CN111408844A - 一种多激光组合多轴车铣复合机床及其加工方法 - Google Patents

一种多激光组合多轴车铣复合机床及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多激光组合多轴车铣复合机床及其加工方法，包括机架，所述机架上分别设有第一激光加工区域、第二激光加工区域、X轴运动组件，所述第一激光加工区域包括第一激光加工组件和第一运动组件；第二激光加工区域包括第二激光加工组件和第二运动组件；所述X轴运动组件位于第一激光加工组件、第二激光加工组件下方。本发明组合纳秒、皮秒和飞秒激光器分别进行刀具粗、半精和精加工，通过多轴运动平台设计实现车铣复合加工，实现复杂型面刀具一次装夹加工成型，有效提高加工效率和加工质量，解决了一般激光加工无法实现复杂型面刀具加工,以及多次装夹造成的加工效率低、质量差等问题，对提高我国高端刀具制造水平具有重要意义。

Description

一种多激光组合多轴车铣复合机床及其加工方法
技术领域
本发明属于激光加工设备技术领域，具体涉及一种多激光组合多轴车铣复合机床及其加工方法。
背景技术
随着3C电子、汽车、模具、航空航天等领域高速发展，典型难加工材料被广泛应用，对加工质量及加工效率的要求也不断提高。为满足关键领域材料的加工需求，切削刀具材料向超硬方向发展，刀具型面趋于复杂，对精度与质量要求更高。由于刀具本身材料的难加工特性，采用金刚石砂轮磨削等传统加工方法制造超硬刀具、复杂形状刀具尤为困难，制造成本高、加工效率低、加工工艺极其复杂。
激光加工具有无接触、高能量、加工灵活、热影响区小、无材料选择性等特点，成为国内外代替传统难加工材料加工方式的重要手段。激光加工装备水平是制约先进激光加工技术发展的关键。国外高端激光加工机床制造商GF、DMG MORI、C.B.Ferrari和EWAG等主要采用纳秒或皮秒单一激光进行激光铣削加工，而国内牧激机床主要采用单一激光进行车削加工。另外，专利201710958233.6公开了一种组合式多功能激光加工机床，将传统机械加工与激光加工方法集合在一台机床，主要用于材料的钻孔、切割、铣削加工，无法满足复杂型面刀具激光车铣复合等加工。目前国际上激光机床主要适用于激光切割、打孔和表面纹理加工，尚未有具有整体专用系统设计且满足复杂型面刀具粗、精加工以及车铣复合加工等应用刀具要求的激光机床。
针对复杂型面刀具的激光加工要求以及激光加工机床现状，亟需设计研制组合式激光加工机床，兼顾纳秒、皮秒和飞秒等不同特性激光的加工效率与加工质量，并通过运动轴设计进行车铣复合加工，实现一次装夹加工成型。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种多激光组合多轴车铣复合机床及其加工方法，本发明组合纳秒、皮秒和飞秒激光器分别进行刀具粗、半精和精加工，通过多轴运动平台设计实现车铣复合加工，实现复杂型面刀具一次装夹加工成型，有效提高加工效率和加工质量，解决了一般激光加工无法实现复杂型面刀具加工。
本发明的技术方案为：
一种多激光组合多轴车铣复合机床，包括机架，其特征在于，所述机架上分别设有第一激光加工区域、第二激光加工区域、X轴运动组件，所述第一激光加工区域包括第一激光加工组件和第一运动组件，所述第一激光加工组件与第一运动组件配合连接；第二激光加工区域包括第二激光加工组件和第二运动组件，所述第二激光加工组件与第二运动组件配合连接；所述X轴运动组件位于第一激光加工组件、第二激光加工组件下方。
进一步的，所述X轴运动组件的最大直线移动范围为1500mm，最高定位精度为0.1μm。
进一步的，所述X轴运动组件上设有中心转台和刀柄，所述刀柄夹持在中心转台的中间区域；所述中心转台内设有马达。所述刀柄用于装夹刀具，所述马达可驱动中心转台旋转。
进一步的，所述马达驱动中心转台沿A轴、C轴进行高速旋转；所述A轴为与X轴运动组件平行的轴，所述C轴为与X轴运动组件垂直的轴。
