种曲线轮廓激光去毛刺的方法。
背景技术
在机械加工的过程中，不可避免会在零件边缘形成毛刺，直接影响零件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。机器工作过程中的毛刺脱落会造成机器运动副卡死，引起功能突发失效，甚至造成安全事故。同时零件的边缘硬化毛刺严重影响机器的顺利安全装配。如在液压系统中的精密阀套或阀芯，由于毛刺存在将造成液压系统油液分配错误，控制失灵，造成事故。又如航空设备及零件如有毛刺存在，轻者造成产品报废，重者影响飞行安全。
去除毛刺的方法主要有手工去毛刺、滚筒法、电化学去毛刺、热能去毛刺法、挤压珩磨法、磁力研磨法、喷射去毛刺、磨料去毛刺、超声波去毛刺、化学去毛刺、高压水流去毛刺、机械刷去毛刺、激光去毛刺等。针对曲线轮廓去毛刺，现阶段主要以手工去毛刺为主，手工去毛刺劳动强度大、效率低、成本高、安全性低，只适用于单件小批量生产。
申请号为201310299290.X的中国专利公开了一种激光去毛刺工艺，通过激光器产生的光束经过光学元件聚焦后形成不同直径的激光光斑，在保护气体的作用下，通过直线位移平台带动，以连续扫描方式或脉冲扫描方式清洗工件表面，以去除工件表面的毛刺。但上述专利对曲线轮廓去毛刺的方法没有提及，仅通过直线位移平台去毛刺应用有局限性。
申请号为200910034896.4的中国专利公开了一种脉冲式激光去毛刺的方法，在带孔薄片的表面，用脉冲式激光以一定的扫射速度、扫射频率，以带孔薄片上的孔为中心，以漩涡式的方式在孔的周围进行激光扫射，去除孔周边的毛刺。但上述专利公开的方法只适用于规则的孔的轮廓加工，无法实现不规则曲线轮廓去毛刺的要求。
申请号为200610096475.0的中国专利公开了一种基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的方法和装置，激光发生器产生激光脉冲经导光系统辐照在反射锥的吸收层上，吸收层吸收激光的能量后汽化、电离、形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量后爆炸，产生高幅冲击波，以此去除工件内孔表面的毛刺。但由于激光冲击强化能量利用率低，带来表面粗糙度的增加，去毛刺的工艺复杂，进而增加了成本提高了操作难度并且带来了新的问题，其原理方法与本专利有显著区别。
申请号为201310711264.3的中国专利公开了一种激光去毛刺系统和方法，通过工件图像获取工件真实轮廓及毛刺轮廓，根据两者轮廓之间的距离确定毛刺起点及终点坐标，按毛刺坐标切割毛刺。但上述专利仅适用于平面轮廓毛刺去除，且毛刺去除效果有限。
激光去毛刺技术利用聚焦的高能激光束去除毛刺。激光具有强度高、能量密度大、聚焦性强、方向性好的特点。激光去毛刺技术光斑温度高，对毛刺加热速度极快，零件热影响区小，加工质量好，对材料无选择。激光去毛刺不需要用刀具、电解液或其它化学溶液，属于一种绿色加工工艺，不会对环境造成污染，激光工艺参数可以调控，可高效去除零件边缘硬化毛刺。激光去毛刺不会损伤毛刺以外的组织，提高了零件的表面质量和使用性能，降低了零件的制造成本。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种曲线轮廓激光去毛刺的方法，目的在于解决高硬度曲线轮廓毛刺难以去除的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种曲线轮廓激光去毛刺的方法，在工件轮廓毛刺临近区域喷涂去毛刺熔渣抑制剂，使得工件轮廓毛刺临近区的表面形成防熔渣涂层，将工件装夹在夹具上，确定工件初始位置，在计算机系统中输入激光工艺参数，由计算机系统根据工件轮廓生成加工轨迹的指令，控制工件运动，使激光沿工件曲线轮廓以脉冲扫描的方式，去除工件轮廓毛刺，同时辅助气体从激光旁轴吹入。
优选地，激光的扫描速度为1～100mm/s，入射角度为0～45°。
优选地，所述辅助气体的压力为0.1～1MPa。
优选地，所述计算机系统根据工件轮廓生成加工轨迹包括生成平面轮廓的加工轨迹的方法和生成斜置轮廓加工轨迹的方法。
优选地，所述生成平面轮廓的加工轨迹的方法为：计算机系统对工件轮廓的曲线函数或者坐标数据或者图形进行读取，采取最近邻优化算法，获取每个单元的不同点之间的最短路径，调用动态链接库中的运动函数来生成加工轨迹的指令，以坐标指令的形式进行X-Y-θ三轴联动加工，θ为工件绕Z轴转动的旋转轴。
