CN111360657A - 一种激光砂带磨削复合加工设备及加工方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种激光砂带磨削复合加工设备及加工方法。该复合加工设备包括床身、激光刻蚀装置、砂带磨削装置、工作平台、激光集尘装置和控制显示装置。所述床身包括底部支座和容置柜体。所述工作平台上表面设置有用于装夹工件的装夹装置。所述激光刻蚀装置沿竖直方向直线运动。所述砂带磨削装置沿竖直方向直线运动。所述激光集尘装置用于吸附激光刻蚀装置加工过程中产生的粉尘。所述控制显示装置包括输入装置、存储器、控制器和显示屏。加工方法包括提供待处理器件、抛磨和激光刻蚀等步骤。该设备结构简单，工件拆装方便，工件无需多次装夹定位。可利用输入装置和显示装置调整设备状态，提高了工件加工的效率。

Description

一种激光砂带磨削复合加工设备及加工方法

技术领域

本发明涉及材料表面加工领域，特别涉及一种激光砂带磨削复合加工设备及加工方法。

背景技术

随着社会科学技术的和人们生活水平的不断提高，对制造业提出了更高的要求。在保证各种装置及其零部件满足生产和使用条件的同时，其服役性能也逐渐成为人们关注的重点。装置及其零部件的服役性能除了与它本身的设计和制造有关外，还与其表面完整性和表面结构有着密不可分的关系。如在流体中运动装置，火箭、飞机、风力涡轮机、轮船等，其升阻比的提高对于降低能源消耗、提高服役性能具有重要的影响，实验支持的理论计算表明仿生结构能减少10％-15％的阻力；且其关键零部件如叶片、螺旋桨等，在提高表面完整性后，使用寿命也有极大的提高。因此，如何加工出表面具备特定的微纳结构同时具备高表面完整性的零部件，逐渐成为人们研究的热点。

在表面特定的微纳结构加工方面，激光刻蚀具有无可比拟的优势。激光加工具有高精度、高质量、高分辨率，可进行各种尺寸材料的微纳加工且不对材料造成损伤。但也由于其超快和无损加工的特点，对于零部件的表面完整性影响较小，且其效率较低。

砂带磨削技术凭借其柔性磨削、冷态磨削、高效磨削等诸多特性正作为一种“万能”加工工艺被广泛应用于各种表面加工中。能实现对工件表面完整性的显著提高，加工效率高，同时能够得到较好的型面精度。但由于其表面磨粒分布和大小的随机性，极大阻碍了其加工具有特定微纳结构的表面。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光砂带磨削复合加工设备及加工方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种激光砂带磨削复合加工设备，包括床身、激光刻蚀装置、砂带磨削装置、工作平台、激光集尘装置和控制显示装置。

所述床身包括底部支座和容置柜体。所述底部支座上表面为安装平面。所述安装平面上安装有第一大理石立柱、第二大理石立柱和工作平台。所述容置柜体整体为下端敞口且内中空的矩形柜体。所述容置柜体遮罩在安装平面上方。所述容置柜体相对的两侧侧壁上开设有加工观察孔。

所述工作平台上表面设置有用于装夹工件的装夹装置。所述工作平台下表面通过定位装置安装在安装平面上。所述定位装置包括x轴方向的直线丝杆导轨及y轴方向的直线丝杆导轨。

所述激光刻蚀装置通过丝杆螺母安装在第一大理石立柱上。步进电机驱动丝杆螺母，进而带动激光刻蚀装置沿竖直方向直线运动。

所述砂带磨削装置通过丝杆螺母安装在第二大理石立柱上。步进电机驱动丝杆螺母，进而带动砂带磨削装置沿竖直方向直线运动。

所述激光集尘装置用于吸附激光刻蚀装置加工过程中产生的粉尘。

所述控制显示装置包括输入装置、存储器、控制器和显示屏。所述输入装置包括急停按钮、键盘和鼠标。所述键盘和鼠标用于发送操作命令或输入加工代码。控制器读取存储器中事先编写好或由输入装置输入的加工代码后，驱动激光刻蚀装置、砂带磨削装置和工作平台对工件进行加工。

进一步，所述容置柜体的侧壁上还设置有折叠式透明玻璃门。

进一步，所述激光刻蚀装置的激光发生器组件采用二氧化碳激光器。

进一步，砂带磨削装置的砂带磨头采用三轴驱动磨头。

进一步，所述激光刻蚀装置的配套制冷系统采用激光水冷装置。所述激光水冷装置底部连接有若干万向轮。所述激光水冷装置的侧壁上装有不锈钢扶手。所述激光水冷装置具有状态指示灯。所述状态指示灯用于显示激光水冷装置工作状态。

