CN109676380A - 一种用于加工中心的激光辅助钻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钻削装置及其操作方法属于激光辅助钻削加工技术领域。一种用于加工中心的激光辅助钻削装置包括固定转接支架、气动中空变速器、夹持刀柄、中空钻头和激光加工单元。本发明的激光辅助钻削装置用于加工中心上，通过激光、钻削与材料的相互作用来进行高硬质合金加工。利用高功率激光束聚焦在高硬质合金材料工件表面实现材料软化同时激光束也会去除一部分材料，这样钻头在钻削材料时因材料的去除率变小，能够充分地发挥钻头切削作用，大大的降低了切削力，减小了钻头磨损，切屑也会易于排出，防止了钻头断裂现象，增加了钻头的使用寿命，降低了加工振动现象，使零件加工表面质量和精度提高、降低零件成本。

Description

一种用于加工中心的激光辅助钻削装置及其操作方法
技术领域
本发明属于激光辅助钻削加工技术领域，特别是涉及到一种用于加工中心的激光辅助钻削装置及其操作方法。
背景技术
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，这样钻头在切削材料时因材料的去除率变小，能够充分地发挥钻头切削作用，大大的降低了切削力，减小了钻头磨损，增加了钻头使用寿命，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和精度提高、零件成本也会降低。
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，对钻头的磨损和使用寿命有很大影响，加工零件表面质量差，钻削时钻头极易断裂，这样会使加工效率降低、零件成本也会变大。因此，寻找一套有效的加工方法和装置迫在眉睫。
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钻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、成本低的激光辅助钻削装置的技术问题。
一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，包括固定转接支架、气动中空变速器、夹持刀柄、中空钻头和激光加工单元，所述固定转接支架包括激光装置支架和中空变速气动主轴装置支架；
所述激光加工单元包括光纤激光器和聚透镜；所述光纤激光器固定安装在激光装置支架的内部上端，光纤激光器的激光输出端朝向激光装置支架的下端；所述聚透镜固定安装在激光装置支架的内部下端，聚透镜与光纤激光器之间设置有激光传输通路；
所述气动中空变速器包括变速传动机构和刀具夹持结构；所述变速传动机构固定安装在中空变速气动主轴装置支架的内部上端，变速传动机构的变速主轴与刀具夹持结构连接；所述刀具夹持结构与中空变速气动主轴装置支架的下部连接；
所述夹持刀柄固定安装在中空变速气动主轴装置支架的上部；所述中空钻头与刀具夹持结构连接。
所述激光加工单元的激光轴和气动中空变速器的主轴中心轴两轴之间的平面与加工中心的机床XY轴平面平行。
所述固定转接支架中激光轴和主轴中心轴平面平行度精度为1μm～2μm。
所述气动中空变速器中设置有导通气路，气动中空变速器的气体输入口与气源及调速控制器连接。
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。
所述中空钻头中设置有中空气路孔。
一种用于加工中心的激光辅助钻削装置的操作方法，利用所述的一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将中空钻头通过刀具夹持结构夹持在气动中空变速器；
步骤二、将激光辅助钻削装置夹持在加工中心主轴上；
步骤三、调节固定转接支架中激光轴和主轴中心轴平面使其与机床XY轴平面平行，将加工中心自身电主轴锁死；
步骤四、利用对刀仪将激光辅助钻削装置上的钻头进行刀具对刀；
步骤五、调整聚透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，使工件的激光加工深度小于钻头切削深度，所述激光加工深度等于激光焦点到刀具端面的距离d；
步骤六、打开气源及调速控制器，通过气动中空变速器的气路排放激光加工产生的粉尘，同时防止粉尘污染聚透镜；
步骤七、激光辅助钻削方式为啄钻，每个孔的加工顺序均为激光加工和钻削反复进行，设定每一层激光加工的开启和关闭的时间，
激光加工软化硬质合金材料，每一层激光加工深度均为ap，激光加工的直径范围小于直径D的2/3；
