CN111730208A - 一种改进激光铣削表面粗糙度的方法 - Google Patents

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Abstract

为了解决激光分层制造“台阶效应”使加工特征表面粗糙度较大而难以实现高精度加工的技术问题，本发明提出了一种改进激光铣削表面粗糙度的方法。本发明采用实验的手段，获得激光器在不同激光工艺参数下聚焦在材料表面形成的单层制造侧面面型，精确测量后建立激光工艺参数与单层制造侧面面型特征之间关系的数据库，在激光铣削前的软件分层操作后，根据模型中分层所形成的侧面面型，在事先建立的数据库中查找相应的激光工艺参数，实现激光分层铣削单层激光工艺参数优化，进而提高轴对称特征激光铣削制造特征表面粗糙度。

Description

一种改进激光铣削表面粗糙度的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，涉及一种改进激光铣削表面粗糙度的方法。
背景技术
传统机械铣削是将毛坯固定，用高速旋转的铣刀在毛坯上走刀，切出需要的形状和特征。随着材料学科的快速发展，诸多新型材料不断面世，其中包括一些加工性能差的难加工材料，如奥氏体不锈钢、高锰钢、耐磨铸铁等钢铁材料，这些材料必须采用特殊刀具才能完成机械铣削加工，加工速度慢且刀具磨损大，更有蓝宝石、金刚石、高温陶瓷、硬质合金等材料，具有极高的硬度和脆性，对于这类材料的加工，传统机械铣削方式显得无能为力，即使采用特殊刀具也很难在其上加工出需要的特征。然而，由于这些新型材料优异的物理化学性能，在航空航天、电子、精密机械等领域这些材料制成的零部件不可或缺，因此新型硬脆材料的精密加工吸引了大批研究人员的关注，成为一个研究热点。
激光铣削技术是一种新型的加工方法，是通过照射到材料表面产生的热效应或高密度激光高能光子引发的光化学反应实现材料去除，与传统机械铣削相比，有以下优势：1.加工材料无选择性；2.可调控参数多样，制造精度高；3.非接触加工，无道具磨损。
基于以上优势，激光精密铣削是解决新型材料精密加工的一条途径。由于常见的激光铣削系统存在几十微米至百微米量级焦深，为了实现三维特征激光铣削制造，必须将构件模型划分成多层加工区域，然后采用扫描振镜控制激光光束在材料表面进行逐层扫描进行激光分层制造，从而实现三维特征加工，可以满足多数加工需求。然而，激光分层制造会产生如图1所示的“台阶效应”，使得加工特征的表面粗糙度大，难以实现高精度加工，限制了激光铣削技术在精密加工领域的应用。
发明内容
为了解决激光分层制造“台阶效应”使加工特征表面粗糙度较大而难以实现高精度加工的技术问题，本发明提出了一种改进激光铣削表面粗糙度的方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种改进激光铣削表面粗糙度的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一，调节激光工艺参数变量，采用不同的激光工艺参数变量，分别在与不同试件表面进行多组单层铣削制造；所述激光工艺参数变量包括激光功率、脉冲频率和扫描速度；所述试件的材料与待加工工件材料一致；
步骤二，对完成单层激光铣削的试件，沿试件垂直面进行剖切，并采集剖面处侧面面型特征图像和深度；
步骤三，分别对步骤二采集的侧面面型特征图像进行处理，提取各激光工艺参数下，加工特征侧面面型特征量，包括不同加工深度处的特征点及特征点处的曲线曲率；
步骤四，对步骤三处理得到的多组不同激光工艺参数下，加工特征侧面面型特征量进行整理，建立不同单层加工深度下激光工艺参数对应的制造侧面面型特征的数据库；
步骤五，在激光铣削前，从步骤四的数据库中选取单层加工深度作为分层厚度，基于该分层厚度采用分层软件对待加工模型进行均匀分层，基于均匀分层后的待加工模型，提取出单层制造截面边缘曲线的特征量，并记录分层厚度；
步骤六，根据待加工模型分层厚度，设置满足加工精度要求的容差范围，将待加工模型各单层制造截面边缘曲线的特征量，分别与步骤四建立的数据库中制造侧面面型特征量进行匹配，在容差范围内分别选取数据库中与待加工模型各单层制造截面边缘曲线的特征量容差最小的制造侧面面型特征对应的激光制造工艺参数，作为待加工模型各层的制造工艺参数；
步骤七，设置加工程序，逐层对应步骤六选取的制造工艺参数，完成加工。
进一步地，所述步骤三具体为：
首先，对侧面面型特征图像进行预处理，消除图像噪声，减小特征提取误差；其次，采用图像识别算法提取侧面面型特征曲线，在提取的曲线上沿加工深度方向均匀设置至少一个特征点；最后，计算出各特征点处的曲线曲率。
