CN108818118A - 激光辅助微加工系统及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种激光辅助微加工系统，包括工作滑台、用于对待加工工件进行切削操作的刀具模组、激光模组及温控模组，所述激光模组设于所述工作滑台，并随所述工作滑台在三维空间移动对待加工工件加热，所述温控模组包括温度感应器、冷却器、控制器及冷却剂，所述温度感应器感应所述冷却器的实时温度值，所述冷却器设于所述工作滑台并支撑所述刀具模组，所述控制器根据所述温度感应器感应的温度值反馈控制信号控制所述冷却器的工作状态，所述冷却剂用以控制所述冷却器的温度分布在设定范围内。同时本发明还提供一种激光辅助微加工系统的温控方法。本发明的激光辅助微加工系统和温控方法表面热量集聚，提高加工精度和产品良率。

Description

激光辅助微加工系统及其温度控制方法

【技术领域】

本发明涉及微加工技术领域，具体涉及一种激光辅助微加工系统及采用所述微加工系统的温度控制方法。

【背景技术】

难加工材料如合金钢、纤维增强金属复合材料等具有优良的性能，已经应用于微小尺寸结构和工件的加工、制造。难加工材料的切削加工过程中，由于其高强度、硬度高等特性，部分特征精度和切削速度都受到机床刚度和普通微型刀具强度和刚度的限制，而且刀具的快速磨损会导致微小零件的加工精度降低。因此，需要采用有效方法对微小零件进行加工。

激光辅助微切削是将激光光束聚焦在切削刃前的工件表面，使得材料局部因高温而软化，从而降低工件材料的强度和硬度，减小微切削加工切削力的一种复合加工方法。

当采用激光辅助微切削加工方法对微小尺度结构工件进行加工时，激光功率对材料表面的温度场分布、热影响区范围以及软化层深度影响最明显。

激光加热明显改善了材料表面的切削加工性能，方便切削加工，但是仍然存在如下缺陷：随着激光功率增加和切削速度的增大，刀具材料表面的热量容易聚集并传导至切削加工工件的刀架，如果热量不及时泄出，容易导致刀具及刀架表面温度变化起伏较大，如图1所示。

请参阅图1，是采用激光辅助微切削加工方法对微小尺度结构工件进行加工时的温度分布曲线图，曲线一代表待加工工件的刀具材料表面温度分布示意，曲线二代表切削待加工工件的刀架温度分布示意，且刀架的温度在摄氏22度至28度之间波动。

鉴于切削加工工件的刀具模组温度不稳定，波动较大，基于热胀冷缩的作用原理，刀具及刀架的尺寸随温度的高低变化而相应变化尺寸，影响工件加工过程中的尺寸，降低工件的加工精度和良率。

【发明内容】

本发明的目的是克服上述技术问题，提供一种温度稳定性佳、刀具不易变形及加工精度和良率高的激光辅助微加工系统。

同时本发明还提供一种上述激光辅助微加工系统的温度控制方法。

本发明的技术方案如下：一种激光辅助微加工系统，包括工作滑台、用于对待加工工件进行切削操作的刀具模组、激光模组及温控模组，所述激光模组设于所述工作滑台，并随所述工作滑台在三维空间移动对待加工工件加热，所述温控模组包括温度感应器、冷却器、控制器及冷却剂，所述温度感应器感应所述冷却器的实时温度值，所述冷却器设于所述工作滑台并支撑所述刀具模组，所述控制器根据所述温度感应器感应的温度值反馈控制信号控制所述冷却器的工作状态，所述冷却剂用以控制所述冷却器的温度分布在设定范围内。

优选的，所述温度感应器的数量为多个，分别设于所述冷却器的表面和内部，所述温度感应器实时感应所述冷却器的不同位置温度分布。

优选的，所述冷却器固定至所述工作滑台，同时与所述刀具模组抵接固定。

优选的，所述冷却器包括多个贯穿孔及固定槽，所述冷却剂通过所述贯穿孔循环以散热，所述固定槽固定所述刀具模组。

优选的，所述冷却器还包括散热鳍片，所述散热鳍片设于所述冷却器表面。

优选的，所述控制器采用闭环自动控制技术，通过PID反馈控制。

优选的，所述控制器设定标准温度值，当所述温度感应器感应到所述冷却器的实际温度值大于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号提高所述冷却剂的工作效率加速散热，以降低所述冷却器的温度。

