CN110076464B - 姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法，其包括：采用第一激光束对工件表面的待加工区域进行铣削处理；采用第二激光束对工件表面经铣削处理后的加工区域进行抛光处理；其中，所述的第一激光束对所述工件进行铣削处理的熔深大于所述第二激光束对所述工件进行抛光处理的熔深。本发明提供的方法通过高速激光铣削与矢量可控激光抛光复合同步加工，实现效率与质量协调的高完整性表面加工；快速整平激光铣削表面特征在不同空间位置呈现不同的结构和性质；进行选区规划，不同区域采用不同的工艺策略，通过调控空间矢量，进行多轴激光抛光加工，实现固定轴或可变轴激光铣削复合精细抛光同步加工应用。

Description

姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法

技术领域

本发明特别涉及一种姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法，属于硬脆性材料或其他先进功能材料加工技术领域。

背景技术

激光具有能量可控、能量密度大、材料适应范围广、不接触、几乎无切削力以及清洁环保等优点，激光加工可有效解决传统加工或其它特种加工难以解决的难加工材料复杂特征微细结构功能化加工难题。激光铣削是利用激光的高频特性实现多脉冲重叠，使作用区产生材料熔化、气化、等离子体态等演化，在XY平面和Z方向均具有高的分辨率，结合精密数控技术和辅助装置，实现三维精密成形。激光铣削在难加工材料(CMC、陶瓷、石墨、硬质合金等)适应性、工具损耗、表面光洁度、尺寸精度以及最小特征尺寸(精细型腔和微流体通道)等方面优越性显著。激光加工已经成为陶瓷等难加工材料复杂型面及微细结构高一致性加工的有效技术。

硬脆性难加工材料在航空航天、空间探测等关键领域具有重大应用价值，在现代科技中的拓展领域应用前景十分广阔。实现硬脆性难加工材料精密功能化成型加工是亟需解决的重要难题。

国内外研究人员对激光辅助加工、复合加工以及激光加工等进行了一系列研究，在机理、工艺规律及初步应用等方面取得了一定进展。通过探究激光加工机理和材料去除机制，优化工艺进行难加工硬脆材料激光铣削，可以改善成型表面质量，孔、槽、平面及复杂规则结构等微细结构加工优越性显著。

目前，功能化结构特征难加工，硬脆性材料加工几何精度和表面完整性难以保证，材料易损伤，加工效率低。该领域存在以下问题：材料硬度高，脆性大，常规机械/超声加工时，刀具磨损严重，存在毛刺，纤维易拔出，加工一致性差，且效率难以提高；激光铣削加工质量较高时，加工效率便难以保证，而实现大材料去除率加工，常以表面质量的损失为代价；在激光束与加工点法向矢量、扫描速度方向等之间的相对姿态变化时，高完整性表面激光加工涉及的显微裂纹、熔渣、重铸层、空间矢量效应以及激光加工持续可控性等关键问题尚不明确。

激光铣削在特定应用工况优越性显著，激光倾斜入射的工艺效果可以优于垂直入射，激光铣削在大深度铣削平面特征、复杂特征侧壁加工以及高曲率曲面加工等典型应用方面尚存在工艺瓶颈。激光光斑对材料去除过程影响显著，近垂直表面加工激光光斑散焦诱发的功率密度降低，进而导致侧面激光加工难度增加。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法，进而克服现有技术的不足。为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法，其于包括：

采用第一激光束对工件表面的待加工区域进行铣削处理；

采用第二激光束对工件表面经铣削处理后的加工区域进行抛光处理；

其中，所述的第一激光束对所述工件进行铣削处理的熔深大于所述第二激光束对所述工件进行抛光处理的熔深。

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法具体包括：采用所述第一激光束在第一时间段内对工件表面的待加工区域进行铣削处理，采用所述第二激光束至少在所述第一时间段内的部分时间段对工件表面经铣削处理后的加工区域进行抛光处理。

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法具体包括：在第一时间段内采用第一激光束对工件表面的至少部分待加工区域进行铣削处理；