进一步的，所述中心转台沿A轴的转动范围为-140°-140°，所述中心转台沿C轴的转动范围为0°-360°，最高旋转定位精度均为0.001°。
进一步的，所述第一运动组件包括Y1轴运动组件和Z1轴运动组件；
所述第一激光加工组件分别通过Y1轴运动组件和Z1轴运动组件进行Y轴和Z轴方向的直线移动，所述第一激光加工组件在Y1和Z1轴的最大直线移动范围分别为500和600mm，最高定位精度为0.1μm。
进一步的，所述第一激光加工组件包括纳秒激光器、纳秒激光器固定架、第一加工区域振镜扫描模块、第一加工区域激光头，所述纳秒激光器设置在纳秒激光器固定架上，所述纳秒激光器固定架与Y1轴运动组件连接，所述第一加工区域振镜扫描模块、第一加工区域激光头分别与Z1轴运动组件连接。
进一步的，所述第二运动组件包括Y2轴运动组件和Z2轴运动组件；所述第二激光加工组件分别通过Y2轴运动组件和Z2轴运动组件进行Y轴和Z轴方向的直线移动，所述第二激光加工组件在Y2和Z2轴的最大直线移动范围分别为500和600mm，最高定位精度为0.1μm。
进一步的，所述第二激光加工组件包括皮秒和飞秒激光器、皮秒和飞秒激光器固定架、第二加工区域振镜扫描模块、第二加工区域激光头、CCD模块、光路传输模块，所述皮秒和飞秒激光器设置在皮秒和飞秒激光器固定架上，所述皮秒和飞秒激光器一侧设有光路传输模块，所述第二加工区域振镜扫描模块、第二加工区域激光头分别与Z2轴运动组件连接，所述CCD模块设置于所述皮秒和飞秒激光器固定架一侧，所述皮秒和飞秒激光器固定架与Y2轴运动组件连接。
特别的，所述皮秒和飞秒激光器共用一套光路，按照需求进行激光光源切换；特别的，CCD模块可进行刀具加工精度在线监测。
进一步的，所述机架包括矿物质床身和矿物质立柱。
进一步的，所述激光机床连接有静音吸尘器和防尘装置，实现加工时废屑、废气的去除。
一种多激光组合多轴车铣复合机床的加工方法,具体为：被加工刀具可通过X轴运动平台直线移动到第一加工区域进行纳秒激光粗加工，移动到第二加工区域进行皮秒激光半精加工或飞秒激光精加工；通过A轴偏转90°与Y轴平行后固定，C轴持续360°旋转，可以实现激光车加工；通过A、C、X、Y1、Z1之间或A、C、X、Y2、Z2之间的联动控制，可以实现激光铣加工，最终实现激光车铣复合加工。
本发明的主要创新点在于：
1. 激光机床组合纳秒、皮秒和飞秒激光，可分别进行刀具粗、半精和精加工；
2. 通过多轴运动平台设计，实现激光车铣复合加工；
3. 通过以上两点的组合，实现复杂型面刀具一次装夹激光加工成型。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种多激光组合多轴车铣复合机床，组合纳秒、皮秒和飞秒激光器分别进行刀具粗、半精和精加工，通过多轴运动平台设计实现车铣复合加工，实现复杂型面刀具一次装夹加工成型，有效提高加工效率和加工质量，解决了一般激光加工无法实现复杂型面刀具加工,以及多次装夹造成的加工效率低、质量差等问题，对提高我国高端刀具制造水平具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
本发明附图中，1-机架、2-Y1轴运动组件、3-Z1轴运动组件、4-纳秒激光器固定架、5-纳秒激光器、6-皮秒和飞秒激光器、7-皮秒和飞秒激光器固定架、8-光路传输模块、9-第二加工区域扫描振镜模块、10-CCD模块、11-X轴运动组件、12-第二加工区域激光头、13-Z2轴运动组件、14-Y2轴运动组件、15-第一加工区域扫描振镜模块、16-第一加工区域激光头、17-中心转台、18-刀柄、100-第一激光加工区域、200-第二激光加工区域、101-第一运动组件、102-第一激光加工组件、201-第二运动组件、202-第二激光加工组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
