CN109746813A - 一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法属于复合抛光加工技术领域。本发明提出的五轴联动激光磁流变复合抛光是一种新颖的加工方法，结合了磁流变抛光和激光表面改性的优势，除了两者的优势结合之外，另外产生了积极的作用，进而达到减少表面裂纹和亚表面损伤，减小磁流变液体团聚效应，提高加工质量和加工效率的目的。此时中心激光辐照的作用不仅可以到达加工死区软化零件表面，降低切削抗力，减少刀具损伤等光‑固作用之外，激光有消除磁流变液体中的基载液、磁性微粒、稳定剂和加工之后的材料残渣和碎屑之间的团聚效应的作用，使磁性微粒更加离散的对待加工表面进行加工，进而增加加工效率，达到更好的表面加工质量。

Description

一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法

技术领域

本发明属于复合抛光加工技术领域，特别是涉及到一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法。

背景技术

作为超精密制造中的关键环节,抛光工艺可以提高制造工件几个数量级的精度,保证了工业设计的要求,对航天、军工等精密设备工业的快速发展提供了保障,具有重大深远的意义。零件形状结构要求越来越复杂、对表面粗糙度和面型精度要求逐年增高，针对具有高强度、高硬度、耐高温和耐磨损等特性的现代零件需要抛光完成最后一步的精密加工工序。

磁流变抛光是一种利用磁流变液在外加磁场作用产生流变效应来实现对工件的非接触加工的先进光学加工技术。进行抛光之前，将基载液、磁性微粒和稳定剂按照一定的配比，配置成磁流变抛光悬浊液，形成一种新兴智能材料，它的出现为磁流变抛光技术提供了可能。将磁流变抛光液经流量泵喷入到抛光头和待抛光工件之间，磁流变抛光液流经抛光头和工件之间的缝隙时，磁流变抛光液会在磁场的作用下发生明显的变化，形成特定形状的“柔性抛光膜”。因此它具有可去除亚表面损伤、工件表面加工质量高、加工应力小、可加工复杂表面、可定量抛光、容易实现计算机控制等优点，但是抛光液加磁会引起磁流变液团聚现象加剧，所以需要一种技术解决这个技术难题。

激光表面改性技术是解决加工硬脆材料的有效手段之一。在激光辅助作用下，抛光加工材料时因材料的去除率变小，能够充分地发挥抛光头的微切削作用，大大的降低了切削力，减小了抛光磨损，增加了抛光头使用时间，降低了加工振动现象。具有最终改善零件表面加工质量、增加零件加工精度、提高加工效率、降低工件的制造成本等优势。

目前对于激光辅助的磁流变抛光方法来解决硬脆材料表面的高效抛光问题的报道鲜有提出。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：提供一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法用来解决针对硬脆材料普通抛光过程中产生的表面裂纹和亚表面损伤严重的技术问题。

一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置，包括隔振平台、X轴方向导轨、旋转台、磁流变液体接收槽、中空抛光头、激光磁流变主轴、龙门支架、光纤激光器、Z向导轨、磁流变主轴安装件、摆动台和液体回收槽，所述隔振平台的上表面中部与X轴方向导轨连接，隔振平台的一侧上部与龙门支架固定连接；所述X轴方向导轨的上部与旋转台连接；所述旋转台的下部与X轴方向导轨的上部连接，旋转台绕其中心转动；所述摆动台与旋转台通过螺栓连接，摆动台与工件通过螺栓连接固定；所述磁流变液体接收槽的内底部通过工件转接板与工件固定连接；所述龙门支架的上部设置有龙门横梁Y向导轨；所述龙门横梁Y向导轨的上部固定连接有光纤激光器；所述Z向导轨的一侧与龙门横梁Y向导轨的侧壁固定连接，Z向导轨的另一侧与磁流变主轴安装件固定连接；所述磁流变主轴安装件的中部设置有通孔，磁流变主轴安装件通过通孔与激光磁流变主轴的主轴连接端连接；

所述激光磁流变主轴包括光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ、抛光头固定螺母、正极电磁铁、主轴外壳、主轴连接端、主轴安装头、主轴拉钉、光纤、磁流变液导流管、光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ、负极电磁铁和磁流变液中空通道；所述主轴外壳的内部中心设置有自上而下贯穿的磁流变液中空通道，主轴外壳的内部固定安装有正极电磁铁和负极电磁铁，并且正极电磁铁和负极电磁铁以磁流变液中空通道为对称轴对称分布，主轴外壳的上部通过主轴连接端与主轴安装头固定连接，主轴外壳的下部通过抛光头固定螺母与中空抛光头固定连接；所述主轴安装头的上部通过主轴拉钉与磁流变液导流管固定连接；所述磁流变液中空通道的内部设置有光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ和光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ；