优选地，所述生成斜置轮廓加工轨迹的方法为：工件曲线轮廓不在一个水平面或者激光入射角度不为0°时，计算机系统对工件轮廓的曲线函数或者坐标数据或者图形进行读取，采取最近邻优化算法，获取每个单元的不同点之间的最短路径，调用动态链接库中的运动函数来生成加工轨迹的指令，并通过联动控制在Z轴方向进行焦距补偿，进行X-Y-Z-θ四轴联动加工，θ为工件绕Z轴转动的旋转轴。
优选地，所述激光工艺参数为：功率10W～500W，脉宽10～200ns，重复频率50～200kHz，生成激光的激光器的中心波长为1064nm，输出功率不稳定度＜5％，光束质量M2＜2。
优选地，所述去毛刺熔渣抑制剂的配方为：PTFE 10～20％、SiO210～25％、ZrO2 10～25％、C(石墨)10～20％、清漆粘合剂20～30％、丙酮稀释剂4～10％，将上述原料均匀搅拌获得去毛刺熔渣抑制剂，所述去毛刺熔渣抑制剂的喷涂厚度为0.01～0.10mm。去毛刺熔渣抑制剂中固体原料耐高温的特性有效阻止熔渣的粘结，结合PTFE、C(石墨)摩擦系数极低和不粘的特性使辅助气体有效吹除熔渣。
优选地，用于高硬度精密零件边缘毛刺加工。
本发明的有益效果：
1.本发明提供的曲线轮廓去毛刺方法，采用高峰值功率的纳秒激光器，结合计算机系统对曲线轮廓进行激光去毛刺加工，不仅能够精确的去除曲线轮廓毛刺，达到期望的精度要求，而且操作简单，效率高。
2.本发明提供的曲线轮廓去毛刺方法，能够去除毛刺尺度10～2000μm，去除后的表面粗糙度达Ra0.05～0.4μm。
3.本发明提供的曲线轮廓去毛刺方法，采用去毛刺熔渣抑制剂防止熔渣挂渣，针对曲线轮廓去毛刺，通过参数的可调，从而高效地、有针对性地去除毛刺。
附图说明
图1为一种曲线轮廓激光去毛刺装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中45钢方形轮廓激光去毛刺加工示意图。
图3为本发明实施例中45钢方形轮廓激光去毛刺试验结果形貌图。
图4为本发明实施例中凸轮轴曲线轮廓图。
图5为本发明实施例中凸轮轴轮廓初始毛刺图。
图6为本发明实施例中凸轮轴轮廓激光去毛刺试验结果图。
图中：
1.激光器，2.透镜，3.反射镜，4.聚焦透镜，5.工件，6.工作台，7.辅助气体、8.计算机系统、9.调节面，10.水平面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种曲线轮廓激光去毛刺装置包括激光器1、透镜2、反射镜3、聚焦透镜4、工件5、工作台6和计算机系统8，工件5安装于工作台上的夹具上，计算机系统8与激光器1电连接，控制激光器产生激光，激光经过反射镜3和聚焦透镜4作用于工件5上，辅助气体7从激光旁轴吹入。
实施例1：
一种曲线轮廓激光去毛刺的方法，去除材料为45钢的方形轮廓边缘毛刺，加工示意图如图2所示，在工件轮廓毛刺临近区域喷涂去毛刺熔渣抑制剂，使得工件轮廓毛刺临近区的表面形成防熔渣涂层，将工件装夹在夹具上，确定工件5初始位置，在计算机系统8中输入激光工艺参数，激光功率18W，脉冲宽度150ns，重复频率50kHz，扫描速度100mm/s，入射角度45°，由计算机系统8根据工件5轮廓生成加工轨迹的指令，控制工件5运动，使激光沿工件5方形轮廓以脉冲扫描的方式，去除工件5轮廓毛刺，同时辅助气体7从激光旁轴吹入，辅助气体7的压力为0.1MPa。
去毛刺熔渣抑制剂的配方为：PTFE 20％、SiO2 17％、ZrO2 17％、C(石墨)10％、清漆粘合剂30％、丙酮稀释剂6％，将上述原料均匀搅拌获得去毛刺熔渣抑制剂，所述去毛刺熔渣抑制剂的喷涂厚度为0.02mm。
试验结果如图3所示，激光去除45钢方形轮廓毛刺尺度达到178.1μm，去除后的表面粗糙度值达到Ra0.35μm。试验表明本发明提供的方法能够有效去除轮廓毛刺。
实施例2：
一种曲线轮廓激光去毛刺的方法，去除材料为球墨铸铁的凸轮轴曲线轮廓毛刺，凸轮轴曲线轮廓如图4所示，毛刺尺度如图5所示，在工件5轮廓毛刺临近区域喷涂去毛刺熔渣抑制剂，使得工件轮廓毛刺临近区的表面形成防熔渣涂层，将工件5装夹在夹具上，确定工件5初始位置，在计算机系统8中输入激光工艺参数，激光功率200W，脉冲宽度100ns，重复频率100kHz，扫描速度40mm/s，入射角度0°，由计算机系统8根据工件5轮廓生成加工轨迹的指令，控制工件5运动，使激光沿工件5曲线轮廓以脉冲扫描的方式，去除工件5轮廓毛刺，同时辅助气体7从激光旁轴吹入，辅助气体7的压力为0.5MPa。
