CN109590745A - 一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法属于激光辅助铣削加工技术领域。一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，包括夹持刀柄、转接板Ⅰ、激光加工单元、转接板Ⅱ、中空变速气动主轴装置和中空铣刀。本发明中的激光辅助铣削装置用于加工中心上，利用高功率激光束聚焦在高硬质合金材料工件表面，在铣削加工前会使材料的强度和硬度特性发生改变，实现材料软化同时激光束也会去除一部分材料，这样铣刀在切削材料时因材料的去除率变小，能够充分地发挥铣刀切削作用，大大的降低了切削力，减小了刀具磨损，增加了刀具使用寿命，降低了加工振动现象，使零件加工表面质量高、加工精度高、加工效率快、加工成本低。

Description

一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法
技术领域
本发明属于激光辅助铣削加工技术领域，特别是涉及到一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法。
背景技术
随着航空航天、国防工业、微电子工业、宇宙开发、海洋技术等高科技领域的飞速发展，对于零件的要求结构越来越复杂、尤其是对材料的特性，必须具有高强度、高硬度、耐高温和耐磨损等特性。传统加工方法来加工这些高硬质合金材料存在很多不足，在加工时产生的切削力，切削温度非常大，对刀具的磨损和使用寿命有很大影响，加工零件表面质量差、零件精度低、加工效率会很低、零件成本也会非常大。因此，寻找一套有效的加工方法和装置迫在眉睫。
激光辅助加工是解决加工高硬质合金材料的有效手段之一。高功率激光束聚焦在高硬质合金材料工件表面，会使材料的强度和硬度特性发生改变，实现材料软化同时激光束也会去除一部分材料，这样铣刀在切削材料时因材料的去除率变小，能够充分地发挥铣刀切削作用，大大的降低了切削力，减小了刀具磨损，增加了刀具使用寿命，降低了加工振动现象。这些现象的改善会使零件加工表面质量高、得到的零件加工精度也会很高、加工效率快、零件成本低的益处。而激光辅助加工时，由于需要激光焦点跟随刀具中心轴线才能保证在激光辅助加工时不会破坏加工要求表面，急需一个能够实现光路导通的中空铣刀及散热和排出粉末的阵列散热孔特制中空铣刀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法用于解决现有技术中缺少对高硬质合金材料进行高质量、高精度、效率快、成本低的激光辅助铣削加工装置的技术问题。
一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，包括夹持刀柄、转接板Ⅰ、激光加工单元、转接板Ⅱ、中空变速气动主轴装置和中空铣刀，所述激光加工单元的一端通过转接板Ⅰ与夹持刀柄连接，激光加工单元的另一端通过转接板Ⅱ与中空变速气动主轴装置连接；所述中空铣刀通过刀具夹持结构与中空变速气动主轴装置的变速主轴连接。
所述激光加工单元包括圆筒外壳、光纤激光器和聚焦镜；所述光纤激光器固定安装在圆筒外壳的中部；所述聚焦镜固定安装在圆筒外壳的内部一端，聚焦镜位于光纤激光器的激光输出端并且聚焦镜与光纤激光器之间设置有激光传输通路。
所述光纤激光器的输入端通过光纤与光纤激光功率控制器连接。
所述中空变速气动主轴装置的气体输入口与气源及调速控制器连接，中空变速气动主轴装置中设置有激光束传导路径、变速传动机构和刀具夹持结构。
所述中空铣刀中设置有沿中轴线方向的中空导路孔，中空铣刀前刀面设置有通入到中空光路导通孔的阵列散热孔。
一种用于加工中心的激光辅助铣削装置的操作方法，利用所述的一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将中空铣刀通过刀具夹持结构夹持在激光辅助铣削装置的中空变速气动主轴装置上；
步骤二、将加工中心自身的电主轴锁死；
步骤三、将激光辅助铣削装置夹持在加工中心主轴上；
步骤四、利用对刀仪将激光辅助铣削装置上的中空铣刀进行刀具对刀；
步骤五、调整聚焦镜与待加工工件表面的距离L，使激光聚焦在待加工工件表面，调整激光功率，使工件的激光加工的深度小于铣刀切削深度，所述激光加工的深度等于激光焦点距离刀具端面的距离d；
打开气源及调速控制器，通过中空变速气动主轴装置的气路排放激光加工产生的粉尘，同时防止粉尘污染聚焦镜；
步骤六、激光先在工件表面进行辅助加工和软化硬质合金材料，铣刀刀路的切削层比铣刀切削加工的切削层高一个切削层；