进一步地，步骤三种在提取的曲线上沿加工深度方向均匀设置3-5个特征点。
进一步地，步骤二中利用电子显微镜采集剖面处侧面面型特征图像和深度。
与现有技术相比，本发明有益效果：
本发明采用实验的手段，获得激光器在不同激光工艺参数下聚焦在材料表面形成的单层制造侧面面型，精确测量后建立激光工艺参数与单层制造侧面面型特征之间关系的数据库，在激光铣削前的软件分层操作后，根据模型中分层所形成的侧面面型，在事先建立的数据库中查找相应的激光工艺参数，实现激光分层铣削单层激光工艺参数优化，进而提高轴对称特征激光铣削制造特征表面粗糙度。
附图说明
图1是激光分层制造产生的“台阶效应”示意图。
图2是本发明需要采集(或提取)的图像范围示意图。
图3是本发明在对侧面面型特征图像进行处理时，特征点的选取示意图。
图4是本发明实施例所需要加工的轴对称孔的示意图。
图5是本发明实施例不同单层加工深度对应的侧面面型特征示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提出的改进激光铣削表面粗糙度的方法，主要是针对由于分层制造中的“台阶效应”引起的制造表面粗糙度大的问题，具体实施步骤如下：
步骤一，调节激光工艺参数变量(激光功率、脉冲频率、扫描速度等)，采用不同的激光工艺参数变量，分别在与待加工工件材料一致的不同试件表面进行多组单层铣削制造；
步骤二，对完成单层激光铣削的试件，沿试件垂直面(即沿加工深度方向)进行剖切，并采用电子显微镜对剖面进行观察和图像采集，主要采集加工形成的侧面面型特征图像和深度(该深度即单层加工深度)，如图2所示；
步骤三，分别对步骤二采集的侧面面型特征图像进行处理，提取各激光工艺参数下，加工特征侧面面型特征量，包括不同加工深度处的特征点及特征点处的曲线曲率。具体方法为：首先，对侧面面型特征图像进行预处理，消除图像噪声，减小特征提取误差；其次，采用图像识别算法提取侧面面型特征曲线，在提取的曲线上沿加工深度方向均匀设置至少一个特征点，例如在深度t、2t和3t处分别设置特征点，如图3所示(设置的特征点越密集，精度越高，但越不容易识别和提取，所以优选3-5个特征点)；最后，计算出各特征点处的曲线曲率。
步骤四，对步骤三处理得到的多组不同激光工艺参数下，加工特征侧面面型特征量进行整理，建立不同单层加工深度下激光工艺参数对应的制造侧面面型特征的数据库。
步骤五，在激光铣削前，从步骤四的数据库中选取单层加工深度作为分层厚度，基于该分层厚度采用分层软件对待加工模型进行均匀分层，基于均匀分层后的待加工模型，提取出单层制造截面边缘曲线的特征量(特征点和特征点处的曲率)，并记录分层厚度(即单层加工深度)。
步骤六，根据待加工模型分层厚度，设置满足加工精度要求的容差范围，将待加工模型各单层制造截面边缘曲线的特征量，分别与步骤四建立的数据库中制造侧面面型特征量进行匹配，在容差范围内分别选取数据库中与待加工模型各单层制造截面边缘曲线的特征量容差最小的制造侧面面型特征对应的激光制造工艺参数，作为待加工模型各层的制造工艺参数。
步骤七，设置加工程序，逐层对应步骤六选取的制造工艺参数，完成加工。
实施例：
采用飞秒激光铣削设备在不锈钢平板上加工一个如图4所示的轴对称孔特征，具体步骤如下：
步骤一，调节飞秒激光工艺参数变量，激光功率在5W-20W之间变化、脉冲频率在10KHz-30KHz之间变化、扫描速度在300mm/s-1000mm/s之间变化，在不同的不锈钢试件表面进行多组单层铣削制造；
步骤二，对完成单层激光铣削的不锈钢试件，沿试件垂直面进行剖切，并采用电子显微镜采集剖面图像，主要采集加工形成的侧面面型特征图像和深度；
步骤三，分别对步骤二采集的侧面面型特征图像进行处理，提取各激光工艺参数下，不同加工深度处的特征点及特征点处的曲线曲率。
步骤四，对步骤三得到的各组不同的激光工艺参数下，加工特征侧面面型特征量进行整理，建立分别为5μm、10μm、30μm、50μm单层加工深度(分别对应图5所示的加工深度1-4)下激光工艺参数对应的制造侧面面型特征的数据库。
步骤五，在激光铣削前，采用分层软件对待加工模型进行均匀分层，分层厚度设置为30μm，提取出各单层制造截面边缘曲线的特征量(特征点和曲率)。
步骤六，根据待加工模型分层厚度和加工精度要求，设置容差范围为10％，将待加工模型单层制造截面边缘曲线特征量，与步骤四建立的数据库中制造侧面面型特征量进行特征匹配，匹配误差小于10％则认为特征匹配成功，并在匹配成功的特征量中选取容差最小的特征量，将该特征量对应的激光工艺参数，作为待加工模型模型该层的制造参数。
步骤七，对软件分层后所有单层进行步骤六操作，得到激光逐层铣削过程中每一层的制造工艺参数。
步骤八，设置加工程序，逐层对应制造工艺参数，完成加工。