本发明还公开一种采用上述加工设备的加工方法，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置固定在工作平台上。

2)控制显示装置控制工作平台水平移动，将待加工工件调整至预设工作区域。

3)启动激光刻蚀装置和砂带磨削装置。控制显示装置控制步进电机，进而调整工作平台的水平位置。控制显示装置控制直线丝杆导轨，进而调整激光刻蚀装置激光束的聚焦点以及砂带磨削装置磨头的竖直位置。

4)激光束的聚焦点将待加工工件所需去除材料刻蚀，磨头将待加工工件所需去除材料磨削，未去除部分成型为所需形状。所述激光集尘装置处理加工过程中产生的有害气体及灰尘。

本发明还公开一种采用上述加工设备的微型表面结构加工方法，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置固定在工作平台上。

2)砂带磨削装置对待加工工件进行表面抛磨。

3)激光刻蚀装置对经过表面抛磨的待加工工件进行激光刻蚀，得到具有预设图案的成品器件。

本发明还公开一种采用上述加工设备的微型表面结构加工方法，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置固定在工作平台上。

2)激光刻蚀装置对待加工工件进行激光刻蚀。

3)砂带磨削装置对经过激光刻蚀的待加工工件进行表面抛磨，得到具有预设图案的成品器件。

进一步，所述表面抛磨为多角度表面抛磨。

进一步，待加工工件进行表面抛磨具体包括以下步骤：

对所述待处理器件进行表面的粗磨。

对经过粗磨的待处理器件进行表面的精磨。

对经过精磨的待处理器件进行表面的抛光。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.可结合所述砂带磨削装置加工效率高、工件表面完整性好及所述激光刻蚀装置可加工微纳结构表面的优点，实现高表面完整性微纳结构的高效加工；

B.结构简单，工件拆装方便，工件无需多次装夹定位；

C.可利用输入装置和显示装置调整设备状态，提高了工件加工的效率。

附图说明

图1为复合加工设备结构示意图；

图2为激光刻蚀装置和砂带磨削装置安装示意图；

图3为工件加工示意图；

图4为多角度抛磨过程示意图。

图中：床身1、底部支座101、安装平面1011、容置柜体102、激光刻蚀装置2、砂带磨削装置3、工作平台4、装夹装置401、激光水冷装置5、万向轮501、不锈钢扶手502、激光集尘装置6、控制显示装置7。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

激光刻蚀能实现微纳结构加工，砂带磨削可以有效提高工件的表面完整性，因此本实施例互补两种工艺，以期在零部件表面形成具有高表面完整性特征的微纳结构。

参见图1和图2，本实施例公开一种激光砂带磨削复合加工设备，包括床身1、激光刻蚀装置2、砂带磨削装置3、工作平台4、激光集尘装置6和控制显示装置7。

所述床身1包括底部支座101和容置柜体102。所述底部支座101上表面为安装平面1011。所述底部支座101的安装精度和抗振动能力较高。所述安装平面1011有较高的平面度。所述安装平面1011上安装有第一大理石立柱、第二大理石立柱和工作平台4。所述容置柜体102整体为下端敞口且内中空的矩形柜体。所述容置柜体102遮罩在安装平面1011上方。所述容置柜体102相对的两侧侧壁上开设有加工观察孔。所述容置柜体102的侧壁上还设置有折叠式透明玻璃门。所述折叠式透明玻璃门用于加工时观察加工状态及安全防护。

所述工作平台4上表面设置有用于装夹工件的装夹装置401。所述工作平台4下表面通过定位装置安装在安装平面1011上。所述定位装置包括x轴方向的直线丝杆导轨及y轴方向的直线丝杆导轨。通过定位装置可以让工件在加工时实现平面内的自由运动，将工件固定在相对于激光刻蚀装置2或砂带磨削装置3的预设位置。

所述激光刻蚀装置2通过丝杆螺母安装在第一大理石立柱上。步进电机驱动丝杆螺母，进而带动激光刻蚀装置2沿竖直方向直线运动，实现激光加工头的精确升降。所述激光刻蚀装置2的激光发生器组件采用二氧化碳激光器。所述激光刻蚀装置用于对工件进行激光刻蚀加工，以形成工件的表面微纳结构。所述第一、第二大理石立柱上设置有激光装置固定板。所述激光刻蚀装置的组成包括激光发生器组件、扩束镜组件、整形镜组件、光阑调整组件、反射镜组件、振镜及激光头。所述激光刻蚀装置各组成部分均设置在所述激光装置固定板上。激光刻蚀装置2通过聚焦透镜将激光聚焦在待处理器件上形成局部瞬时高温，工件表面受高温气化后被上述激光集尘装置6吸走并净化。上述激光刻蚀装置2可以通过改变激光输出额定功率的时间、光束直径、激光功率及激光频率等参数来达到对上述待处理器件的表面进行微纳结构加工的目的。