步骤七、激光辅助加工留有铣刀精加工余量，铣刀加工路径到倒数第二层时关闭激光源，停止激光辅助加工，铣刀切削完最后一层后操作结束。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明中的激光辅助铣削装置用于加工中心上，通过激光、铣削与材料的相互作用来进行高硬质合金加工。发明中利用高功率激光束聚焦在高硬质合金材料工件表面，在铣削加工前会使材料的强度和硬度特性发生改变，实现材料软化同时激光束也会去除一部分材料，这样铣刀在切削材料时因材料的去除率变小，能够充分地发挥铣刀切削作用，大大的降低了切削力，减小了刀具磨损，增加了刀具使用寿命，降低了加工振动现象，使零件加工表面质量高、加工精度高、加工效率快、加工成本低。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中激光辅助铣削装置的结构示意图。
图2为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中夹持刀柄的结构示意图。
图3为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中转接板Ⅰ的结构示意图。
图4为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中激光加工单元的结构示意图。
图5为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中激光加工单元的剖视结构示意图。
图6为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中转接板Ⅱ的结构示意图。
图7为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中中空变速气动主轴装置的结构示意图。
图8为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中中空铣刀的结构示意图。
图9为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中中空铣刀的剖视结构示意图。
图10为本发明一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法中激光辅助铣削加工示意图。
图中1-夹持刀柄、2-转接板Ⅰ、3-激光加工单元、4-转接板Ⅱ、5-中空变速气动主轴装置、6-中空铣刀、7-圆筒外壳、8-光纤激光器、9-聚焦镜、501-激光束传导路径、502-变速传动机构、503-刀具夹持结构。
具体实施方式
如图所示，一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，包括夹持刀柄1、转接板Ⅰ2、激光加工单元3、转接板Ⅱ4、中空变速气动主轴装置5和中空铣刀6，所述激光加工单元3的一端通过转接板Ⅰ2与夹持刀柄1连接，激光加工单元3的另一端通过转接板Ⅱ4与中空变速气动主轴装置5连接；所述中空铣刀6通过刀具夹持结构503与中空变速气动主轴装置5的变速主轴连接。所述中空铣刀6中设置有沿中轴线方向的中空导路孔，中空铣刀6的前刀面设置有通入到中空光路导通孔的阵列散热孔，用于将激光加工产生的热量进行散热以及使激光加工粉尘排出并防止粉尘堵塞中空导路孔。所述夹持刀柄1用于将整个激光辅助铣削装置与加工中心的机床主轴进行固定。
所述激光加工单元3包括圆筒外壳7、光纤激光器8和聚焦镜9；所述光纤激光器8固定安装在圆筒外壳7的中部；所述聚焦镜9固定安装在圆筒外壳7的内部一端，聚焦镜9位于光纤激光器8的激光输出端并且聚焦镜9与光纤激光器8之间设置有激光传输通路，光束通过聚焦镜9进行聚焦。
所述光纤激光器8的输入端通过光纤与光纤激光功率控制器连接。
所述中空变速气动主轴装置5的气体输入口与气源及调速控制器连接，中空变速气动主轴装置5中设置有激光束传导路径501、变速传动机构502和刀具夹持结构503。中空变速气动主轴装置5能够夹持中空铣刀6使其和激光束传导路径501导通，从而具备能够铣刀变速铣削条件，还能使激光路径导通。中空变速气动主轴装置5还具有气路冷却功能，在冷却过程中导出的气体还能够将激光加工产生的粉末排出，避免中空导路孔堵塞。
一种用于加工中心的激光辅助铣削装置的操作方法，利用所述的一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将中空铣刀6通过刀具夹持结构503夹持在激光辅助铣削装置的中空变速气动主轴装置5上；
步骤二、将加工中心自身的电主轴锁死；
步骤三、将激光辅助铣削装置夹持在加工中心主轴上；
步骤四、利用对刀仪将激光辅助铣削装置上的中空铣刀6进行刀具对刀；
步骤五、调整聚焦镜9与待加工工件表面的距离L，使激光聚焦在待加工工件表面，调整激光功率，使工件的激光加工的深度小于铣刀切削深度，所述激光加工的深度等于激光焦点距离刀具端面的距离d；
打开气源及调速控制器，通过中空变速气动主轴装置5的气路排放激光加工产生的粉尘，同时防止粉尘污染聚焦镜9；
步骤六、激光先在工件表面进行辅助加工和软化硬质合金材料，铣刀刀路的切削层比铣刀切削加工的切削层高一个切削层，铣刀切削加工第一层时刀路提升一个切削层，使其激光加工先进行加工和软化硬质合金材料；
