CN109676442B - 激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法属于磨抛加工方法技术领域。激光辅助浸抛光液磨抛加工装置包括隔振平台、XY精密移动平台、抛光液供给系统、旋转台、摆动台、抛光液收集装置、激光辅助主轴系统、龙门支架和Z向精密移动组件。本发明提出的一种激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法是一种用激光辅助加工脆性零件的方法，在抛光头中心处引出激光，沿着抛光头运动轨迹对待加工区域进行局部加热，热影响区接近磨抛头边缘。等待磨抛头再次到达被加工区域，该区域仍然处于激光改性区内，有助于脆塑性转变，减少表面缺陷和亚表面裂纹等损伤的数量。

Description

激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法

技术领域

本发明属于磨抛加工方法技术领域，特别是涉及到一种激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法。

背景技术

超精密抛光机床是一种通用的加工设备，超精密加工技术是指加工的尺寸、形状精度达到亚微米级，加工表面粗糙度Ra达到纳米级的加工技术的总称，而且这些加工技术指标也是随着科学技术的发展而不断更新。超精密磨床加工精度可以达到1nm～100nm，为适应自由曲面和非回转对称表面的精密磨抛难题，五轴联动的超精密磨抛机床应运而生。

激光束激光表面改性技术是指利用高亮度、方向性强、高强度的高能脉冲激光束直接作用于材料，属于宏观非接触加工，该种激光可以通过调整激光功率、加工速度、加工间距等参数，在零件表面刻蚀出规则的微纳结构，改善材料表面润湿性能。根据脉冲宽度的不同，可分为纳秒、皮秒、飞秒激光。激光加工具有无工具磨损、适用范围广、灵活性高、加工材料的热影响区小等优势。

激光辅助磨削就是通过激光加热使超硬材料软化从而进行磨削的一种技术，称为辅助加热磨抛加工。激光辅助高效磨削加工的优点是激光传热的区域小，磨削的效率高，是磨削硬脆材料比较有潜力的加工方法。普通磨抛机床磨抛脆性材料容易产生表面裂纹和亚表面损伤。

激光辅助浸抛光液磨抛加工装置不同于传统激光辅助方法，激光通过磨抛头的中心，穿越过磨抛工具头的中心直接聚焦作用在加工死区之中，对待精加工表面进行激光改性。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法用来解决普通磨抛机床磨抛脆性材料容易产生表面裂纹和亚表面损伤的技术问题。

激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，包括隔振平台、XY精密移动平台、抛光液供给系统、旋转台、摆动台、抛光液收集装置、激光辅助主轴系统、龙门支架和Z向精密移动组件，所述隔振平台的上表面中部与XY精密移动平台连接，隔振平台的一侧上部与龙门支架固定连接；所述XY精密移动平台包括X向精密移动平台固定装置、X向精密移动平台移动装置、Y向精密移动平台固定装置和Y向精密移动平台移动装置；所述X向精密移动平台移动装置与X向精密移动平台固定装置的上部连接；所述Y向精密移动平台移动装置与Y向精密移动平台固定装置的上部连接；所述旋转台固定安装在XY精密移动平台的上部，旋转台的上部与摆动台的下部连接；所述抛光液收集装置的下部与摆动台的上部连接，抛光液收集装置的内底部固定安装工件，抛光液收集装置的下部设置有排空槽；

所述龙门支架包括两个龙门支架和龙门横梁；所述Z向精密移动组件包括Z向精密移动导轨和Z向主轴移动系统；所述龙门横梁的两侧下部分别与龙门支架固定连接，龙门横梁的一侧侧壁中部与Z向精密移动导轨固定连接；所述Z向主轴移动系统与Z向精密移动导轨连接；