优选的，所述冷却剂是液态冷却液。

优选的，所述温控模组还包括显示终端，所述显示终端可视化显示所述治具的温度分布。

优选的，所述刀具模组包括刀具和刀架，所述刀架包括金属基体柄及槽体，所述刀具通过紧固螺栓固定至所述冷却器的槽体，所述槽体对应收容于所述冷却器的固定槽。

优选的，所述激光模组包括激光源、激光传输通道及集成透镜，所述激光源产生激光经所述激光传输通道照射至待加工工件，所述集成透镜集成至所述刀具的端部。

优选的，所述激光器是光纤激光器。

优选的，所述激光辅助微加工系统还包括摄像头，所述摄像头检测所述激光器的光斑尺寸。

优选的，所述激光传输通道贯穿所述冷却器并延伸至所述固定槽，所述激光传输通道的端部与所述集成透镜相连接，并固定至所述刀具。

优选的，所述工作滑台包括平动滑动旋钮和高度滑动旋钮，所述平动滑动旋钮和高度滑动旋钮配合调整所述刀具模组及所述集成透镜在三维空间内移动。

一种激光辅助微加工系统的温度控制方法，其包括如下步骤：提供待加工工件；提供温度感应器感应所述冷却器的实时温度值；提供控制器，所述控制器接收来自所述温度感应器的实时温度值，并对应产生控制信号控制所述冷却剂的工作效率以控制所述冷却器的工作温度在设定范围。

优选的，设定标准温度值，当所述温度感应器感应到的实时温度值大于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号驱动所述冷却器提高工作效率。

优选的，设定标准温度值，当所述温度感应器感应到的实时温度值等于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号维持所述冷却器的工作效率。

优选的，设定标准温度值，当所述温度感应器感应到的实时温度值小于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号降低所述冷却器的工作效率。

与相关技术相比，本发明提供的激光辅助微加工系统及其温度控制方法有益效果在于：

在本发明的激光辅助微加工系统中增加设置温控模组，首先，所述冷却器与所述刀具模组相接设置，当所述刀具模组对待加工工件进行切削加工时，其产生的热能快速传递至所述冷却器，所述温控模组的冷却剂有效降低所述冷却器的温度，使得热量有效散失，避免刀具模组的热量聚集引起温度过高。当所述刀具模组的温度在设定范围内时，则其不易因为热胀冷缩引起尺寸变形，有效提高加工精度和提高产品良率。

其次，在所述冷却器本体上设置多个贯穿孔，冷却剂贯穿所述贯穿孔循环作业，通过调整冷却剂循环的流量和流速，使得冷却剂与冷却器之间有效实现热交换，将刀具模组加工过程中产生的热量带走，避免热量聚集。

再者，所述冷却器可以设置成与刀架一体结构，方便加工且结构简化。

【附图说明】

图1为现有技术采用激光辅助微切削加工方法对微小尺度结构工件进行加工时的温度分布曲线图；

图2是采用激光辅助微加工系统对工件加工的原理示意图；

图3为本发明激光辅助微加工系统结构示意图；

图4为图3所示激光辅助微加工系统中的部分结构示意图；

图5是图4所示刀具模组的立体结构示意图；

图6是本发明激光辅助微加工系统的温控模组的结构示意图；及

图7是本发明激光辅助微加工系统加工工件的温度分布曲线图。

【具体实施方式】

下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请参阅图2，为本发明提供的激光辅助微加工系统的原理示意图。所述激光辅助微加工系统10对待加工的工件2进行切削加工。所述激光辅助微加工系统10提供激光束对待加工的工件2进行加热处理，通过合理的控制激光功率，光斑对的尺寸和速度，其产生的激光束经过聚焦照射至所述刀具模组13(参阅图5)的前端，对待加工的工件2照射加热，改变材料的机械性能，减小切削力。