一种多激光组合多轴车铣复合机床，包括机架1，其特征在于，所述机架上分别设有第一激光加工区域100、第二激光加工区域200、X轴运动组件11，所述第一激光加工区域包括第一激光加工组件102和第一运动组件101，所述第一激光加工组件与第一运动组件配合连接；第二激光加工区域包括第二激光加工组件202和第二运动组件201，所述第二激光加工组件与第二运动组件配合连接；所述X轴运动组件位于第一激光加工组件、第二激光加工组件下方。
进一步的，所述X轴运动组件的最大直线移动范围为1500mm，最高定位精度为0.1μm。
进一步的，所述X轴运动组件上设有中心转台和刀柄，所述刀柄夹持在中心转台的中间区域；所述中心转台内设有马达。所述刀柄用于装夹刀具，所述马达可驱动中心转台旋转。
进一步的，所述马达驱动中心转台沿A轴、C轴进行高速旋转；所述A轴为与X轴运动组件平行的轴，所述C轴为与X轴运动组件垂直的轴。
进一步的，所述中心转台沿A轴的转动范围为-140°-140°，所述中心转台沿C轴的转动范围为0°-360°，最高旋转定位精度均为0.001°。
进一步的，所述第一运动组件包括Y1轴运动组件2和Z1轴运动组件3；
所述第一激光加工组件分别通过Y1轴运动组件和Z1轴运动组件进行Y轴和Z轴方向的直线移动，所述第一激光加工组件在Y1和Z1轴的最大直线移动范围分别为500和600mm，最高定位精度为0.1μm。
进一步的，所述第一激光加工组件包括纳秒激光器5、纳秒激光器固定架4、第一加工区域振镜扫描模块15、第一加工区域激光头16，所述纳秒激光器设置在纳秒激光器固定架上，所述纳秒激光器固定架与Y1轴运动组件连接，所述第一加工区域振镜扫描模块、第一加工区域激光与Z1轴运动组件连接。
进一步的，所述第二运动组件包括Y2轴运动组件13和Z2轴运动组件14；
所述第二激光加工组件分别通过Y2轴运动组件和Z2轴运动组件进行Y轴和Z轴方向的直线移动，所述第二激光加工组件在Y2和Z2轴的最大直线移动范围分别为500和600mm，最高定位精度为0.1μm。
进一步的，所述第二激光加工组件包括皮秒和飞秒激光器6、皮秒和飞秒激光器固定架7、第二加工区域振镜扫描模块9、第二加工区域激光头12、CCD模块10、光路传输模块8，所述皮秒和飞秒激光器设置在皮秒和飞秒激光器固定架上，所述皮秒和飞秒激光器一侧设有光路传输模块，所述第二加工区域振镜扫描模块、第二加工区域激光头12与Z2轴运动组件连接，所述CCD模块设置于所述皮秒和飞秒激光器固定架一侧，所述皮秒和飞秒激光器固定架与Y2轴运动组件连接。
特别的，所述皮秒和飞秒激光器共用一套光路，按照需求进行激光光源切换；特别的，CCD模块可进行刀具加工精度在线监测。
进一步的，所述机架包括矿物质床身（未标注）和矿物质立柱（未标注）。
进一步的，所述激光机床连接有静音吸尘器（未标注）和防尘装置（未标注），实现加工时废屑、废气的去除。
一种多激光组合多轴车铣复合机床的加工方法,具体为：被加工刀具可通过X轴运动平台直线移动到第一加工区域进行纳秒激光粗加工，移动到第二加工区域进行皮秒激光半精加工或飞秒激光精加工；通过A轴偏转90°与Y轴平行后固定，C轴持续360°旋转，可以实现激光车加工；通过A、C、X、Y1、Z1或A、C、X、Y2、Z2之间的联动控制，可以实现激光铣加工，最终实现激光车铣复合加工。
本发明提供一种多激光组合多轴车铣复合机床，组合纳秒、皮秒和飞秒激光器分别进行刀具粗、半精和精加工，通过多轴运动平台设计实现车铣复合加工，实现复杂型面刀具一次装夹加工成型，有效提高加工效率和加工质量，解决了一般激光加工无法实现复杂型面刀具加工,以及多次装夹造成的加工效率低、质量差等问题，对提高我国高端刀具制造水平具有重要意义。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过本领域任一现有技术实现。

Claims (10)

