CN111469284A - 一种双束激光加热辅助钻削集成装置与方法 - Google Patents

一种双束激光加热辅助钻削集成装置与方法 Download PDF

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CN111469284A CN202010438732.4A CN202010438732A CN111469284A CN 111469284 A CN111469284 A CN 111469284A CN 202010438732 A CN202010438732 A CN 202010438732A CN 111469284 A CN111469284 A CN 111469284A
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Abstract

一种双束激光加热辅助钻削集成装置与方法，属于机械加工技术领域。所述双束激光加热辅助钻削集成装置包括连续激光发生系统和脉冲激光发生系统，连续激光发生系统包括连续激光发生器和连续激光聚焦头，机械手夹持连续激光聚焦头移动以调整连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离，脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器和准直系统，脉冲激光束经准直系统从钻头内部沿钻尖向工件表面照射。所述双束激光加热辅助钻削集成装置与方法比单束激光加热具有更高的加工效率和更低的表面损伤，实现了透明难加工材料的钻削加工，降低了成本。

Description

一种双束激光加热辅助钻削集成装置与方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及一种双束激光加热辅助钻削集成装置与方法。
背景技术
激光加热辅助切削技术是将高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短时间内，将局部加热到很高的温度使材料的切削性在高温下发生改变，然后采用常规的刀具进行加工。通过对材料进行局部微小区域的加热，提高材料塑性的同时使材料的硬度降低，减小切削力，延长刀具使用寿命，抑制表面损伤形成，防止切削振颤，从而达到提高加工效率、降低成本、提高表面质量的目的。针对脆性大、加工难度高的硬脆陶瓷、玻璃材料，采用激光加热辅助钻削技术可以使材料变形由脆性转变为塑性，切屑变得连续，得到更好的质量加工表面。
随着现代制造业的发展，新型材料及难加工材料复杂件的应用愈来愈多，加热辅助切削技术能有效地解决难加工材料的切削加工，但是，单一的激光加热辅助切削技术的激光加热诱致的温度场难以充分软化被加工材料，加工效率和加工质量提升不明显，使其不能够高效低损伤的加工超硬脆材料，尤其是新出现的陶瓷及玻璃。对于透明难加工材料，例如氮氧化铝(AlON)透明陶瓷、掺钕钇铝石榴石、镁铝尖晶石、玻璃等超硬脆性材料，在这些难加工材料复杂件的钻削加工时，对钻削刀具磨损十分严重，孔入口和出口易于出现崩边等缺陷，并且加工效率低，成本很高。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种针对难加工材料复杂零件的双束激光加热辅助钻削集成装置与方法，其比单束激光加热具有更高的加工效率和更低的表面损伤，实现了透明难加工材料的钻削加工，降低了成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种双束激光加热辅助钻削集成装置，包括设置于数控钻床的连续激光发生系统和脉冲激光发生系统；
所述连续激光发生系统包括通过激光光纤连接的连续激光发生器和连续激光聚焦头，所述连续激光聚焦头位于工件的下方，并且所述连续激光聚焦头设置于机械手，所述机械手夹持连续激光聚焦头移动以调整连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离；
所述脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器和准直系统，所述脉冲激光发生器发出的脉冲激光束经准直系统从钻头内部沿钻尖向工件表面照射。
进一步的，所述机械手与工控机连接，工控机控制机械手的移动。
进一步的，所述工件通过夹具安装于数控钻床工作台上方，所述钻头通过钻卡头安装于钻床主轴下方。
进一步的，所述双束激光加热辅助钻削集成装置还包括测力仪，所述测力仪设置于钻床主轴和钻头的连接处，用于采集钻头钻削工件过程中的钻削力和扭矩数据；所述测力仪与连续激光发生器连接，连续激光发生器根据钻削力和扭矩数据实时调整激光功率进行加工，以保证高的加工效率和质量。