请结合参阅图3及图4，其中图3是本发明激光辅助微加工系统结构示意图，图4是图3所示激光辅助微加工系统中的部分结构示意图。所述微切削系统10包括工作滑台11、刀具模组13、激光模组15、温控模组17及摄像头19。

所述工作滑台11包括平动滑动按钮111及高度滑动按钮113。所述刀具模组13、激光模组15及所述温控模组17设于所述工作滑台11。所述平动滑动按钮111驱动所述刀具模组13在沿X轴方向及Y轴方向移动，所述高度滑动按钮113驱动所述刀具模组13在沿高度方向移动，因此，所述平动滑动按钮111及所述高度滑动按钮113驱动设于其上的刀具模组11在三维空间内移动以实现对待加工工件2的切削加工。

请参阅图5，是图4所示刀具模组的立体结构示意图。所述刀具模组13包括刀架131及设于其上的刀具133。所述刀架131支撑固定所述刀具133。

所述刀架131包括金属基体柄1311及槽体1313。所述槽体1313设于所述金属基体柄1311上。所述刀具133包括金库螺栓1331及金刚石钻头1333。所述金刚石钻头1333对应通过紧固螺栓1331固定至所述槽体1313。

请结合参阅图3及图5。所述激光模组15包括激光源151、激光传输通道153及集成透镜155。所述激光源151对应产生激光束。所述激光传输通道153对应将所述激光源151产生的激光束传输至所述集成透镜155。所述集成透镜155设于所述刀具133的端部。所述集成透镜155对接收来自所述及光传输通道153的激光束汇聚至所述刀具133的前端以照射待加工工件2中待切削区域表面。所述激光模组15是光纤激光器，其产生激光束聚焦至所述刀具133的前端对待加工的工件2照射加热，改变材料的机械性能，减小切削力。

请参阅图6，是图3所示温控模组的结构框图。所述温控模组17包括冷却器171、冷却剂173、温度感应器175、控制器177及显示终端179。

所述冷却器171包括鳍片1711、贯穿孔1713及固定槽1715。所述贯穿孔1713贯穿所述冷却器171的本体。所述固定槽1715对应收容所述刀具模组13于其内，且所述刀架131的金属基体柄1311对应收容固定所述固定槽1715。所述鳍片1711设于所述刀具133上方，其与所述刀具133对应抵接设置，有效传导来自所述刀具133的金刚石钻头1333的热量。

所述冷却剂173是使用形态是液态的冷却液，也称作液体载热剂，具有良好的热物理性能，比热大、导热系数大、熔点低、沸点高且饱和压力宜低。所述冷却剂173贯穿所述贯穿孔1713，并多次循环流通。当所述冷却剂1713在所述贯穿孔1713内循环时，藉由自身的栽热性能，有效带走积聚在所述冷却器171表面或者内部的热量，降低所述冷却器171的温度，控制所述冷却器171的温度在设定范围内。其中，所述冷却器171的温度控制可以通过调整所述冷却剂173的流量及流速改善所述冷却器171的散热效率。

所述温度感应器175用于实时感应环境温度。所述温度感应器175的数量为多个，分别分布于所述冷却器171的表面和/或内部，所述多个温度感应器175实时感应所述冷却器171表面不同位置的实时温度值，以反映所述冷却器171不同位置的温度分布。