1.一种多激光组合多轴车铣复合机床，包括机架，其特征在于，所述机架上分别设有第一激光加工区域、第二激光加工区域、X轴运动组件，所述第一激光加工区域包括第一激光加工组件和第一运动组件，所述第一激光加工组件与第一运动组件配合连接；第二激光加工区域包括第二激光加工组件和第二运动组件，所述第二激光加工组件与第二运动组件配合连接；所述X轴运动组件位于第一激光加工组件、第二激光加工组件下方；
所述X轴运动组件的最大直线移动范围为1500mm，最高定位精度为0.1μm。
2.根据权利要求1所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述X轴运动组件上设有中心转台和刀柄，所述刀柄夹持在中心转台的中间区域；所述中心转台内设有马达。
3.根据权利要求2所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述马达驱动中心转台沿A轴、C轴进行高速旋转；所述A轴为与X轴运动组件平行的轴，所述C轴为与X轴运动组件垂直的轴。
4.根据权利要求3所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述中心转台沿A轴的转动范围为-140°-140°，所述中心转台沿C轴的转动范围为0°-360°，最高旋转定位精度均为0.001°。
5.根据权利要求1所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述第一运动组件包括Y1轴运动组件和Z1轴运动组件；
所述第一激光加工组件分别通过Y1轴运动组件和Z1轴运动组件进行Y轴和Z轴方向的直线移动，所述第一激光加工组件在Y1和Z1轴的最大直线移动范围分别为500和600mm，最高定位精度为0.1μm。
6.根据权利要求5所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述第一激光加工组件包括纳秒激光器、纳秒激光器固定架、第一加工区域振镜扫描模块、第一加工区域激光头，所述纳秒激光器设置在纳秒激光器固定架上，所述纳秒激光器固定架与Y1轴运动组件连接，所述第一加工区域振镜扫描模块、第一加工区域激光头分别与Z1轴运动组件连接。
7.根据权利要求1所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述第二运动组件包括Y2轴运动组件和Z2轴运动组件；
所述第二激光加工组件分别通过Y2轴运动组件和Z2轴运动组件进行Y轴和Z轴方向的直线移动，所述第二激光加工组件在Y2和Z2轴的最大直线移动范围分别为500和600mm，最高定位精度为0.1μm。
8.根据权利要求7所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述第二激光加工组件包括皮秒和飞秒激光器、皮秒和飞秒激光器固定架、第二加工区域振镜扫描模块、第二加工区域激光头、CCD模块、光路传输模块，所述皮秒和飞秒激光器设置在皮秒和飞秒激光器固定架上，所述皮秒和飞秒激光器一侧设有光路传输模块，所述第二加工区域振镜扫描模块、第二加工区域激光头分别与Z2轴运动组件连接，所述CCD模块设置于所述皮秒和飞秒激光器固定架一侧，所述皮秒和飞秒激光器固定架与Y2轴运动组件连接。
9.根据权利要求1所述的一种多激光组合多轴车铣复合机床,其特征在于，所述激光机床连接有静音吸尘器和防尘装置。
10.根据权利要求1-9任一项所述的多激光组合多轴车铣复合机床的加工方法,其特征在于，具体为：被加工刀具可通过X轴运动平台直线移动到第一加工区域进行纳秒激光粗加工，移动到第二加工区域进行皮秒激光半精加工或飞秒激光精加工；通过A轴偏转90°与Y轴平行后固定，C轴持续360°旋转，进行激光车加工，通过A、C、X、Y1、Z1之间或A、C、X、Y2、Z2之间的联动控制，进行激光铣加工，最终实现激光车铣复合加工。
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