切换钻削加工方式，激光加工完成后与钻削加工时间间隔小于1秒，每一层钻削深度大于5/4ap；
步骤八、加工路径至最后一层关闭激光源，停止激光辅助加工，以钻削方式结束。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明的激光辅助钻削装置用于加工中心上，通过激光、钻削与材料的相互作用来进行高硬质合金加工。利用高功率激光束聚焦在高硬质合金材料工件表面，在钻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，这样钻头在钻削材料时因材料的去除率变小，能够充分地发挥钻头切削作用，大大的降低了切削力，减小了钻头磨损，切屑也会易于排出，防止了钻头断裂现象，增加了钻头的使用寿命，降低了加工振动现象，使零件加工表面质量和精度提高、降低零件成本。
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钻削装置及其操作方法中激光辅助钻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钻削装置及其操作方法中激光加工单元的结构示意图。
图3为本发明一种用于加工中心的激光辅助钻削装置及其操作方法中中空钻头的结构示意图一。
图4为本发明一种用于加工中心的激光辅助钻削装置及其操作方法中中空钻头的结构示意图二。
图5为本发明一种用于加工中心的激光辅助钻削装置及其操作方法中夹持刀柄的结构示意图。
图6为本发明一种用于加工中心的激光辅助钻削装置及其操作方法中激光辅助钻削加工的示意图一。
图7为本发明一种用于加工中心的激光辅助钻削装置及其操作方法中激光辅助钻削加工的示意图二。
图中1-固定转接支架、2-气动中空变速器、3-夹持刀柄、4-中空钻头、5-激光加工单元、6-激光装置支架、7-中空变速气动主轴装置支架、8-光纤激光器、9-聚透镜、10-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钻削装置，包括固定转接支架1、气动中空变速器2、夹持刀柄3、中空钻头4和激光加工单元5，所述固定转接支架1包括激光装置支架6和中空变速气动主轴装置支架7；
所述激光加工单元5包括光纤激光器8和聚透镜9；所述光纤激光器8固定安装在激光装置支架6的内部上端，光纤激光器8的激光输出端朝向激光装置支架6的下端；所述聚透镜9固定安装在激光装置支架6的内部下端，聚透镜9与光纤激光器8之间设置有激光传输通路，激光光束通过聚透镜9进行聚焦。
所述气动中空变速器2包括变速传动机构和刀具夹持结构10，气动中空变速器2中设置有导通气路，气动中空变速器2的气体输入口与气源及调速控制器连接。刀具夹持结构10能够夹持中空钻头4，导通气路导通实现了钻头变速钻削条件，并且与激光加工单元5进行协调加工。所述变速传动机构固定安装在中空变速气动主轴装置支架7的内部上端，变速传动机构的变速主轴与刀具夹持结构10连接；所述刀具夹持结构10与中空变速气动主轴装置支架7的下部连接。
所述激光加工单元5的激光轴和气动中空变速器2的主轴中心轴两轴之间的平面与加工中心的机床XY轴平面平行。
所述固定转接支架1中激光光束中心轴与气动主轴中心轴平行；激光轴和主轴中心轴平面平行度精度为1μm～2μm。
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。
所述中空钻头4用于钻削加工，中空钻头4的钻头轴线是中空的，沿中空的钻头轴线设置中空气路孔，可辅助排出钻削产生的切屑。中空钻头4的钻头前刀面还设置有通路气孔，其作用是激光辅助加工不能使用冷却液，为了防止切屑堵塞排出孔，使用气体将切屑通过高压辅助切屑排出。
所述夹持刀柄3固定安装在中空变速气动主轴装置支架7的上部，夹持刀柄3用于将整个激光辅助钻削装置固定在加工中心主轴上；所述中空钻头4与刀具夹持结构10连接。
一种用于加工中心的激光辅助钻削装置的操作方法，利用所述的一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一：将中空钻头4夹持在气动中空变速器2的变速主轴上；
步骤二：将激光辅助钻削装置夹持在加工中心的机床主轴上；
步骤三：调节好激光轴和主轴中心轴两轴之间的平面与机床X/Y轴平行后将加工中心自身电主轴锁死，保证激光加工和钻削加工切换时的定位精度；
步骤四：将激光辅助钻削装置上的中空钻头4进行刀具对刀，利用对刀仪进行钻削刀具对刀；
步骤五：调整聚透镜9和待加工工件表面的距离L进行聚焦，激光功率进行调整，使其激光加工深度小于钻头切削深度，焦点距离刀具端面的距离d等于激光加工的深度；