所述激光辅助主轴系统包括磨抛工具、磨抛工具夹紧螺母、激光主轴内留光路通道、聚焦透镜组、激光器出射端、激光器中心固定轴承Ⅱ、激光器、激光主轴保护外壳、激光器中心固定轴承Ⅰ、激光主轴外壳连接端、标准主轴BT40转接锥面、转接头拉钉、激光头上进气管、激光头内部管路和激光头下气动连接管；

所述激光主轴保护外壳上部通过激光主轴外壳连接端与标准主轴BT40转接锥面连接，激光主轴保护外壳的下部通过磨抛工具夹紧螺母与磨抛工具固定连接，激光主轴保护外壳的内顶部设置有激光头内部管路，激光主轴保护外壳的内部安装有纵向布置的激光器和聚焦透镜组并且将激光主轴保护外壳的内部分成三个密闭的腔体，第一个腔体为激光器的外侧壁与激光主轴保护外壳内壁之间形成的气室，第二腔体为激光器的激光器出射端与聚焦透镜组之间形成的激光通路，第三腔体为聚焦透镜组与磨抛工具之间形成的激光主轴内留光路通道；

所述激光器的上部通过激光器中心固定轴承Ⅰ与激光主轴保护外壳连接，激光器的下部通过激光器中心固定轴承Ⅱ与激光主轴保护外壳连接；所述标准主轴BT40转接锥面的上部通过转接头拉钉与激光头上进气管固定连接；所述激光头上进气管与激光头内部管路连通；所述激光头下气动连接管的一端与气室连通，激光头下气动连接管的另一端与激光主轴内留光路通道连通；

所述抛光液供给系统安装在隔振平台上，通过抛光液供给系统的流量泵与抛光液收集装置连接，抛光液供给系统的回收管与抛光液收集装置下部的排空槽固定连接。

所述旋转台包括固定层和转动层，转动层的下部与固定层的上部连接，转动层上部设置有摆动台的安装孔。

所述旋转台的转动角度为0°～360°，转动角度精度为0.01秒。

所述摆动台包括固定层和摆动部件，摆动部件的下部与固定层的上部连接。

所述摆动台的摆动范围为-30°～30°。

激光辅助浸抛光液磨抛加工装置的使用方法，使用所述的激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、用酒精或者丙酮溶液对待加工工件进行超声波清洗10分钟，烘干后将工件安装在抛光液收集装置的内底部并用螺栓固定；

步骤二、检查抛光液供给系统的供给和回收回路，确认回路畅通

步骤三、打开程序并模拟加工路径，检查运行程序中的错误并修改；

步骤四、调整机床运动轴使X轴、Y轴以及Z轴归零，对刀，使工件和磨抛工具的磨抛头接触，打开抛光液供给系统；

步骤五、设定激光器的激光强度和焦点位置，对工件表面进行激光改性；

步骤六、按照抛光程序对工件进行五轴联动的磨抛加工。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明提出的一种激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法是一种用激光辅助加工脆性零件的方法，在抛光头中心处引出激光，沿着抛光头运动轨迹对待加工区域进行局部加热，热影响区接近磨抛头边缘。等待磨抛头再次到达被加工区域，该区域仍然处于激光改性区内，有助于脆塑性转变，减少表面缺陷和亚表面裂纹等损伤的数量。

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为本发明激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法中激光辅助浸抛光液磨抛加工装置的侧视图。

图2为本发明激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法中激光辅助浸抛光液磨抛加工装置的激光器轴测图。

图3为本发明激光辅助浸抛光液磨抛加工装置及其使用方法中激光辅助浸抛光液磨抛加工装置的激光器加工原理图。

图中1--隔振平台、2-XY精密移动平台、3-抛光液供给系统、4-旋转台、5-摆动台、6-抛光液收集装置、7-激光辅助主轴系统、8-龙门支架、9-Z向精密移动组件、10-工件、201-X向精密移动平台固定装置、202-X向精密移动平台移动装置、203-Y向精密移动平台固定装置、204-Y向精密移动平台移动装置、701-磨抛工具、702-磨抛工具夹紧螺母、703-激光主轴内留光路通道、704-聚焦透镜组、705-激光器中心固定轴承Ⅱ、706-激光器出射端、707-激光器、708-激光主轴保护外壳、709-激光器中心固定轴承Ⅰ、710-激光主轴外壳连接端、711-标准主轴BT40转接锥面、712-转接头拉钉、713-激光头上进气管、714-激光头内部管路、715-激光头下气动连接管、716-气室、717-激光通路、801-龙门支架、802-龙门横梁、901-Z向精密移动导轨、902-Z向主轴移动系统。