所述控制器177采用闭环自动控制技术，通过PID反馈控制，其接收来自所述温度感应器175的感应的实时温度值。当所述控制器177工作时，首先在所述控制器177内设置标准温度值，所谓标准温度值意思是所述激光辅助微加工系统的冷却器171适合的工作温度范围。当所述控制器177接收到的实时温度值高于所述标准温度值或者低于所述标准温度值时，则所述控制器177对应产生控制信号反馈至所述冷却剂173的泵，进一步调整所述冷却剂173的工作效率以改善所述冷却剂的散热效率。具体举例说明，在本发明中设定所述冷却器171的标准温度值在16摄氏度至22摄氏度之间。当所述温度感应器175感应到所述冷却器171的实际温度值低于16摄氏度，则所述控制器177对应产生控制信号驱动所述冷却剂173降低散热效率，以节约能量，同时避免温度过低导致所述冷却器171的固定槽1715的冷缩而带来的尺寸缩小。当所述温度感应器175感应到所述冷却器171的实际温度值高于22摄氏度，则所述控制器177对应产生控制信号驱动所述冷却剂173提高散热效率，以避免温度过高导致所述冷却器171的固定槽1715的膨胀而带来的尺寸增加。因为所述固定槽1715对应收容固定所述刀架131，当所述冷却器171的固定槽1715的热胀冷缩变化容易导致所述刀架131的槽体1313及所述金属基体柄1311的尺寸对应变化，如此影响所述刀具133的加工精度。

所述显示终端179是一显示器，其对应把所述冷却器171表面或者内部的温度分布可视化呈现，方便操作人员监控所述激光辅助微加工系统10的工作环境。

所述摄像头19是图像采集装置，其对应临近所述激光模组15的集成透镜155设置。所述摄像头19采集所述激光源151经所述集成透镜155后的激光束的光斑尺寸。

相较于现有技术，在上述激光辅助微加工系统10中，增加设置温控模组17，且所述温控模组17的冷却器171对应抵接所述刀具模组13设置。当所述刀具模组13的刀具133对工件2进行加工时，刀具高速运转以及激光模组15照射产生的热量容易聚集导致局部温度过高。另一方面，因为所述冷却器173与所述刀具模组13抵接设置，所以部分热量传导至所述冷却器173，所述温控模组17动态调整所述冷却器171的温度值，保障所述冷却器171的温度在设定范围内，过多的热量快速通过冷却剂173泻出，改善所述激光辅助微加工系统10的刀具模组13工作环境，避免热量聚集，温度过高或者过低带来的加工精度不佳的缺陷,其中改善后的温度分布曲线图如图7所示，其中所述曲线二的波动较小，显然所述冷却器171的温度趋于稳定。

当然所述标准温度值不仅仅局限于是一个范围值，其还可以是某一具体温度值，例如，所述控制器177内设定一标准温度值T0，例如：该标准温度值为20摄氏度，即：T0＝20℃。当所述冷却器171的实际温度值T1﹥T0时，则所述控制器177对应产生驱动信号提高所述冷却剂173的流量和流速，加快所述冷却剂173对所述冷却器171的散热效果。当T1＝T0时，则所述控制器177对应产生驱动信号维持所述冷却剂173的流量和流速，保证所述冷却剂173对所述冷却器171的散热效果维持恒定。当T1﹤T0时，则所述控制器177对应产生驱动信号降低所述冷却剂173的流量和流速，降低所述冷却剂173对所述冷却器171的散热效果，进一步节约能量，降低成本。

当所述激光辅助微加工系统10工作时，其工作原理如下：

首先，提供待加工工件2固定至所述刀具模组13前方；

其次，于所述温控模组17的控制器177内设置标准温度值T0；

接着，开启激光模组15及所述刀具模组13，所述激光模组15产生激光束经所述激光传输通道153传输至所述集成透镜155，并汇聚至所述工件2上；同时，所述刀具模组13对所述工件2进行切削加工；

再者，所述温控模组17的温度感应器175对所述冷却器171的表面温度进行实时感应，并反馈感应结果至所述控制器177。所述控制器177根据感应结果对应产生驱动信号驱动控制所述冷却剂173的流量及流速，及时泄出热量，以控制所述刀具模组13及所述冷却器171在设定的温度范围环境内工作。

最后，所述显示终端179实时显示所述冷却器171的表面温度分布。

在上述激光辅助微加工系统10对工件2进行加工的过程中，增加设置温控模组17，通过所述温控模组17实时监测所述刀具模组13的工作环境温度，并根据监测结果动态调整所述冷却剂173的流量和流速改善所述温控模组17的散热效率，保障所述刀具模组13的工作环境在设定的温度范围内进行，降低因热胀冷缩引起的尺寸加工缺陷，提高产品良率。