所述砂带磨削装置3通过丝杆螺母安装在第二大理石立柱上。步进电机驱动丝杆螺母，进而带动砂带磨削装置3沿竖直方向直线运动。砂带磨削装置3的砂带磨头采用三轴驱动磨头。所述砂带磨削装置用于对工件表面进行抛磨加工，所述抛磨加工由所述砂带磨削装置中的三轴驱动磨头实现。所述三轴驱动磨头特征在于，加工速度快、加工后工件表面完整性好。砂带磨削技术所用的砂带包括金刚石砂带、聚酯薄膜研磨砂带及金字塔形砂带，可根据实际应用中对上述待处理器件不同的表面完整性要求选择不同的砂带。可通过改变磨削线速度、工件进给运动速度、磨削深度等参数对工件进行磨削。本具体实施方式中将表面抛磨的方式限定为砂带磨削，砂带磨削能够有效的去除工件表面的粗糙不平的结构，并且磨削效率高、能耗低、磨削表面不易烧伤，表面冷硬程度和残余应力相较其他磨削方式也更小，能得到表面完整性更好的成品器件。

所述激光集尘装置6用于吸附激光刻蚀装置2加工过程中产生的粉尘。

参见图3和图4，所述控制显示装置7包括输入装置、存储器、控制器和显示屏。所述输入装置包括急停按钮、键盘和鼠标。所述键盘和鼠标用于发送操作命令或输入加工代码。控制器读取存储器中事先编写好或由输入装置输入的加工代码后，驱动激光刻蚀装置2、砂带磨削装置3和工作平台4对工件进行加工。

实施例2：

本实施例公开一种基础的激光砂带磨削复合加工设备，包括床身1、激光刻蚀装置2、砂带磨削装置3、工作平台4、激光集尘装置6和控制显示装置7。

所述床身1包括底部支座101和容置柜体102。所述底部支座101上表面为安装平面1011。所述底部支座101的安装精度和抗振动能力较高。所述安装平面1011有较高的平面度。所述安装平面1011上安装有第一大理石立柱、第二大理石立柱和工作平台4。所述容置柜体102整体为下端敞口且内中空的矩形柜体。所述容置柜体102遮罩在安装平面1011上方。所述容置柜体102相对的两侧侧壁上开设有加工观察孔。

所述工作平台4上表面设置有用于装夹工件的装夹装置401。所述工作平台4下表面通过定位装置安装在安装平面1011上。所述定位装置包括x轴方向的直线丝杆导轨及y轴方向的直线丝杆导轨。通过定位装置可以让工件在加工时实现平面内的自由运动，将工件固定在相对于激光刻蚀装置2或砂带磨削装置3的预设位置。

所述激光刻蚀装置2通过丝杆螺母安装在第一大理石立柱上。步进电机驱动丝杆螺母，进而带动激光刻蚀装置2沿竖直方向直线运动，实现激光加工头的精确升降。

所述砂带磨削装置3通过丝杆螺母安装在第二大理石立柱上。步进电机驱动丝杆螺母，进而带动砂带磨削装置3沿竖直方向直线运动。

所述激光集尘装置6用于吸附激光刻蚀装置2加工过程中产生的粉尘。

所述控制显示装置7包括输入装置、存储器、控制器和显示屏。所述输入装置包括急停按钮、键盘和鼠标。所述键盘和鼠标用于发送操作命令或输入加工代码。控制器读取存储器中事先编写好或由输入装置输入的加工代码后，驱动激光刻蚀装置2、砂带磨削装置3和工作平台4对工件进行加工。