Claims (4)

1.一种改进激光铣削表面粗糙度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，调节激光工艺参数变量，采用不同的激光工艺参数变量，分别在与不同试件表面进行多组单层铣削制造；所述激光工艺参数变量包括激光功率、脉冲频率和扫描速度；所述试件的材料与待加工工件材料一致；
步骤二，对完成单层激光铣削的试件，沿试件垂直面进行剖切，并采集剖面处侧面面型特征图像和深度；
步骤三，分别对步骤二采集的侧面面型特征图像进行处理，提取各激光工艺参数下，加工特征侧面面型特征量，包括不同加工深度处的特征点及特征点处的曲线曲率；
步骤四，对步骤三处理得到的多组不同激光工艺参数下，加工特征侧面面型特征量进行整理，建立不同单层加工深度下激光工艺参数对应的制造侧面面型特征的数据库；
步骤五，在激光铣削前，从步骤四的数据库中选取单层加工深度作为分层厚度，基于该分层厚度采用分层软件对待加工模型进行均匀分层，基于均匀分层后的待加工模型，提取出单层制造截面边缘曲线的特征量，并记录分层厚度；
步骤六，根据待加工模型分层厚度，设置满足加工精度要求的容差范围，将待加工模型各单层制造截面边缘曲线的特征量，分别与步骤四建立的数据库中制造侧面面型特征量进行匹配，在容差范围内分别选取数据库中与待加工模型各单层制造截面边缘曲线的特征量容差最小的制造侧面面型特征对应的激光制造工艺参数，作为待加工模型各层的制造工艺参数；
步骤七，设置加工程序，逐层对应步骤六选取的制造工艺参数，完成加工。
2.根据权利要求1所述的改进激光铣削表面粗糙度的方法，其特征在于，所述步骤三具体为：
首先，对侧面面型特征图像进行预处理，消除图像噪声，减小特征提取误差；其次，采用图像识别算法提取侧面面型特征曲线，在提取的曲线上沿加工深度方向均匀设置至少一个特征点；最后，计算出各特征点处的曲线曲率。
3.根据权利要求2所述的改进激光铣削表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤三种在提取的曲线上沿加工深度方向均匀设置3-5个特征点。
4.根据权利要求2或3所述的改进激光铣削表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤二中利用电子显微镜采集剖面处侧面面型特征图像和深度。
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