进一步的，所述双束激光加热辅助钻削集成装置还包括红外热像仪，用于采集工件上加工孔的位置经不同激光功率的连续激光束加热后的温度；所述红外热像仪与连续激光发生器连接，红外热像仪将加工过程中采集的温度实时传输到连续激光发生器中，连续激光发生器实时调整激光功率，使工件加工过程中的加热温度始终保持在二分之一熔点温度范围内。
进一步的，所述连续激光束的光斑中心与工件表面距离为1-5mm。
一种双束激光加热辅助钻削方法，采用上述双束激光加热辅助钻削集成装置加工孔，包括如下步骤：
S1、准备阶段，将工件通过绝热材料包覆后，通过夹具安装固定于数控钻床工作台上；通过工控机控制机械手移动，机械手夹持连续激光聚焦头到达设定位置，使连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离实现软化工件表面层；通过准直系统对脉冲激光束的激光光斑大小和照射方向进行调整，使脉冲激光束能够烧蚀软化后的工件表面层材料，并且加工出底孔；
S2、设置连续激光发生器的加热参数，所述加热参数包括激光功率和预热时间；
S3、钻削加工，先打开连续激光发生器的光闸，通过预热使工件待切削区域温度达到材料脆塑转变值；然后打开脉冲激光发生器的光闸烧蚀工件表面，去除孔内材料，加工出底孔；最后开启钻床，钻头按照设定的数控代码进行钻削加工，完成孔的全部加工；同时，通过测力仪采集钻头钻削过程中的钻削力和扭矩数据，通过红外热像仪采集钻削过程中孔的温度数据，并将钻削力、扭矩和温度数据均输入到连续激光发生器中，连续激光发生器实时调整激光功率；
S4、加工完成，孔加工完成后，先关闭脉冲激光发生器的光闸，再关闭连续激光发生器的光闸，将钻头移动至下一个待加工位置。
进一步的，所述连续激光发生器的加热参数通过有限元方法建立工件的温度场预测模型得到，激光加热过程符合傅立叶三维热传导特征，三维直角坐标导热控制方程如下所述:
Figure BDA0002503258720000031
式中，T为加热温度(℃)；λ为工件材料导热系数(W/m·K)；Q为内热源(W/m3)；ρ为工件材料密度(kg/m3)；cp为工件材料比热容(J/kg·K)；t为预热时间(s)；
激光加热过程中的热传递包括工件表面吸收的热量，以及工件表面向外界对流与热辐射的热量；
在激光光斑作用区域内
Figure BDA0002503258720000032
式中，ql,abs为工件表面吸收的热量(J)；qc为工件表面对流换热(J)，qc＝hc(T-T0)，hc为工件材料表面对流传热系数，hc的单位为W/(m2·K)；qrad为工件表面热辐射换热(J)；
工件表面向外界对流与热辐射的边界条件为：
Figure BDA0002503258720000033
工件表面热辐射换热假设为工件向周围开放式空间辐射换热，辐射换热量为：
qrad＝εσ(T4-T0 4)
式中，σ为波尔兹曼常数W/(m2·℃)，ε为材料热辐射率(无量纲)；
工件的初始边界条件为：
T(r,φ,z,t)t＝0＝T0
式中，T0为初始环境温度，r为平面上的投影到坐标原点的距离，φ为投影点的方位角。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)本发明通过连续激光加热，改善材料的脆性，使得材料升温迅速、易于控制、热效率高，通过调整连续激光发生器的激光功率和预热时间起到控制激光加热辅助钻削加热温度的作用，在钻削的过程中配合测力仪和红外热像仪，实时调整连续激光发生器的激光功率；
2)本发明利用脉冲激光束烧蚀软化层材料，并且加工出底孔，起到烧蚀预打孔的作用，大大降低了钻头钻削过程所去除的材料，提高了加工效率，降低了加工成本；
3)通过分析红外热像仪采集的温度信号经网线传输到激光发生器中，激光发生器中的控制系统实时调节激光功率使工件加工过程中的加热温度始终保持在二分之一熔点温度范围内，保证钻削的效率和精度；
4)双束激光加热辅助钻削比单束激光加热辅助加工钻削力更低，加工表面质量更高，刀具磨损更低；
5)本发明为难加工材料复杂零件的钻削加工提供了一种双束激光加热辅助钻削集成装置，为解决透明难加工材料的加工提出了一种新的方法，能够进行氮氧化铝透明陶瓷、玻璃等透明硬脆材料结构件的孔加工，使加热钻削这一技术有更广泛的应用，将会成为加热切削领域发展的新趋势，为进一步研究双束激光下材料的变形机理提供理论支持，具有很大的学术价值。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种双束激光加热辅助钻削集成装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的工件装卡在数控钻床工作台的示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
