CN111347068A - 辅助铣削主轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助铣削主轴装置，其包含主轴座、心轴、刀把、激光源、及光学组件。主轴座具有容置空间及第一通道设于容置空间外。第一通道与冷却气体源连通。心轴设于容置空间中且具有第二通道。刀把与心轴接合。刀把具有第三通道及腔室。第三通道与第一及第二通道连通。腔室位于第三通道外。第三通道具有第一及第二通孔与腔室连通，腔室具有第一与第二出光口。激光源设于主轴座上。激光源经第二通道朝刀把发射激光束。光学组件设于刀把中，且可将激光束分成第一与第二激光束、及使第一与第二激光束分别从第一与第二出光口射出。第一与第二通道可通入气体来冷却心轴，并让心轴内部形成正压，借此避免外部油气渗入主轴座，延长光学组件寿命。

Description

辅助铣削主轴装置

技术领域

本发明是有关于一种加工装置，且特别是有关于一种辅助铣削主轴装置。

背景技术

激光具有可使材料表面快速温升且不影响底材的特性。而激光辅助加工技术是一种常见的精密加工技术，主要应用于模具产业、航太产业、与医疗产业等的难加工材料，例如陶瓷、超合金等难以直接切削的材料。

美国普渡大学提出一种激光加工辅助车削装置。利用此激光加工辅助车削装置加热软化欲加工的材料后，随即利用刀具加工加热软化后的材料，以切削移除部分的加热软化材料。然而，由于激光在材料上所形成的加热区域并未与刀具共点，故此激光加工辅助车削装置仅适用于车削加工装置。

德国DaimlerChrysler AG公司则是在工具机上安装激光加工装置。利用多自由度旋转装置搭配路径规画，借此可让激光追随切削路径，以维持一稳定温度场。激光在加工材料上所形成的加热区域与切削刀具偏移一定值。由于此加工装置的激光加热区域并未与刀具共点，因此容易在曲线路径上造成误加热，而使得非加工范围材料变形，但欲加工的区域却未获得激光加热。故，此装置在实际应用上有几何限制，且易造成即热即冷温差。

德国Jenoptik公司将激光源导入加工主轴，并通过中空型式刀具，可利用激光加工与切削加工方式移除材料。然，中空型式刀具的底部因为没有切刃，因此无法有效加工，而无法进行曲面加工。

另有一些激光辅助切削技术，其利用激光来加热工件，以进行预热。在此技术中，激光点与刀具刀口之间的距离约数μm～数十μm，并搭配冷却系统来辅助刀具有散热。但因其加工方法的激光束与刀具刀口之间的距离过近，严重影响刀具的使用寿命。另，此激光辅助切削装置锁定车削仅限单方向加工路径，无法适用铣削工艺。

发明内容

因此，本发明的一目的就是在提供一种辅助铣削主轴装置，其主轴座内的心轴具有激光束通道，激光束通道除了可提供光路行进空间，更可通入洁净气体来进行心轴的冷却并让心轴内部形成正压，以避免外部油气渗入影响主轴座内部的洁净度，并可延长光学组件的使用寿命。

本发明的另一目的是在提供一种辅助铣削主轴装置，除了其心轴内设有激光束通道外，主轴座的心轴外亦设有冷却气流通道，因此可更有效的冷却主轴座。

根据本发明的上述目的，提出一种辅助铣削主轴装置。此辅助铣削主轴装置包含主轴座、心轴、刀把、激光源、以及光学组件。主轴座具有容置空间、以及第一通道设于容置空间外，其中第一通道与冷却气体源连通。心轴设于容置空间中，其中此心轴具有第二通道沿着心轴的轴向延伸。刀把与心轴接合且突出于主轴座的一端。刀把具有第三通道以及腔室。第三通道沿着轴向延伸且与第一通道及第二通道连通。腔室位于第三通道外，其中第三通道的侧壁具有第一通孔及第二通孔与腔室连通，腔室的底部具有第一光出口与第二出光口。激光源设于主轴座上且与刀把相对，其中激光源配置成经由第二通道朝刀把发射激光束。光学组件设于刀把中，且配置成将激光束分成第一激光束与第二激光束、以及使第一激光束与第二激光束分别从第一出光口与第二出光口射出。

依据本发明的一实施例，上述的光学组件包含分光镜、第一反射镜、第二反射镜、以及第三反射镜。分光镜设于刀把的第三通道中，且配置成将激光束分成第一激光束射向刀把的腔室、以及第二激光束射向刀把的第三通道。第一反射镜设于该腔室中，且配置成将第一激光束反射至第一出光口射出。第二反射镜设于第三通道中，且配置成将第二激光束经由第二通孔射入腔室。第三反射镜设于腔室中，且配置成将第二激光束反射至第二出光孔射出。