在第二时间段内采用第二激光束对工件表面经铣削处理后的加工区域进行抛光处理，所述第二时间段在所述第一时间段之后。

进一步的，所述的方法包括：调节所述第二激光束的光束矢量相对加工区域表面法向的偏移角以调节所述第二激光束对所述工件进行抛光处理的熔深。

进一步的，所述第一激光束的功率大于第二激光束的功率，所述第一激光束和第二激光束在工件加工区域处的功率均大于工件材料的烧蚀阈值。

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法包括：采用固定轴加工方式进行所述的铣削处理，所述第一激光束的光束矢量与待加工区域表面的法向方向平行；或者，采用可变轴加工方式进行所述的铣削处理，所述第一激光束的光束矢量与待加工区域的法向之间的夹角大于0°且小于90°。

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法包括：采用固定轴加工方式进行所述的抛光处理，所述第二激光束的光束矢量与待加工区域的法向方向平行；或者，采用可变轴加工方式进行所述的抛光处理，所述第二激光束的光束矢量与待加工区域的法向之间的夹角大于0°且小于90°。

进一步的，所述第二激光束包括短脉冲激光或超短脉冲激光。

进一步的，所述的工件包括硬脆性难加工材料和难切削材料。

进一步的，所述硬脆性难加工材料和难切削材料包括CMC(陶瓷基复合材料)、陶瓷、石墨、硬质合金等；或者，还可以是其他金属类材料和其他先进功能材料，但不限于此。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明提供的姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法，针对硬脆性等难加工材料，通过高速激光铣削与矢量可控激光抛光复合同步加工，实现效率与质量协调的高完整性表面加工；硬脆性难加工材料具有物理和几何层面的不均质性，快速整平激光铣削表面特征在不同空间位置呈现不同的结构和性质；进行选区规划，不同区域采用不同的工艺策略，通过调控空间矢量，进行多轴激光抛光加工，实现固定轴或可变轴激光铣削复合精细抛光同步加工应用。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法进行平面铣削和抛光的原理结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例中采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法进行平面铣削和抛光的原理结构示意图；

图3是本发明一典型实施案例中采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法进行平面铣削和抛光的原理结构示意图；

图4是本发明一典型实施案例中采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法进行复杂特征侧壁加工部的原理结构示意图；

图5是本发明一典型实施案例中采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法进行高曲率曲面加工的原理结构示意图；

图6-1是本发明实施例1中待加工处理的工件；

图6-2是本发明实施例1中对工件进行加工处理的原理图；

图6-3是本发明实施例1加工形成的工件结构示意图；

图7本发明实施例2中采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工方法在工件上加工局部曲面和平面通槽的原理示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

激光束倾斜入射，能够从几何层面会减小束腰可加工深度，调控优化加工能量域，同时结合激光束倾斜入射引发的空间矢量效应，进一步拓展工艺范围；本发明提供的加工方法先进行高速激光铣削，然后结合矢量调控进行高完整性选区精细激光抛光加工，协调加工效率和加工质量，丰富激光加工理论和技术，促进航空航天、空间探测等领域硬脆性先进功能材料的应用。

图1-图5为一种姿态可控激光铣削复合抛光同步加工方法处理不同工件的原理结构示意图，所述姿态可控激光铣削复合抛光同步加工方法通过五轴联动数控激光机床进行实施，可控激光束1采用固定轴或可变轴铣削模式，可控激光束2采用姿态可调控抛光模式。激光铣削处理与激光抛光处理在空间布局上位置解耦，时间上先铣后抛，且同时与工件有加工作用，实现平面特征(如图1-3)、复杂特征侧壁(如图4)、高曲率曲面(如图5)等典型特征高速大去除与高完整性加工的工艺复合同步加工。

在一些较为具体的实施方案中，一种姿态可控激光铣削复合抛光同步加工方法包括以下步骤和特点：

1)装夹定位工件，使用高功率激光(即前述第一激光束，如图1-5中的激光束1，下同)，控制激光束1的位置和姿态，使其处于加工区域，并与待去除材料发生交互作用，进而加工去除材料，可以通过调控激光束1的频率、功率、扫描速度、扫描方式等工艺参数实现高速大去除加工(即铣削处理)；