1-数控钻床工作台，2-工件，3-夹具，4-测力仪，5-钻头，6-钻床主轴，7-脉冲激光束，8-准直系统，9-脉冲激光发生器，10-连续激光聚焦头，11-机械手，12-连续激光束，13-激光光纤，14-连续激光发生器，15-工控机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本发明提供了一种双束激光加热辅助钻削集成装置，包括设置于数控钻床的连续激光发生系统和脉冲激光发生系统；
连续激光发生系统包括通过激光光纤13连接的连续激光发生器14和连续激光聚焦头10，连续激光聚焦头10位于工件2的下方，并且连续激光聚焦头10设置于机械手11，机械手11夹持连续激光聚焦头10移动以调整连续激光束12的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件2表面距离；
脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器9和准直系统8，脉冲激光发生器9发出的脉冲激光束7经准直系统8从钻头5内部沿钻尖向工件2表面照射。
本实施例中，机械手11与工控机15连接，工控机15控制机械手11的移动；工件2通过夹具3安装于数控钻床工作台1上方，钻头5通过钻卡头安装于钻床主轴6下方；连续激光束12的光斑中心与工件2表面距离为1-5mm。
双束激光加热辅助钻削集成装置还包括测力仪4，测力仪4设置于钻床主轴6和钻头5的连接处，用于采集钻头5钻削工件2过程中的钻削力和扭矩数据；测力仪4与连续激光发生器14连接，连续激光发生器14根据钻削力和扭矩数据实时调整激光功率进行加工，以保证高的加工效率和质量。具体的，连续激光发生器14内的控制系统根据采集到的钻削力和扭矩数据的最低值实时调整激光功率，钻削力和扭矩数据的最低值根据连续激光发生器14内的控制系统进行设定。
双束激光加热辅助钻削集成装置还包括红外热像仪，用于采集工件2上加工孔的位置经不同激光功率的连续激光束12加热后的温度；红外热像仪与连续激光发生器14连接，红外热像仪将加工过程中采集的温度实时传输到连续激光发生器14中，连续激光发生器14实时调整激光功率，使工件2加工过程中的加热温度始终保持在二分之一熔点温度范围内。本实施例中，红外热像仪设置于数控钻床旁边，红外热像仪用于采集工件2上加工孔的位置经不同激光功率的连续激光束12加热后的温度，根据采集的温度数据，建立激光功率与温度的对应关系，而后将加工过程采集的温度实时传输到连续激光发生器14中，通过激光发生器实时调整激光功率，使工件2加工过程中的加热温度始终保持在二分之一熔点温度范围内。
本发明中，工件2为透明超硬脆工件2，如透明陶瓷、玻璃等。连续激光束12发生器采用半导体激光器，连续激光束12发生器发出的连续激光束12通过激光光纤13传导进入连续激光聚焦头10。本发明具有连续激光束12的光斑中心与工件2表面距离固定，以及脉冲激光束7的光路与钻削主轴系统高度集成的特点。由于激光的单色性、方向性并且易于实现自动控制，本发明通过连续激光发生器14发出的连续激光束12加热温度场、通过脉冲激光发生器9发出的脉冲激光束7烧蚀，最后再结合钻削过程实现孔的加工。其中，连续激光束12从工件2底部向钻头5方向进行照射，起到预热软化钻头5下方工件2的作用，连续激光聚焦头10采用六轴机械手11夹持，通过工控机15控制机械手11的多自由度运动，实现连续激光束12照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件2表面距离的调整。在普通数控钻床上集成脉冲激光光路，脉冲激光束7从钻头5上方沿钻头5内部向钻尖方向的工件2表面照射，通过调整准直系统8中反射镜和聚焦镜的角度和位置实现对脉冲激光束7光斑大小与光斑焦距的调整，通过反射镜和聚焦镜的传导、聚焦后到达钻尖下方的工件2表面，能够改善切削层材料塑性切削性能，起到烧蚀连续激光束12加热的工件2表面软化层的作用，并去除材料，加工出底孔，大大降低了钻头5钻削过程所去除的材料，准直系统8采用现有技术。通过连续激光束12与连续激光束12共同作用，提高超硬脆材料的钻削性能。
一种双束激光加热辅助钻削方法，采用上述双束激光加热辅助钻削集成装置加工孔，包括如下步骤：