所述光纤依次贯穿磁流变液导流管、主轴拉钉、主轴安装头、主轴连接端、光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ以及光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ，光纤的一端与光纤激光器固定连接，光纤的另一端与中空抛光头连接；

所述液体回收槽的一端通过导管与磁流变液导流管连接，液体回收槽的另一端通过导管与磁流变液体接收槽连接。

所述旋转台的转动角度为0°～360°，转动角度精度为0.01秒。

一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置的使用方法，使用所述的一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置，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磁流变液体接收槽中间的工件转接板上；

步骤二、分别调整旋转台和摆动台，使X轴、Y轴以及Z轴归零；

步骤三、设定光纤激光器的激光强度和焦点位置；

步骤四、检查磁流变液体的供给和回收回路以及磁流变电磁铁的控制部件，确认回路畅通，控制部件启动正常；

步骤五、导入校验程序，将光纤608通过中空抛光头5的中心孔，用扳手将抛光头固定螺母602旋转固定中空抛光头5，将校验程序空走一遍，确认抛光程序无误，对刀，准备加工；

步骤六、启动磁流变供给系统和光纤激光器8；

步骤七、按照抛光程序对工件进行加工，完成预定模型的加工。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明提出的五轴联动激光磁流变复合抛光是一种新颖的加工方法，结合了磁流变抛光和激光表面改性的优势，除了两者的优势结合之外，另外产生了积极的作用，进而达到减少表面裂纹和亚表面损伤，减小磁流变液体团聚效应，提高加工质量和加工效率的目的。此时中心激光辐照的作用不仅可以到达加工死区软化零件表面，降低切削抗力，减少刀具损伤等光-固作用之外，激光有消除磁流变液体中的基载液、磁性微粒、稳定剂和加工之后的材料残渣和碎屑之间的团聚效应的作用，使磁性微粒更加离散的对待加工表面进行加工，进而增加加工效率，达到更好的表面加工质量。

本发明中的磁流变辅助抛光技术在光学零件和精密金属件抛光中应用广泛；激光辐照技术辅助传统车削、钻削、刨削和铣削等加工过程中均取得了有益效果，克服以往激光辐照不能到达加工死区的劣势。

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为本发明一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法中抛光加工装置的轴测图。

图2为本发明一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法中主轴头半剖正等轴测图。

图3为本发明一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置及其使用方法中抛光加工装置的原理图。

图中，1-隔振平台、2-X轴方向导轨、3-旋转台、4-磁流变液体接收槽、5-中空抛光头、6-激光磁流变主轴、7-龙门支架、8-光纤激光器、9-Z向导轨、10-磁流变主轴安装件、11-摆动台、12-液体回收槽、13-工件、601-光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ、602-抛光头固定螺母、603-正极电磁铁、604-主轴外壳、605-主轴连接端、606-主轴安装头、607-主轴拉钉、608-光纤、609-磁流变液导流管、610-光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ、611-负极电磁铁、612-磁流变液中空通道、701-龙门横梁Y向导轨。

具体实施方式

如图所示，一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置，包括隔振平台1、X轴方向导轨2、旋转台3、磁流变液体接收槽4、中空抛光头5、激光磁流变主轴6、龙门支架7、光纤激光器8、Z向导轨9、磁流变主轴安装件10、摆动台11和液体回收槽12，所述隔振平台1具有1000mm*800mm大小的隔振平台面积，负责承载整体装置重量，并隔离地面对五轴联动激光磁流变复合抛光超精密加工过程的影响。隔振平台1的上表面中部与X轴方向导轨2连接，隔振平台1的一侧上部与龙门支架7固定连接；所述X轴方向导轨2的上部与旋转台3连接，X轴方向导轨2，承载着转台、滑台和工件安装台，沿着X轴方向进行移动。所述旋转台3的下部与X轴方向导轨2的上部连接，旋转台3绕其中心转动，具有反馈系统，可以实现0°～360°的任意角度转动，转动角度精度为0.01秒。所述摆动台11与旋转台3通过螺栓连接，摆动台11与工件13通过螺栓固定连接，为整个工件13提供多一个轴的动力，在加工非圆透镜和复杂曲面过程中有很重要的作用。