具体实施方式

如图所示，激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，包括隔振平台1、XY精密移动平台2、抛光液供给系统3、旋转台4、摆动台5、抛光液收集装置6、激光辅助主轴系统7、龙门支架8和Z向精密移动组件9，所述隔振平台1的上表面中部与XY精密移动平台2连接，隔振平台1的一侧上部与龙门支架8固定连接；所述XY精密移动平台2包括X向精密移动平台固定装置201、X向精密移动平台移动装置202、Y向精密移动平台固定装置203和Y向精密移动平台移动装置204；所述X向精密移动平台移动装置202与X向精密移动平台固定装置201的上部连接；所述Y向精密移动平台移动装置204与Y向精密移动平台固定装置203的上部连接；所述旋转台4包括固定层和转动层，转动层的下部与固定层的上部连接，旋转台4的固定层固定安装在XY精密移动平台2的上部，转动层上部设置有摆动台5的安装孔并通过安装孔与摆动台5的下部连接；所述摆动台5包括固定层和摆动部件，摆动部件的下部与固定层的上部连接，摆动台5的摆动范围为-30°～30°。所述抛光液收集装置6为一个空槽，为抛光液提供储存位置，具有抛光液储存和排除功能，抛光液收集装置6的下部与摆动台5的上部连接，抛光液收集装置6的内底部固定安装工件10。

所述龙门支架8包括两个龙门支架801和龙门横梁802；所述Z向精密移动组件9包括Z向精密移动导轨901和Z向主轴移动系统902；所述龙门横梁802的两侧下部分别与龙门支架801固定连接，龙门横梁802的一侧侧壁中部与Z向精密移动导轨901固定连接；所述Z向主轴移动系统902与Z向精密移动导轨901连接并沿着Z向精密移动导轨901进行上下移动，实现抛光头的自由移动。

所述激光辅助主轴系统7包括磨抛工具701、磨抛工具夹紧螺母702、激光主轴内留光路通道703、聚焦透镜组704、激光器出射端706、激光器中心固定轴承Ⅱ705、激光器707、激光主轴保护外壳708、激光器中心固定轴承Ⅰ709、激光主轴外壳连接端710、标准主轴BT40转接锥面711、转接头拉钉712、激光头上进气管713、激光头内部管路714和激光头下气动连接管715。

所述激光主轴保护外壳708上部通过激光主轴外壳连接端710与标准主轴BT40转接锥面711连接，激光主轴保护外壳708的下部通过磨抛工具夹紧螺母702与磨抛工具701固定连接，激光主轴保护外壳708的内顶部设置有激光头内部管路714，激光主轴保护外壳708的内部安装有纵向布置的激光器707和聚焦透镜组704并且将激光主轴保护外壳708的内部分成三个密闭的腔体，第一个腔体为激光器707的外侧壁与激光主轴保护外壳708内壁之间形成的气室716，第二腔体为激光器707的激光器出射端706与聚焦透镜组704之间形成的激光通路717，第三腔体为聚焦透镜组704与磨抛工具701之间形成的激光主轴内留光路通道703。

气体进入端激光头上进气管713位于整个激光头的正上方，激光主轴保护外壳708是中空的其中包括激光头内部管路714，通过激光头下气动连接管715将气体可以通入到中空的磨抛工具701上端形成中空刀具负压系统。