S1、准备阶段，将工件2通过绝热材料包覆后，通过夹具3安装固定于数控钻床工作台1上；通过工控机15控制机械手11移动，机械手11夹持连续激光聚焦头10到达设定位置，使连续激光束12的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件2表面距离实现软化工件2表面层；通过准直系统8对脉冲激光束7的激光光斑大小和照射方向进行调整，使脉冲激光束7能够烧蚀软化后的工件2表面层材料，并且加工出底孔；
S2、设置连续激光发生器14的加热参数，加热参数包括激光功率和预热时间；
S3、钻削加工，先打开连续激光发生器14的光闸，通过预热使工件2待切削区域温度达到材料脆塑转变值；然后打开脉冲激光发生器9的光闸烧蚀工件2表面，去除孔内材料，加工出底孔；最后开启钻床，钻头5按照设定的数控代码进行钻削加工，完成孔的全部加工；同时，通过测力仪4采集钻头5钻削过程中的钻削力和扭矩数据，通过红外热像仪采集钻削过程中孔的温度数据，并将钻削力、扭矩和温度数据均输入到连续激光发生器14中，连续激光发生器14实时调整激光功率；
具体的，根据不同的加热温度，调整好连续激光束12的加热参数后，打开连续激光发生器14光闸，通过连续激光束12预热使钻尖下方工件2表面温度达到设置温度，打开脉冲激光发生器9光闸，使脉冲激光束7聚焦光斑照射在工件2表面，随钻头5一起沿进给方向向下运动的同时烧蚀工件2的待加工孔，烧蚀后钻头5按照编制好的数控代码进行钻削，加工过程中连续激光束12和连续激光束12的激光光斑随钻头5一起沿进给方向运动，保持两束激光聚焦光斑与刀尖位置固定不变；加工过程中连续激光发生器14的激光功率根据测力仪4和红外热像仪的采集结果进行实时调整；
S4、加工完成，孔加工完成后，先关闭脉冲激光发生器9的光闸，再关闭连续激光发生器14的光闸，将钻头5移动至下一个待加工位置。
连续激光发生器14的加热参数通过有限元方法建立工件2的温度场预测模型得到，激光加热过程符合傅立叶三维热传导特征，三维直角坐标导热控制方程为:
Figure BDA0002503258720000061
式中，T为加热温度(℃)；λ为工件2材料导热系数(W/m·K)；Q为内热源(W/m3)；ρ为工件2材料密度(kg/m3)；cp为工件2材料比热容(J/kg·K)；t为预热时间(s)；
激光加热过程中的热传递包括工件2表面吸收的热量，以及工件2表面向外界对流与热辐射的热量；
在激光光斑作用区域内
Figure BDA0002503258720000071
式中，ql,abs为工件2表面吸收的热量(J)；qc为工件2表面对流换热(J)，qc＝hc(T-T0)，hc为工件2材料表面对流传热系数，hc的单位为W/(m2·K)；qrad为工件2表面热辐射换热(J)；
工件2表面向外界对流与热辐射的边界条件为：
Figure BDA0002503258720000072
工件2表面热辐射换热假设为工件2向周围开放式空间辐射换热，辐射换热量为：
qrad＝εσ(T4-T0 4)
式中，σ为波尔兹曼常数W/(m2·℃)，ε为材料热辐射率(无量纲)；
工件2的初始边界条件为：
T(r,φ,z,t)t＝0＝T0
式中，T0为初始环境温度，r为平面上的投影到坐标原点的距离，φ为投影点的方位角。
本发明在双束激光加热辅助切削之前，通过建立工件2的温度场预测模型选择连续激光束12的加热参数，进而实现不同温度下的高效钻削，工件2的温度场预测模型是通过有限元方法基于傅立叶热传导定律建立的，以钻削区域温度为目标，选择优化连续激光束12加热参数，连续激光束12的加热参数为激光功率和预热时间，实际加工时，通过温度场预测模型得到加工孔需要的激光功率和预热时间，对连续激光发生器14进行设定。本发明有限元仿真软件，比如ANSYS建立工件2的温度场预测模型。基于傅立叶热传导定律建立温度场预测有限元仿真模型，通过仿真分析确定适宜的连续激光束12的加热参数时，首先按照实际工件2的大小建立模型划分网格，将连续激光束12看做表面热源，加载热辐射与对流边界条件，并通过温度测量试验修正边界条件后，即可得到准确的连续激光束12加热温度场预测模型。通过设置连续激光发生器14的加热参数，即预热时间和激光功率，得到连续激光束12刚开始加工时的加热温度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，包括设置于数控钻床的连续激光发生系统和脉冲激光发生系统；
所述连续激光发生系统包括通过激光光纤连接的连续激光发生器和连续激光聚焦头，所述连续激光聚焦头位于工件的下方，并且所述连续激光聚焦头设置于机械手，所述机械手夹持连续激光聚焦头移动以调整连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离；