所述龙门支架7利用龙门的高度，给Z向导轨9和激光磁流变主轴6提供安装高度和运行空间，龙门支架7的上部设置有龙门横梁Y向导轨701，龙门横梁Y向导轨701与龙门支架7的横梁水平布置，为整个激光磁流变主轴6提供沿Y轴运动的动力来源，龙门横梁Y向导轨701的上部固定连接有光纤激光器8；所述光纤激光器8，为整个激光辐照提供激光来源，负责输出激光导入激光光纤，伸入到激光磁流变主轴6之中。所述Z向导轨9的一侧与龙门横梁Y向导轨701的侧壁固定连接，Z向导轨9的另一侧与磁流变主轴安装件10固定连接，Z向导轨9为激光磁流变主轴6提供导轨供其沿垂直方向运动能量。所述磁流变主轴安装件10的中部设置有通孔，磁流变主轴安装件10通过通孔与激光磁流变主轴6的主轴连接端605连接，为激光磁流变主轴6提供旋转动力，并将激光磁流变主轴6安装在其上。

X轴方向导轨2、龙门横梁Y向导轨701、Z向导轨9、旋转台3以及摆动台11组成五轴联动平台的五个运动轴。

所述激光磁流变主轴6是本发明的核心和主要创新的部分，主要作用是将磁流变液体导入到待加工区域，使激光导入到加工区域的正中心，克服了激光不能进入加工死区的难题。激光磁流变主轴6包括光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ601、抛光头固定螺母602、正极电磁铁603、主轴外壳604、主轴连接端605、主轴安装头606、主轴拉钉607、光纤608、磁流变液导流管609、光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ610、负极电磁铁611和磁流变液中空通道612；所述主轴外壳604的内部中心设置有自上而下贯穿的磁流变液中空通道612，主轴外壳604的内部固定安装有正极电磁铁603和负极电磁铁611，并且正极电磁铁603和负极电磁铁611以磁流变液中空通道612为对称轴对称分布，主轴外壳604的上部通过主轴连接端605与主轴安装头606固定连接，主轴外壳604的下部通过抛光头固定螺母602与中空抛光头5固定连接；所述主轴安装头606的上部通过主轴拉钉607与磁流变液导流管609固定连接；所述磁流变液中空通道612的内部设置有光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ601和光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ610；

所述光纤608依次贯穿磁流变液导流管609、主轴拉钉607、主轴安装头606、主轴连接端605、光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ601以及光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ610，光纤608的一端与光纤激光器8固定连接，光纤608的另一端与中空抛光头5连接；所述中空抛光头5的刀柄为圆柱形，加工位置为球头的抛光头，从刀柄到抛光头都是中空的，使激光光纤608和磁流变液体可以通过达到工件13表面上。本发明例中选用的为球头抛光头，但是本发明方法适用于任意形状和材质的中空抛光头。

所述磁流变液体接收槽4的内底部通过工件转接板与工件13固定连接，液体回收槽12中的磁流变液体从激光磁流变主轴6的内孔经中空抛光头5的中心通孔喷射到工件13上，残留的磁流变液体流到磁流变液体接收槽4之中，最后通过导管返回到液体回收槽12中。

一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置的使用方法，使用所述的一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、对待加工工件13进行处理。用酒精或者丙酮溶液对待测工件13进行超声波清洗10分钟，烘干处理，将工件13安装在磁流变液体接收槽4中间的工件转接板上，等待加工。

步骤二、调整机床五个运动轴的位置和姿态。调整X轴方向导轨2、龙门横梁Y向导轨701、Z向导轨9、旋转台3和摆动台11的位置，进行归零处理，所有轴回到初始位置。

步骤三、对光纤激光器8进行安全检查和工作状态校验。检查光纤激光器8的安全情况，确保在加工过程中不能照射到有人的地方，并做好防护措施；调整激光的工作状态可以用工件13对激光强度和焦点位置，使其达到工作状态所需状态。

步骤四、检查磁流变液体结构槽4的供给和回收状态，检查正极电磁铁603和负极电磁铁611的控制部件，确认其安全，可以正常工作。

步骤五、校验抛光程序导入是否正确。安装中空抛光头5，将光纤608通过中空抛光头5的中心孔，用扳手将抛光头固定螺母602旋转固定中空抛光头5，检验程序进行空走一遍，检查无误，对刀，准备加工。