依据本发明的另一实施例，上述的分光镜是半透半反光镜。

依据本发明的又一实施例，上述的第二通道与冷却气体源连通。

依据本发明的一实施例，上述的激光源是光纤激光源。

依据本发明的一实施例，上述的心轴的材料为钢材。

与现有技术相比，本发明的辅助铣削主轴装置具有可避免外部油气渗入主轴座，并可延长光学组件寿命的有益效果。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，结合附图说明如下：

图1是绘示依照本发明的一实施方式的一种辅助铣削主轴装置的装置示意图；以及

图2是绘示依照本发明的一实施方式的一种辅助铣削主轴装置的局部放大示意图。

具有体实施方式

有鉴于传统激光辅助加工装置的不足，本发明在此提出一种辅助铣削主轴装置，其将激光源导入主轴装置，以维持同轴设计。并且，通过主轴设计的变更，除心轴内部具有激光束通道外，在心轴外部还另设有冷却气流通道，借此可达到光路导引及内部散热的效果。另外，因应机械加工使用环境的油气问题，可将洁净气流导入心轴内部的激光束通道，以使主轴座内部维持正压，借此可避免外在油气渗入，而避免影响激光束的传输甚至因激光密度过高导致光学组件的镜片受损，借此延长光学组件的使用寿命。

请参照图1与图2，其是分别绘示依照本发明的一实施方式的一种辅助铣削主轴装置的装置示意图与局部放大示意图。辅助铣削主轴装置100可安装于加工机上，来对待加工件进行铣削加工。在一些实施例中，辅助铣削主轴装置100主要可包含主轴座110、心轴120、刀把130、激光源140、以及光学组件150。

如图1所示，主轴座110具有容置空间112以及第一通道114，其中第一通道114设置在容置空间112外。第一通道114可为冷却气体通道。第一通道114可通过管路162与冷却气体源160连通，借此冷却气体源160可利用管路162而将冷却气体输送到第一通道114内，来对心轴120进行冷却。冷却气体源160中所储放的冷却气体可例如为干净的空气。

心轴120设置在主轴座110的容置空间112内。心轴120沿其长度方向具有轴向120a。在一些例子中，心轴120可以其轴向120a为旋转轴而可旋转地安装于容置空间112中。心轴120具有第二通道122。第二通道122沿着心轴120的轴向120a延伸而贯穿心轴120。在一些例子中，心轴120的第二通道122可通过管路164与冷却气体源160连通，借此冷却气体源160亦可利用管路164而将冷却气体输送到第二通道122内，来对心轴120进行冷却。主轴座110的第一通道114亦可沿着心轴120的轴向120a延伸在心轴120的外侧。举例而言，心轴120的材料可为钢材。

刀把130设置在心轴120的一端且与心轴120接合。此外，刀把130突出于主轴座110的一端。刀把130具有第三通道132以及腔室134。刀把130的第三通道132可沿着心轴120的轴向120a延伸，且与心轴120的第二通道122连通。腔室134位于第三通道132外侧。如图2所示，在本实施方式中，刀把130的第三通道132的侧壁132s具有第一通孔132a与第二通孔132b。通过第一通孔132a与第二通孔132b，第三通道132可与腔室134连通。此外，腔室134的底部134u具有第一出光口134a与第二出光口134b。通过第一出光口134a与第二出光口134b，腔室134可与外界连通。

请参照图2，第一通道114的底部可设有开口114a与114b。第一通道114中的冷却气体可从开口114a与114b排出主轴座110。在一些示范例子中，刀把130的第三通道132的侧壁132s可开设穿孔132c与132d。通过第一通道114的开口114a与114b、以及第三通道132的侧壁132s的穿孔132c与132d，第一通道114与第三通道132可连通，借此从第一通道114的开口114a与114b所排出的冷却气体可经由穿孔132c与132d而流入第三通道132，进而从刀把130的第三通道132与腔室134排出。

请再次参照图1与图2，激光源140设置在主轴座110上，且与刀把130相对。激光源140可发射激光束170。在一些示范例子中，激光源140可为光纤激光源。由于心轴120的第二通道122与刀把130的第三通道132连通，因此激光源140所发射的激光束170可经由心轴120的第二通道122而射向刀把130的第三通道132。此外，心轴120的第二通道122亦与冷却气体源160连通，冷却气体源160所供应的冷却气体可流入第二通道122与刀把的第三通道132，不仅可冷却心轴120，并可使心轴120与刀把130内部形成正压，避免加工环境的油气渗入心轴120与刀把130内。因此，心轴120的第二通道122与刀把的第三通道132除了是激光束170的光路通道，也是冷却气体通道。