实施例3：

本实施例主要结同实施例2，其中，所述容置柜体102的侧壁上还设置有折叠式透明玻璃门。所述折叠式透明玻璃门用于加工时观察加工状态及安全防护。

所述激光刻蚀装置2的激光发生器组件采用二氧化碳激光器。所述激光刻蚀装置用于对工件进行激光刻蚀加工，以形成工件的表面微纳结构。所述第一、第二大理石立柱上设置有激光装置固定板。所述激光刻蚀装置的组成包括激光发生器组件、扩束镜组件、整形镜组件、光阑调整组件、反射镜组件、振镜及激光头。所述激光刻蚀装置各组成部分均设置在所述激光装置固定板上。激光刻蚀装置2通过聚焦透镜将激光聚焦在待处理器件上形成局部瞬时高温，工件表面受高温气化后被上述激光集尘装置6吸走并净化。上述激光刻蚀装置2可以通过改变激光输出额定功率的时间、光束直径、激光功率及激光频率等参数来达到对上述待处理器件的表面进行微纳结构加工的目的。

实施例4：

本实施例主要结同实施例2，其中，砂带磨削装置3的砂带磨头采用三轴驱动磨头。所述砂带磨削装置用于对工件表面进行抛磨加工，所述抛磨加工由所述砂带磨削装置中的三轴驱动磨头实现。所述三轴驱动磨头特征在于，加工速度快、加工后工件表面完整性好。砂带磨削技术所用的砂带包括金刚石砂带、聚酯薄膜研磨砂带及金字塔形砂带，可根据实际应用中对上述待处理器件不同的表面完整性要求选择不同的砂带。可通过改变磨削线速度、工件进给运动速度、磨削深度等参数对工件进行磨削。

值得说明的是，砂带磨削能够有效的去除工件表面的粗糙不平的结构，并且磨削效率高、能耗低、磨削表面不易烧伤，表面冷硬程度和残余应力相较其他磨削方式也更小，能得到表面完整性更好的成品器件。

实施例5：

本实施例主要结同实施例2，其中，所述激光刻蚀装置2的配套制冷系统采用激光水冷装置5。

实施例6：

本实施例主要结同实施例2，其中，所述激光水冷装置5底部连接有若干万向轮501。所述万向轮用于对激光水冷装置的支撑及使激光水冷装置能沿各方向移动。所述激光水冷装置5的侧壁上装有不锈钢扶手502。所述不锈钢扶手502用于推动激光水冷装置时施力。所述激光水冷装置5具有状态指示灯。所述状态指示灯用于显示激光水冷装置工作状态。

实施例7：

本实施例公开一种采用实施例1所述加工设备的加工方法，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置401固定在工作平台4上。

2)控制显示装置7控制工作平台4水平移动，将待加工工件调整至预设工作区域。

3)启动激光刻蚀装置2和砂带磨削装置3。控制显示装置7控制步进电机，进而调整工作平台4的水平位置。控制显示装置7控制直线丝杆导轨，进而调整激光刻蚀装置2激光束的聚焦点以及砂带磨削装置3磨头的竖直位置。

4)激光束的聚焦点在待处理器件上形成局部瞬时高温，工件表面受高温气化后被激光集尘装置6吸走并净化。磨头将待加工工件所需去除材料磨削。未去除部分成型为所需形状。

在本实施例中，通过改变激光输出额定功率的时间、光束直径、激光功率及激光频率等参数来达到对上述待处理器件的表面进行微纳结构加工的目的。通过改变磨削线速度、工件进给运动速度、磨削深度等参数对工件进行磨削。

实施例8：

本实施例公开一种采用实施例1所述加工设备的微型表面结构加工方法，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置401固定在工作平台4上。

2)砂带磨削装置3对待加工工件进行表面抛磨。表面抛磨为多角度表面抛磨。参见图4，通过偏转砂带磨削装置3的三轴驱动磨头，改变砂带切入工件表面时的角度α从而实现多角度磨削。多角度磨削加工方法能获得表面完整性更复杂的待处理器件，扩大了本实施例的适用场合。实际生产中，可根据待处理器件不同的表面完整性要求可选择砂带包括金刚石砂带、聚酯薄膜研磨砂带及金字塔形砂带等不同的砂带。

3)激光刻蚀装置2对经过表面抛磨的待加工工件进行激光刻蚀，得到具有预设图案的成品器件。

实施例9：

本实施例公开一种采用上述加工设备的微型表面结构加工方法，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置401固定在工作平台4上。

2)激光刻蚀装置2对待加工工件进行激光刻蚀。

3)砂带磨削装置3对经过激光刻蚀的待加工工件进行表面抛磨，得到具有预设图案的成品器件。待加工工件进行表面抛磨具体包括对所述待处理器件进行表面的粗磨、对经过粗磨的待处理器件进行表面的精磨和对经过精磨的待处理器件进行表面的抛光的步骤。

Claims (10)