所述脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器和准直系统，所述脉冲激光发生器发出的脉冲激光束经准直系统从钻头内部沿钻尖向工件表面照射。
2.根据权利要求1所述的双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，所述机械手与工控机连接，工控机控制机械手的移动。
3.根据权利要求1所述的双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，所述工件通过夹具安装于数控钻床工作台上方，所述钻头通过钻卡头安装于钻床主轴下方。
4.根据权利要求1所述的双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，还包括测力仪，所述测力仪设置于钻床主轴和钻头的连接处，用于采集钻头钻削工件过程中的钻削力和扭矩数据；所述测力仪与连续激光发生器连接，连续激光发生器根据钻削力和扭矩数据实时调整激光功率进行加工。
5.根据权利要求4所述的双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，还包括红外热像仪，用于采集工件上加工孔的位置经不同激光功率的连续激光束加热后的温度；所述红外热像仪与连续激光发生器连接，红外热像仪将加工过程中采集的温度实时传输到连续激光发生器中，连续激光发生器实时调整激光功率，使工件加工过程中的加热温度始终保持在二分之一熔点温度范围内。
6.根据权利要求1所述的双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，所述连续激光束的光斑中心与工件表面距离为1-5mm。
7.一种双束激光加热辅助钻削方法，采用权利要求1所述的双束激光加热辅助钻削集成装置，包括如下步骤：
S1、准备阶段，将工件通过绝热材料包覆后，通过夹具安装固定于数控钻床工作台上；通过工控机控制机械手移动，机械手夹持连续激光聚焦头到达设定位置，使连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离实现软化工件表面层；通过准直系统对脉冲激光束的激光光斑大小和照射方向进行调整，使脉冲激光束能够烧蚀软化后的工件表面层材料，并且加工出底孔；
S2、设置连续激光发生器的加热参数，所述加热参数包括激光功率和预热时间；
S3、钻削加工，先打开连续激光发生器的光闸，通过预热使工件待切削区域温度达到材料脆塑转变值；然后打开脉冲激光发生器的光闸烧蚀工件表面，去除孔内材料，加工出底孔；最后开启钻床，钻头按照设定的数控代码进行钻削加工，完成孔的全部加工；同时，通过测力仪采集钻头钻削过程中的钻削力和扭矩数据，通过红外热像仪采集钻削过程中孔的温度数据，并将钻削力、扭矩和温度数据均输入到连续激光发生器中，连续激光发生器实时调整激光功率；
S4、加工完成，孔加工完成后，先关闭脉冲激光发生器的光闸，再关闭连续激光发生器的光闸，将钻头移动至下一个待加工位置。
8.根据权利要求7所述的双束激光加热辅助钻削方法，其特征在于，
所述连续激光发生器的加热参数通过有限元方法建立工件的温度场预测模型得到，激光加热过程符合傅立叶三维热传导特征，三维直角坐标导热控制方程如下所述:
Figure FDA0002503258710000021
式中，T为加热温度(℃)；λ为工件材料导热系数(W/m·K)；Q为内热源(W/m3)；ρ为工件材料密度(kg/m3)；cp为工件材料比热容(J/kg·K)；t为预热时间(s)；
激光加热过程中的热传递包括工件表面吸收的热量，以及工件表面向外界对流与热辐射的热量；
在激光光斑作用区域内
Figure FDA0002503258710000022
式中，ql,abs为工件表面吸收的热量(J)；qc为工件表面对流换热(J)，qc＝hc(T-T0)，hc为工件材料表面对流传热系数，hc的单位为W/(m2·K)；qrad为工件表面热辐射换热(J)；
工件表面向外界对流与热辐射的边界条件为：
Figure FDA0002503258710000023
工件表面热辐射换热假设为工件向周围开放式空间辐射换热，辐射换热量为：
qrad＝εσ(T4-T0 4)
式中，σ为波尔兹曼常数W/(m2·℃)，ε为材料热辐射率(无量纲)；
工件的初始边界条件为：
T(r,φ,z,t)t＝0＝T0
式中，T0为初始环境温度，r为平面上的投影到坐标原点的距离，φ为投影点的方位角。
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