光学组件150设于刀把130中，且可将激光源140射向刀把130的激光束170分成第一激光束172与第二激光束174，并可使第一激光束172与第二激光束174分别从刀把130的腔室134的第一出光口134a与第二出光口134b射出，而形成同轴双激光束。在一些例子中，如图1所示，光学组件150包含分光镜152、第一反射镜154、第二反射镜156、以及第三反射镜158。分光镜152可沿着心轴120的轴向120a而设置在设于刀把130的第三通道132中，第一反射镜154设于刀把130的腔室134中且位于分光镜152的一侧，第二反射镜156亦设于第三通道132中且可位于分光镜152的下方，第三反射镜158则设于腔室134中且位于分光镜152的另一侧，即第一反射镜154与第三反射镜158分别位于分光镜152的相对二侧。在一些示范例子中，分光镜152为半透半反光镜。在本实施方式中，第三通道132的第一通孔132a与第二通孔132b、以及腔室134的第一出光口134a与第二出光口134b的位置是分别对应分光镜152与第一反射镜154的位置、第二反射镜156与第三反射镜158的位置、第一反射镜154的位置、以及第三反射镜158的位置设计。

请再次参照图1与图2，当激光源140所产生的激光束170射向分光镜152时，分光镜152可将激光束170分光成二道激光束，分光镜152并将其中的第一激光束172经由第三通道132的侧壁132s的第一通孔132a射向刀把130的腔室134中的第一反射镜154，以及将第二激光束174射向刀把130的第三通道132中的第二反射镜156。在分光镜152为半透半反光镜时，分光镜152将一部分的激光束170反射而形成第一激光束172，另一部分的激光束170则通过分光镜152而成为第二激光束174。第一反射镜154可将第一激光束172进一步反射至腔室134的底部134u的第一出光口134a而射出。第二反射镜156可将第二激光束174经由第三通道132的侧壁132s的第二通孔132b而射入腔室134中的第三反射镜158。第三反射镜158可将第二激光束174进一步反射至腔室134的底部134u的第二出光孔134b而射出。

利用激光源140将激光束170由中空的主轴座110后端导入，通过光学组件150的分光而形成双激光束，并将激光束导引而聚焦在待加工的工件的预热区，借此先行快速软化工件材料，以降低切削力。此外，中空的主轴座110可同时具有激光束导引通道及内部镜片冷却散热气流通道，借此可达到辅助铣削工艺的进行并避免心轴120及光学组件150温升。再者，主轴座110内部的第一通道114与第二通道122可通入洁净气体，而在主轴座110内部形成正压环境，而可阻绝外部环境的油气渗入主轴座110内进而可避免光学组件150的镜片遭到污染，因此可适用于机械加工的油气环境。此外，利用光学组件150设计光路而达到双光束照射于待加工件的加工区的两侧，借此可使加工区达到均匀温度场分布。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (5)

1.一种辅助铣削主轴装置，其特征在于，所述辅助铣削主轴装置包含：

主轴座，具有容置空间以及第一通道，所述第一通道设于所述容置空间外，其中所述第一通道与冷却气体源连通；

心轴，设于所述容置空间中，其中所述心轴具有第二通道沿着所述心轴的轴向延伸；

刀把，与所述心轴接合且突出于所述主轴座的一端，其中所述刀把具有：

第三通道，沿着所述轴向延伸且与所述第一通道及所述第二通道连通；以及

腔室，位于所述第三通道外，其中所述第三通道的侧壁具有第一通孔及第二通孔与所述腔室连通，所述腔室的底部具有第一光出口与第二出光口；

激光源，设于所述主轴座上且与所述刀把相对，其中所述激光源配置成经由所述第二通道朝所述刀把发射激光束；以及

光学组件，设于所述刀把中，且配置成将所述激光束分成第一激光束与第二激光束、以及使所述第一激光束与所述第二激光束分别从所述第一出光口与所述第二出光口射出。

2.如权利要求1所述的辅助铣削主轴装置，其特征在于，所述光学组件包含：

分光镜，设于所述刀把的所述第三通道中，且配置成将所述激光束分成所述第一激光束射向所述刀把的所述腔室、以及所述第二激光束射向所述刀把的所述第三通道；

第一反射镜，设于所述腔室中，且配置成将所述第一激光反射至所述第一出光口射出；

第二反射镜，设于所述第三通道中，且配置成将所述第二激光束经由所述第二通孔射入所述腔室；以及

第三反射镜，设于所述腔室中，且配置成将所述第二激光束反射至所述第二出光孔射出。

3.如权利要求2所述的辅助铣削主轴装置，其特征在于，所述分光镜是半透半反光镜。

4.如权利要求1所述的辅助铣削主轴装置，其特征在于，所述第二通道与所述冷却气体源连通。

5.如权利要求1所述的辅助铣削主轴装置，其特征在于，所述激光源是光纤激光源。

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