当然，作为上述实施方式的进一步改进，还可以增加设置温度感应器设置于所述刀具模组13的刀架131上，实时监测所述刀架131的工作温度，进一步精确控制所述刀具的工作环境温度，避免热量聚集带来的缺陷。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种激光辅助微加工系统，包括：

工作滑台；

刀具模组，用于对待加工工件进行切削操作；

激光模组，所述激光模组设于所述工作滑台，并随所述工作滑台在三维空间移动对待加工工件加热，其特征在于，所述激光辅助微加工系统还包括温控模组，所述温控模组包括温度感应器、冷却器、控制器及冷却剂，所述温度感应器感应所述冷却器的实时温度值，所述冷却器设于所述工作滑台并支撑所述刀具模组，所述控制器根据所述温度感应器感应的温度值反馈控制信号控制所述冷却器的工作状态，所述冷却剂用以控制所述冷却器的温度分布在设定范围内。

2.根据权利要求1所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述温度感应器的数量为多个，分别设于所述冷却器的表面和/或内部，所述温度感应器实时感应所述冷却器的不同位置温度分布。

3.根据权利要求1所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述冷却器固定至所述工作滑台，同时与所述刀具模组抵接固定。

4.根据权利要求3所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述冷却器包括多个贯穿孔及固定槽，所述冷却剂通过所述贯穿孔循环以散热，所述固定槽固定所述刀具模组。

5.根据权利要求4所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述冷却器还包括散热鳍片，所述散热鳍片设于所述冷却器表面。

6.根据权利要求1所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述控制器采用闭环自动控制技术，通过PID反馈控制。

7.根据权利要求2所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述控制器设定标准温度值，当所述温度感应器感应到所述冷却器的实际温度值大于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号提高所述冷却剂的工作效率加速散热，以降低所述冷却器的温度。

8.根据权利要求1所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述冷却剂是液态冷却液。

9.根据权利要求1所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述温控模组还包括显示终端，所述显示终端可视化显示所述治具的温度分布。

10.根据权利要求4所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述刀具模组包括刀具和刀架，所述刀架包括金属基体柄及槽体，所述刀具通过紧固螺栓固定至所述冷却器的槽体，所述槽体对应收容于所述冷却器的固定槽。

11.根据权利要求10所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述激光模组包括激光源、激光传输通道及集成透镜，所述激光源产生激光经所述激光传输通道照射至待加工工件，所述集成透镜集成至所述刀具的端部。

12.根据权利要求11所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述激光器是光纤激光器。

13.根据权利要求11所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述激光辅助微加工系统还包括摄像头，所述摄像头检测所述激光器的光斑尺寸。

14.根据权利要求11所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述激光传输通道贯穿所述冷却器并延伸至所述固定槽，所述激光传输通道的端部与所述集成透镜相连接，并固定至所述刀具。

15.根据权利要求1所述的激光辅助微加工系统，其特征在于，所述工作滑台包括平动滑动旋钮和高度滑动旋钮，所述平动滑动旋钮和高度滑动旋钮配合调整所述刀具模组及所述集成透镜在三维空间内移动。

16.一种如权利要求1至15中任意一项所述激光辅助微加工系统的温度控制方法，其包括如下步骤：

提供待加工工件；

提供温度感应器感应所述冷却器的实时温度值；

提供控制器，所述控制器接收来自所述温度感应器的实时温度值，并对应产生控制信号控制所述冷却剂的工作效率以控制所述冷却器的工作温度在设定范围。

17.根据权利要求16所述激光辅助微加工系统的温度控制方法，其特征在于，设定标准温度值，当所述温度感应器感应到的实时温度值大于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号驱动所述冷却器提高工作效率。

18.根据权利要求16所述激光辅助微加工系统的温度控制方法，其特征在于，设定标准温度值，当所述温度感应器感应到的实时温度值等于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号维持所述冷却器的工作效率。

19.根据权利要求16所述激光辅助微加工系统的温度控制方法，其特征在于，设定标准温度值，当所述温度感应器感应到的实时温度值小于所述标准温度值时，所述控制器反馈控制信号降低所述冷却器的工作效率。