步骤七、激光辅助加工留有铣刀精加工余量，精加工余量要小，铣刀加工路径到倒数第二层时即进行精加工的前一层时关闭激光源，停止激光辅助加工，铣刀切削完最后一层后操作结束。
实施例：
实施例中所述的夹持刀柄1与激光加工单元3连接处具有圆形的转接板Ⅰ2；所述转接板Ⅰ2能够用于转接各种型号主轴夹持刀柄，且圆形转接板Ⅰ的平行度及外圆轮廓精度达到1μm，能够调节径向跳动度。
所述的激光加工单元3具有轮廓度为1μm精度的圆筒外壳7，该壳体主要用于固定光纤激光器8和聚透镜9。
所述圆筒外壳7的固定支架用于将聚透镜9的聚焦中心和光纤激光器8的光束中心轴调整到同一光轴。圆筒外壳7与中空变速气动主轴装置5和夹持刀柄1的连接处具有高精度的装配精度，装配精度在10μm以内，径向跳动调整后精度能够达到1μm。
所述中空变速气动主轴装置5与激光加工单元3的连接处具有圆形的转接板Ⅱ4，用于将中空变速气动主轴装置5与激光加工单元3进行连接；
所述圆形的转接板Ⅱ4平行度及外圆轮廓精度达到1μm，能够调节径向跳动度。
所述中空铣刀6为直径大于1mm铣刀。
所述中空铣刀6的中空导路孔的孔径为铣刀直径的1/2，且刀具端面处的锥形孔最大直径为铣刀直径的2/3，锥形孔高为铣刀直径的2倍，刀具前刀面具有通到中空导路孔的阵列散热孔。
如图8所示，光纤激光功率控制器驱动光纤激光器8产生激光束，激光束通过中空变速气动主轴装置5及中空铣刀6的中空导路孔直接聚焦到工件表面进行软化加工，铣削加工也同时进行。气源及调速控制器通过中空铣刀6导出的气体起到冷却作用的同时将激光加工产生的粉末排出，避免中空导路孔堵塞。

Claims (6)

1.一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，其特征是：包括夹持刀柄(1)、转接板Ⅰ(2)、激光加工单元(3)、转接板Ⅱ(4)、中空变速气动主轴装置(5)和中空铣刀(6)，所述激光加工单元(3)的一端通过转接板Ⅰ(2)与夹持刀柄(1)连接，激光加工单元(3)的另一端通过转接板Ⅱ(4)与中空变速气动主轴装置(5)连接；所述中空铣刀(6)通过刀具夹持结构(503)与中空变速气动主轴装置(5)的变速主轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，其特征是：所述激光加工单元(3)包括圆筒外壳(7)、光纤激光器(8)和聚焦镜(9)；所述光纤激光器(8)固定安装在圆筒外壳(7)的中部；所述聚焦镜(9)固定安装在圆筒外壳(7)的内部一端，聚焦镜(9)位于光纤激光器(8)的激光输出端并且聚焦镜(9)与光纤激光器(8)之间设置有激光传输通路。
3.根据权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，其特征是：所述光纤激光器(8)的输入端通过光纤与光纤激光功率控制器连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，其特征是：所述中空变速气动主轴装置(5)的气体输入口与气源及调速控制器连接，中空变速气动主轴装置(5)中设置有激光束传导路径(501)、变速传动机构(502)和刀具夹持结构(503)。
5.根据权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，其特征是：所述中空铣刀(6)中设置有沿中轴线方向的中空导路孔，中空铣刀(6)前刀面设置有通入到中空光路导通孔的阵列散热孔。
6.一种用于加工中心的激光辅助铣削装置的操作方法，利用如权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助铣削装置，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将中空铣刀(6)通过刀具夹持结构(503)夹持在激光辅助铣削装置的中空变速气动主轴装置(5)上；
步骤二、将加工中心自身的电主轴锁死；
步骤三、将激光辅助铣削装置夹持在加工中心主轴上；
步骤四、利用对刀仪将激光辅助铣削装置上的中空铣刀(6)进行刀具对刀；
步骤五、调整聚焦镜(9)与待加工工件表面的距离L，使激光聚焦在待加工工件表面，调整激光功率，使工件的激光加工的深度小于铣刀切削深度，所述激光加工的深度等于激光焦点距离刀具端面的距离d；
打开气源及调速控制器，通过中空变速气动主轴装置(5)的气路排放激光加工产生的粉尘，同时防止粉尘污染聚焦镜(9)；
步骤六、激光先在工件表面进行辅助加工和软化硬质合金材料，铣刀刀路的切削层比铣刀切削加工的切削层高一个切削层；
步骤七、激光辅助加工留有铣刀精加工余量，铣刀加工路径到倒数第二层时关闭激光源，停止激光辅助加工，铣刀切削完最后一层后操作结束。
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