1.一种激光砂带磨削复合加工设备，其特征在于：包括床身(1)、激光刻蚀装置(2)、砂带磨削装置(3)、工作平台(4)、激光集尘装置(6)和控制显示装置(7)；

所述床身(1)包括底部支座(101)和所述容置柜体(102)；所述底部支座(101)上表面为安装平面(1011)；所述安装平面(1011)上安装有第一大理石立柱、第二大理石立柱和工作平台(4)；所述容置柜体(102)整体为下端敞口且内中空的矩形柜体；所述容置柜体(102)遮罩在安装平面(1011)上方。所述容置柜体(102)相对的两侧侧壁上开设有加工观察孔；

所述工作平台(4)上表面设置有用于装夹工件的装夹装置(401)；所述工作平台(4)下表面通过定位装置安装在安装平面(1011)上；所述定位装置包括x轴方向的直线丝杆导轨及y轴方向的直线丝杆导轨；

所述激光刻蚀装置(2)通过丝杆螺母安装在第一大理石立柱上；步进电机驱动丝杆螺母，进而带动激光刻蚀装置(2)沿竖直方向直线运动；

所述砂带磨削装置(3)通过丝杆螺母安装在第二大理石立柱上；步进电机驱动丝杆螺母，进而带动砂带磨削装置(3)沿竖直方向直线运动；

所述激光集尘装置(6)用于吸附激光刻蚀装置(2)加工过程中产生的粉尘；

所述控制显示装置(7)包括输入装置、存储器、控制器和显示屏；所述输入装置包括急停按钮、键盘和鼠标；所述键盘和鼠标用于发送操作命令或输入加工代码；控制器读取存储器中事先编写好或由输入装置输入的加工代码后，驱动激光刻蚀装置(2)、砂带磨削装置(3)和工作平台(4)对工件进行加工。

2.根据权利要求1所述的一种激光砂带磨削复合加工设备，其特征在于：所述容置柜体(102)的侧壁上还设置有折叠式透明玻璃门。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光砂带磨削复合加工设备，其特征在于：所述激光刻蚀装置(2)的激光发生器组件采用二氧化碳激光器。

4.根据权利要求1或3所述的一种激光砂带磨削复合加工设备，其特征在于：砂带磨削装置(3)的砂带磨头采用三轴驱动磨头。

5.根据权利要求1所述的一种激光砂带磨削复合加工设备，其特征在于：所述激光刻蚀装置(2)的配套制冷系统采用激光水冷装置(5)。所述激光水冷装置(5)底部连接有若干万向轮(501)；所述激光水冷装置(5)的侧壁上装有不锈钢扶手(502)；所述激光水冷装置(5)具有状态指示灯；所述状态指示灯用于显示激光水冷装置工作状态。

6.一种采用权利要求1所述加工设备的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置(401)固定在工作平台(4)上；

2)控制显示装置(7)控制工作平台(4)水平移动，将待加工工件调整至预设工作区域；

3)启动激光刻蚀装置(2)和砂带磨削装置(3)；控制显示装置(7)控制步进电机，进而调整工作平台(4)的水平位置；控制显示装置(7)控制直线丝杆导轨，进而调整激光刻蚀装置(2)激光束的聚焦点以及砂带磨削装置(3)磨头的竖直位置；

4)激光束的聚焦点将待加工工件所需去除材料刻蚀，磨头对待加工工件进行表面抛磨，未去除部分成型为所需形状；所述激光集尘装置(6)处理加工过程中产生的有害气体及灰尘。

7.一种采用权利要求1所述加工设备的微型表面结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置(401)固定在工作平台(4)上；

2)砂带磨削装置(3)对待加工工件进行表面抛磨；

3)激光刻蚀装置(2)对经过表面抛磨的待加工工件进行激光刻蚀，得到具有预设图案的成品器件。

8.一种采用权利要求1所述加工设备的微型表面结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待加工工件通过装夹装置(401)固定在工作平台(4)上；

2)激光刻蚀装置(2)对待加工工件进行激光刻蚀；

3)砂带磨削装置(3)对经过激光刻蚀的待加工工件进行表面抛磨，得到具有预设图案的成品器件。

9.根据权利要求6、7或8所述的加工方法，其特征在于，所述表面抛磨为多角度表面抛磨。

10.根据权利要求6、7或8所述的加工方法，其特征在于，待加工工件进行表面抛磨具体包括以下步骤：

对所述待处理器件进行表面的粗磨；

对经过粗磨的待处理器件进行表面的精磨；

对经过精磨的待处理器件进行表面的抛光。

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