所述激光器707的上部通过激光器中心固定轴承Ⅰ709与激光主轴保护外壳708连接，激光器707的下部通过激光器中心固定轴承Ⅱ705与激光主轴保护外壳708连接；所述标准主轴BT40转接锥面711的上部通过转接头拉钉712与激光头上进气管713固定连接；所述激光头上进气管713与激光头内部管路714连通；所述激光头下气动连接管715的一端与气室716连通，激光头下气动连接管715的另一端与激光主轴内留光路通道703连通。

所述抛光液供给系统3安装在隔振平台1上，通过抛光液供给系统3的流量泵将抛光液从抛光液供给系统3抽到抛光液收集装置6中，工件10浸抛光液磨抛加工后通过抛光液收集装置6下方的排空槽将抛光液收集到抛光液供给系统3之中。

所述旋转台4的转动角度为0°～360°，转动角度精度为0.01秒。

激光辅助浸抛光液磨抛加工装置的使用方法，使用所述的激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

将待加工工件10浸在丙酮溶液中，超声振动清洗10分钟。用螺栓安装到抛光液收集装置6的底部。

打开抛光液供给系统3，观察抛光液的流出和回收是否正常。打开气源，整体气路单元开始工作，并通过数控系统调节负压的高低，检验磨抛工具701端部处的气体流量与压强，保证气体在出口处的压强是实时可控的，整个气体路径包括气体进入端激光头上进气管713位于整个激光头的正上方；激光主轴的顶部外壳是中空的其中包括激光头内部管路714；通过激光头下气动连接管715将气体可以通入到中空刀具上端。编制程序，是抛光头处的气体一致保持低负压，压力大小和磨抛切深成正相关性，每隔十秒出现一次高负压，利用气体压力将进入到磨抛工具701中的抛光液排除，有利于激光光线的对焦和有利于保护激光器707。

打开已经编制好的程序，打开模拟运行，模拟加工路径，虚拟加工一遍，认真校验运行程序中的错误并修改。

检查无误后，调整机床运动轴，进行对刀，使工件10和磨抛工具701的磨抛头进行接触，打开抛光液供给系统3。

打开激光器707，激光从激光器出射端706中发射出来，调整聚焦透镜组704的位置，将光线进行聚焦，聚焦在工件10的待加工区域内，对工件10表面进行激光辐照达到激光表面改性的目的。

最后，运行程序对工件10表面进行五轴联动的超精密磨抛加工。

Claims (6)

1.激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，其特征是：包括隔振平台(1)、XY精密移动平台(2)、抛光液供给系统(3)、旋转台(4)、摆动台(5)、抛光液收集装置(6)、激光辅助主轴系统(7)、龙门支架(8)和Z向精密移动组件(9)，所述隔振平台(1)的上表面中部与XY精密移动平台(2)连接，隔振平台(1)的一侧上部与龙门支架(8)固定连接；所述XY精密移动平台(2)包括X向精密移动平台固定装置(201)、X向精密移动平台移动装置(202)、Y向精密移动平台固定装置(203)和Y向精密移动平台移动装置(204)；所述X向精密移动平台移动装置(202)与X向精密移动平台固定装置(201)的上部连接；所述Y向精密移动平台移动装置(204)与Y向精密移动平台固定装置(203)的上部连接；所述旋转台(4)固定安装在XY精密移动平台(2)的上部，旋转台(4)的上部与摆动台(5)的下部连接；所述抛光液收集装置(6)的下部与摆动台(5)的上部连接，抛光液收集装置(6)的内底部固定安装工件(10)，抛光液收集装置(6)的下部设置有排空槽；

所述龙门支架(8)包括两个龙门支架(801)和龙门横梁(802)；所述Z向精密移动组件(9)包括Z向精密移动导轨(901)和Z向主轴移动系统(902)；所述龙门横梁(802)的两侧下部分别与龙门支架(801)固定连接，龙门横梁(802)的一侧侧壁中部与Z向精密移动导轨(901)固定连接；所述Z向主轴移动系统(902)与Z向精密移动导轨(901)连接；