去毛刺熔渣抑制剂的配方为：PTFE 15％、SiO2 20％、ZrO2 20％、C(石墨)15％、清漆粘合剂25％、丙酮稀释剂5％，将上述原料均匀搅拌获得去毛刺熔渣抑制剂，所述去毛刺熔渣抑制剂的喷涂厚度为0.05mm。
试验结果如图6所示，凸轮轴轮廓毛刺明显去除，没有熔渣。试验表明本发明提供的方法能够用于高硬度精密零件边缘毛刺精整加工。
实施例3：
一种曲线轮廓激光去毛刺的方法，去除材料为低碳合金钢的液压元件阀芯轮廓毛刺，在工件5轮廓毛刺临近区域喷涂防熔渣涂层，使得工件轮廓毛刺临近区的表面形成防熔渣涂层，将工件5装夹在夹具上，确定工件5初始位置，在计算机系统8中输入激光工艺参数，激光功率500W，脉冲宽度50ns，重复频率200kHz，扫描速度1mm/s，入射角度45°，由计算机系统8根据工件5轮廓生成加工轨迹的指令，控制工件5运动，使激光沿工件5曲线轮廓以脉冲扫描的方式，去除工件5轮廓毛刺，同时辅助气体7从激光旁轴吹入，辅助气体7的压力为1MPa。
去毛刺熔渣抑制剂的配方为：PTFE 12％、SiO2 23％、ZrO2 23％、C(石墨)18％、清漆粘合剂20％、丙酮稀释剂4％，将上述原料均匀搅拌获得去毛刺熔渣抑制剂，激光去毛刺前使用喷枪将去毛刺熔渣抑制剂喷涂在工件5的轮廓毛刺临近区域，所述去毛刺熔渣抑制剂的喷涂厚度为0.10mm。
本发明能够去除毛刺尺度范围为10～2000μm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，在工件轮廓毛刺临近区域喷涂去毛刺熔渣抑制剂，使得工件轮廓毛刺临近区的表面形成防熔渣涂层，将工件装夹在夹具上，确定工件初始位置，在计算机系统中输入激光工艺参数，由计算机系统根据工件轮廓生成加工轨迹的指令，控制工件运动，使激光沿工件曲线轮廓以脉冲扫描的方式，去除工件轮廓毛刺，同时辅助气体从激光旁轴吹入。
2.根据权利要求1所述曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，激光的扫描速度为1～100mm/s，入射角度为0～45°。
3.根据权利要求1所述曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，所述辅助气体的压力为0.1～1MPa。
4.根据权利要求1所述曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，所述计算机系统根据工件轮廓生成加工轨迹包括生成平面轮廓的加工轨迹的方法和生成斜置轮廓加工轨迹的方法。
5.根据权利要求4所述曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，所述生成平面轮廓的加工轨迹的方法为：计算机系统对工件轮廓的曲线函数或者坐标数据或者图形进行读取，采取最近邻优化算法，获取每个单元的不同点之间的最短路径，调用动态链接库中的运动函数来生成加工轨迹的指令，以坐标指令的形式进行X-Y-θ三轴联动加工，θ为工件绕Z轴转动的旋转轴。
6.根据权利要求4所述曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，所述生成斜置轮廓加工轨迹的方法为：工件曲线轮廓不在一个水平面或者激光入射角度不为0°时，计算机系统对工件轮廓的曲线函数或者坐标数据或者图形进行读取，采取最近邻优化算法，获取每个单元的不同点之间的最短路径，调用动态链接库中的运动函数来生成加工轨迹的指令，并通过联动控制在Z轴方向进行焦距补偿，进行X-Y-Z-θ四轴联动加工，θ为工件绕Z轴转动的旋转轴。
7.根据权利要求1所述曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，所述激光工艺参数为：功率10W～500W，脉宽10～200ns，重复频率50～200kHz，生成激光的激光器的中心波长为1064nm，输出功率不稳定度＜5％，光束质量M2＜2。
8.根据权利要求1所述曲线轮廓激光去毛刺的方法，其特征在于，所述去毛刺熔渣抑制剂的配方为：PTFE 10～20％、SiO210～25％、ZrO2 10～25％、石墨C 10～20％、清漆粘合剂20～30％、丙酮稀释剂4～10％，将上述原料均匀搅拌获得去毛刺熔渣抑制剂，所述去毛刺熔渣抑制剂的喷涂厚度为0.01～0.10mm。
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