2)使用短脉冲/超短脉冲的激光(即前述第二激光束，如图1-5中的激光束2)进行精细抛光加工(即所述抛光处理)，控制激光束2，使其位于激光束1加工后的材料区域辐射范围内的一定位置处，并通过调整控制其位置和姿态，实现材料二次精细去除高完整性加工；

3)激光束1的姿态一般采用固定轴加工模式，即光束垂直于待加工区域，光束矢量与加工位置处的法向保持一致；也可采用可变轴加工模式，即光束矢量与加工位置处的法向呈一定夹角，夹角大小大于0°小于90°；具体工艺以实现高加工质量等为考量依据；同时，采用可变轴加工模式时，光束矢量也可随加工过程的进行联动变化；

4)激光束2的姿态一般为可变轴加工模式，依据工艺经验，光束2倾斜入射抛光加工区域，束腰倾斜后的加工分辨率有提升，在某些工况条件下，有利于改善加工质量；同时，激光束2的光束矢量在加工过程中也可呈现出联动变化特点；或者，激光束2的矢量光束也可与加工位置处的法向保持一致；

5)采用激光束1进行的铣削处理与采用激光束2进行的抛光处理的相互配合，激光束1和激光束2可以同时与工件不同位置处发生作用，且激光束2的作用区域是已经经过激光束1大去除加工后的材料区域(即前述铣削处理后的区域)；或者，先采用激光束1将工件待加工区域全部大去除加工后，形成已加工区域，然后再调控激光束2对已加工区域进行精细高完整性抛光加工；

6)该工艺方法具有光束矢量调控的灵活性、多样性、可控性等特点；不同激光束之间的加工具有时间同步性、空间有先后等特点；或者实际加工时不同光束的加工时间有先后，加工区域空间具有选择性。

实施例1

图6-1为待加工工件，采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工方法在所述的工件上加工一高表面质量的凹槽，如图6-3所示，具体按图6-2所示的方式进行加工。其中激光束1可采用高功率激光，以实现大材料去除率加工为核心目标，弱化热影响、表面加工质量的考虑，快速加工出凹槽初步形状，而激光束2可采用超短脉冲激光，如皮秒、飞秒激光等，进行精细加工。

实施例2

请参阅图7，图7为采用姿态可控激光铣削复合抛光同步加工方法在所述工件上加工局部曲面和平面通槽的原理示意图；其中激光束1可采用高功率激光，以实现大材料去除率加工为核心目标，弱化热影响、表面加工质量的考虑，快速加工出轮廓初步形状(曲面、平面)，针对曲面区域的加工可调控光束与工件相对姿态以实现较好的去除效果；而激光束2可采用超短脉冲激光，如皮秒、飞秒激光等，结合光束与加工点法向间的相对姿态调控，进行高质量精细抛光加工，如可采用五轴联动数控激光机床实现所述的加工方法。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法，其特征在于包括：

采用第一激光束在第一时间段内对工件表面的待加工区域进行铣削处理，采用第二激光束至少在所述第一时间段内的部分时间段对工件表面经铣削处理后的加工区域进行抛光处理；

以及，采用固定轴加工方式进行所述的铣削处理，所述第一激光束的光束矢量与待加工区域表面的法向方向平行；或者，采用可变轴加工方式进行所述的铣削处理，所述第一激光束的光束矢量与待加工区域的法向之间的夹角大于0°且小于90°；采用可变轴加工方式进行所述的抛光处理，所述第二激光束的光束矢量与待加工区域的法向之间的夹角大于0°且小于90°

通过调节所述第二激光束的光束矢量相对加工区域表面法向的偏移角以调节所述第二激光束对所述工件进行抛光处理的熔深，其中，所述的第一激光束对所述工件进行铣削处理的熔深大于所述第二激光束对所述工件进行抛光处理的熔深，所述第一激光束的功率大于第二激光束的功率，所述第一激光束和第二激光束在工件加工区域处的功率均大于工件材料的烧蚀阈值；

其中，所述第一激光束加工出轮廓初步形状；所述第二激光束采用超短脉冲激光，结合光束与加工点法向间的相对姿态调控，进行高质量精细抛光加工；所述工件为陶瓷基复合材料、陶瓷、石墨、硬质合金或金属类材料。

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