步骤六：打开气路，一方面对其激光加工时产生的粉尘进行排放，另一方面防止粉尘污染聚透镜9；
步骤七：激光辅助钻削方式为啄钻，每个孔加工顺序为激光加工→钻削→激光加工→······→激光加工→钻削，使其激光加工优先于钻削，激光加工用于软化硬质合金材料，每一层加工深度为ap，激光加工的直径范围小于直径D的2/3；每一层激光加工完成后与接下来的钻削加工时间间隔小于1秒，每一层激光加工设定开启和关闭指令，然后切换钻削加工方式，每一层钻削深度大于5/4ap。
步骤八：加工路径到最后一层时指令关闭激光源，停止激光辅助加工，以钻削方式结束。

Claims (7)

1.一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，其特征是：包括固定转接支架(1)、气动中空变速器(2)、夹持刀柄(3)、中空钻头(4)和激光加工单元(5)，所述固定转接支架(1)包括激光装置支架(6)和中空变速气动主轴装置支架(7)；
所述激光加工单元(5)包括光纤激光器(8)和聚透镜(9)；所述光纤激光器(8)固定安装在激光装置支架(6)的内部上端，光纤激光器(8)的激光输出端朝向激光装置支架(6)的下端；所述聚透镜(9)固定安装在激光装置支架(6)的内部下端，聚透镜(9)与光纤激光器(8)之间设置有激光传输通路；
所述气动中空变速器(2)包括变速传动机构和刀具夹持结构(10)；所述变速传动机构固定安装在中空变速气动主轴装置支架(7)的内部上端，变速传动机构的变速主轴与刀具夹持结构(10)连接；所述刀具夹持结构(10)与中空变速气动主轴装置支架(7)的下部连接；
所述夹持刀柄(3)固定安装在中空变速气动主轴装置支架(7)的上部；所述中空钻头(4)与刀具夹持结构(10)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钻削装置，其特征是：所述激光加工单元(5)的激光轴和气动中空变速器(2)的主轴中心轴两轴之间的平面与加工中心的机床XY轴平面平行。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，其特征是：所述固定转接支架(1)中激光轴和主轴中心轴平面平行度精度为1μm～2μm。
4.根据权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，其特征是：所述气动中空变速器(2)中设置有导通气路，气动中空变速器(2)的气体输入口与气源及调速控制器连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，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。
6.根据权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，其特征是：所述中空钻头(4)中设置有中空气路孔。
7.一种用于加工中心的激光辅助钻削装置的操作方法，利用如权利要求1所述的一种用于加工中心的激光辅助钻削装置，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将中空钻头(4)通过刀具夹持结构(10)夹持在气动中空变速器(2)；
步骤二、将激光辅助钻削装置夹持在加工中心主轴上；
步骤三、调节固定转接支架(1)中激光轴和主轴中心轴平面使其与机床XY轴平面平行，将加工中心自身电主轴锁死；
步骤四、利用对刀仪将激光辅助钻削装置上的钻头进行刀具对刀；
步骤五、调整聚透镜(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，使工件的激光加工深度小于钻头切削深度，所述激光加工深度等于激光焦点到刀具端面的距离d；
步骤六、打开气源及调速控制器，通过气动中空变速器(2)的气路排放激光加工产生的粉尘，同时防止粉尘污染聚透镜(9)；
步骤七、激光辅助钻削方式为啄钻，每个孔的加工顺序均为激光加工和钻削反复进行，设定每一层激光加工的开启和关闭的时间，
激光加工软化硬质合金材料，每一层激光加工深度均为ap，激光加工的直径范围小于直径D的2/3；
切换钻削加工方式，激光加工完成后与钻削加工时间间隔小于1秒，每一层钻削深度大于5/4ap；
步骤八、加工路径至最后一层关闭激光源，停止激光辅助加工，以钻削方式结束。
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