所述激光辅助主轴系统(7)包括磨抛工具(701)、磨抛工具夹紧螺母(702)、激光主轴内留光路通道(703)、聚焦透镜组(704)、激光器出射端(706)、激光器中心固定轴承Ⅱ(705)、激光器(707)、激光主轴保护外壳(708)、激光器中心固定轴承Ⅰ(709)、激光主轴外壳连接端(710)、标准主轴BT40转接锥面(711)、转接头拉钉(712)、激光头上进气管(713)、激光头内部管路(714)和激光头下气动连接管(715)；

所述激光主轴保护外壳(708)上部通过激光主轴外壳连接端(710)与标准主轴BT40转接锥面(711)连接，激光主轴保护外壳(708)的下部通过磨抛工具夹紧螺母(702)与磨抛工具(701)固定连接，激光主轴保护外壳(708)的内顶部设置有激光头内部管路(714)，激光主轴保护外壳(708)的内部安装有纵向布置的激光器(707)和聚焦透镜组(704)并且将激光主轴保护外壳(708)的内部分成三个密闭的腔体，第一个腔体为激光器(707)的外侧壁与激光主轴保护外壳(708)内壁之间形成的气室(716)，第二腔体为激光器(707)的激光器出射端(706)与聚焦透镜组(704)之间形成的激光通路(717)，第三腔体为聚焦透镜组(704)与磨抛工具(701)之间形成的激光主轴内留光路通道(703)；

所述激光器(707)的上部通过激光器中心固定轴承Ⅰ(709)与激光主轴保护外壳(708)连接，激光器(707)的下部通过激光器中心固定轴承Ⅱ(705)与激光主轴保护外壳(708)连接；所述标准主轴BT40转接锥面(711)的上部通过转接头拉钉(712)与激光头上进气管(713)固定连接；所述激光头上进气管(713)与激光头内部管路(714)连通；所述激光头下气动连接管(715)的一端与气室(716)连通，激光头下气动连接管(715)的另一端与激光主轴内留光路通道(703)连通；

所述抛光液供给系统(3)安装在隔振平台(1)上，通过抛光液供给系统(3)的流量泵与抛光液收集装置(6)连接，抛光液供给系统(3)的回收管与抛光液收集装置(6)下部的排空槽固定连接。

2.根据权利要求1所述的激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，其特征是：所述旋转台(4)包括固定层和转动层，转动层的下部与固定层的上部连接，转动层上部设置有摆动台(5)的安装孔。

3.根据权利要求1所述的激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，其特征是：所述旋转台(4)的转动角度为0°～360°，转动角度精度为0.01秒。

4.根据权利要求1所述的激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，其特征是：所述摆动台(5)包括固定层和摆动部件，摆动部件的下部与固定层的上部连接。

5.根据权利要求1所述的激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，其特征是：所述摆动台(5)的摆动范围为-30°～30°。

6.激光辅助浸抛光液磨抛加工装置的使用方法，使用如权利要求1所述的激光辅助浸抛光液磨抛加工装置，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、用酒精或者丙酮溶液对待加工工件进行超声波清洗10分钟，烘干后将工件安装在抛光液收集装置(6)的内底部并用螺栓固定；

步骤二、检查抛光液供给系统(3)的供给和回收回路，确认回路畅通

步骤三、打开程序并模拟加工路径，检查运行程序中的错误并修改；

步骤四、调整机床运动轴使X轴、Y轴以及Z轴归零，对刀，使工件(10)和磨抛工具(701)的磨抛头接触，打开抛光液供给系统(3)；

步骤五、设定激光器(707)的激光强度和焦点位置，对工件(10)表面进行激光改性；

步骤六、按照抛光程序对工件(10)进行五轴联动的磨抛加工。

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