步骤六、打开磁流变供给系统，开启激光头内部正极电磁铁603和负极电磁铁611的控制开关，使普通抛光液在磁场的辅助下变为磁流变液，激光辐照系统。

步骤七、按照程序进行加工，完成预定模型加工方案。

Claims (3)

1.一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置，其特征是：包括隔振平台(1)、X轴方向导轨(2)、旋转台(3)、磁流变液体接收槽(4)、中空抛光头(5)、激光磁流变主轴(6)、龙门支架(7)、光纤激光器(8)、Z向导轨(9)、磁流变主轴安装件(10)、摆动台(11)和液体回收槽(12)，所述隔振平台(1)的上表面中部与X轴方向导轨(2)连接，隔振平台(1)的一侧上部与龙门支架(7)固定连接；所述X轴方向导轨(2)的上部与旋转台(3)连接；所述旋转台(3)的下部与X轴方向导轨(2)的上部连接，旋转台(3)绕其中心转动；所述摆动台(11)与旋转台(3)通过螺栓连接，摆动台(11)与工件通过螺栓连接固定；所述磁流变液体接收槽(4)的内底部通过工件转接板与工件固定连接；所述龙门支架(7)的上部设置有龙门横梁Y向导轨(701)；所述龙门横梁Y向导轨(701)的上部固定连接有光纤激光器(8)；所述Z向导轨(9)的一侧与龙门横梁Y向导轨(701)的侧壁固定连接，Z向导轨(9)的另一侧与磁流变主轴安装件(10)固定连接；所述磁流变主轴安装件(10)的中部设置有通孔，磁流变主轴安装件(10)通过通孔与激光磁流变主轴(6)的主轴连接端(605)连接；

所述激光磁流变主轴(6)包括光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ(601)、抛光头固定螺母(602)、正极电磁铁(603)、主轴外壳(604)、主轴连接端(605)、主轴安装头(606)、主轴拉钉(607)、光纤(608)、磁流变液导流管(609)、光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ(610)、负极电磁铁(611)和磁流变液中空通道(612)；所述主轴外壳(604)的内部中心设置有自上而下贯穿的磁流变液中空通道(612)，主轴外壳(604)的内部固定安装有正极电磁铁(603)和负极电磁铁(611)，并且正极电磁铁(603)和负极电磁铁(611)以磁流变液中空通道(612)为对称轴对称分布，主轴外壳(604)的上部通过主轴连接端(605)与主轴安装头(606)固定连接，主轴外壳(604)的下部通过抛光头固定螺母(602)与中空抛光头(5)固定连接；所述主轴安装头(606)的上部通过主轴拉钉(607)与磁流变液导流管(609)固定连接；所述磁流变液中空通道(612)的内部设置有光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ(601)和光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ(610)；

所述光纤(608)依次贯穿磁流变液导流管(609)、主轴拉钉(607)、主轴安装头(606)、主轴连接端(605)、光纤固定磁悬浮轴承Ⅰ(601)以及光纤固定磁悬浮轴承Ⅱ(610)，光纤(608)的一端与光纤激光器(8)固定连接，光纤(608)的另一端与中空抛光头(5)连接；

所述液体回收槽(12)的一端通过导管与磁流变液导流管(609)连接，液体回收槽(12)的另一端通过导管与磁流变液体接收槽(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置，其特征是：所述旋转台(3)的转动角度为0°～360°，转动角度精度为0.01秒。

3.一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置的使用方法，使用如权利要求1所述的一种五轴联动激光磁流变复合抛光加工装置，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磁流变液体接收槽(4)中间的工件转接板上；

步骤二、分别调整旋转台(3)和摆动台(11)，使X轴、Y轴以及Z轴归零；

步骤三、设定光纤激光器(8)的激光强度和焦点位置；

步骤四、检查磁流变液体的供给和回收回路以及磁流变电磁铁的控制部件，确认回路畅通，控制部件启动正常；

步骤五、导入校验程序，将光纤(608)通过中空抛光头(5)的中心孔，用扳手将抛光头固定螺母(602)旋转固定中空抛光头(5)，将校验程序空走一遍，确认抛光程序无误，对刀，准备加工；

步骤六、启动磁流变供给系统和光纤激光器(8)；

步骤七、按照抛光程序对工件进行加工，完成预定模型的加工。