CN112317784B - 激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法 - Google Patents

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Abstract

激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法属于超精密车削加工技术领域。装置包括气动隔振平台、快速刀具伺服装置、快速刀具伺服移动部件、主轴系统、主轴移动系统和飞秒激光器。本发明公开的快速刀具伺服车削加工拓展了超精密车床的加工范围，提高一步制造金属基复杂阵列结构功能表面的制备效率。激光辅助刻蚀技术改善难加工金属材料的加工特性，形成了微纳米级表面结构的制备能力。刀具部分时间参与切削，其他时间与工件分离，分离时便于切削散热和切屑的排出。改善了刀具与已加工表面的摩擦状态，使表面质量进一步提高，同时大大降低了切削力；减少刀具磨损、延长刀具寿命：本发明可以实现难加工材料功能表面的切削。

Description

激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法
技术领域
本发明属于超精密车削加工技术领域，特别是涉及到一种激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法。
背景技术
随着技术的发展，非共振型快速刀具伺服车削具有其特有的优势，其工作频率大约为300Hz～10KHz，工作行程为10μm～1000μm左右。快速刀具伺服车削加工是一种复合特种加工技术，它复合了传统超精密车削和振动加工的一种材料去除方式，在提高硬脆材料去除效率、减小切削力、提高加工精度和复杂阵列结构功能表面创成等方面具有显著优势。
激光束激光表面刻蚀技术是指利用高亮度、方向性强、高强度的高能脉冲激光束直接作用于材料，属于宏观非接触加工，该种激光可以通过调整激光功率、加工速度、加工间距等参数，在零件表面刻蚀出规则的微纳结构，改善材料表面润湿性能。根据脉冲宽度的不同，可分为纳秒、皮秒、飞秒激光。激光加工具有无工具磨损、适用范围广、灵活性高、加工材料的热影响区小等优势。
目前对将激光束激光表面刻蚀技术与振动车削相融合对硬脆材料进行功能表面切削的技术鲜有报道。因此现有技术当中亟需一种新型的技术方案来解决难加工材料功能表面制备的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法用于解决现有技术中对硬脆材料加工过程中会产生崩碎，破裂，刀具磨损严重等技术问题。
激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法，利用激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面装置，所述激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面装置包括气动隔振平台、快速刀具伺服装置、快速刀具伺服移动部件、主轴系统、主轴移动系统和飞秒激光器，所述快速刀具伺服装置包括单晶金刚石刀具、快速刀具伺服装置主体、压电陶瓷叠堆和预紧螺栓；所述快速刀具伺服装置主体通过快速刀具伺服移动部件安装在气动隔振平台上部的一侧；所述压电陶瓷叠堆通过预紧螺栓在快速刀具伺服装置主体的刀具安装部分驱动单晶金刚石刀具振动；所述主轴系统通过主轴移动系统安装在气动隔振平台上部的另一侧，主轴系统包括主轴、主轴架和夹持工件的真空卡盘；所述飞秒激光器发出通过光纤与单晶金刚石刀具连接；所述单晶金刚石刀具通过飞秒激光器发射的激光在工件的表面进行车削；所述快速刀具伺服移动部件包括快速刀具伺服装置X方向移动系统、快速刀具伺服装置Z方向移动系统、快速刀具伺服装置Y方向固定部件和快速刀具伺服装置Y方向移动部件；所述快速刀具伺服装置X方向移动系统安装在气动隔振平台上部并沿X轴方向移动，快速刀具伺服装置X方向移动系统的上部与快速刀具伺服装置Z方向移动系统连接；所述快速刀具伺服装置Z方向移动系统沿Z轴方向移动；所述快速刀具伺服装置Y方向固定部件安装在快速刀具伺服装置Z方向移动系统的上部；所述快速刀具伺服装置Y方向移动部件与快速刀具伺服装置Y方向固定部件的侧部滑动连接，快速刀具伺服装置Y方向移动部件沿Y轴方向移动；所述主轴移动系统包括主轴X方向移动系统和主轴Z方向移动系统；所述主轴X方向移动系统安装在气动隔振平台的上部并沿X轴方向移动；所述主轴Z方向移动系统安装在主轴X方向移动系统的上部并沿Z轴方向移动；所述主轴架通过螺栓安装在主轴Z方向移动系统上，主轴架的中间设置有主轴；所述主轴的端部安装真空卡盘；包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：
步骤一：根据待加工工件的材质和尺寸，将预先编制的适应于具有表面微结构的功能表面的加工程序，输入到机床系统中；
步骤二：利用真空卡盘安装固定工件，让主轴低速转动，调整工件的中心位置，为后续加工做准备；
步骤三：机床系统分别自动调整快速刀具伺服装置X方向移动系统、快速刀具伺服装置Z方向移动系统、快速刀具伺服装置Y方向移动部件、主轴X方向移动系统以及主轴Z方向移动系统，使工件的中心对准单晶金刚石刀具的中心；
步骤四：打开压电陶瓷叠堆的制动器，单晶金刚石刀具在压电陶瓷叠堆的驱动下按照设定的工作频率低频振动；
步骤五：打开飞秒激光器，设定飞秒激光器的工作频率，操作人员带上防激光眼镜，注意激光防护；
步骤六：启动运行加工程序，对工件进行微结构功能表面的车削创成制造。
所述单晶金刚石刀具的设定工作频率为2KHz。
所述飞秒激光器的设定工作频率为100KHz。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、激光辅助具体有两个作用，一是对于难切削材料，在车削之前进行材料软化，减低切削难度；二是对于普通金属材料可以实现表面刻蚀形成微纳米表面结构，制造具有疏液减反等性能的功能表面。因此激光倍频切削降低了切削微区内材料的去除难度，利用快速刀具伺服车削可以实现阵列结构功能表面的车削。
2、快速刀具伺服车削加工拓展了超精密车床的加工范围，提高一步制造金属基复杂阵列结构功能表面的制备效率。
3、激光辅助刻蚀技术改善难加工金属材料的加工特性，形成了微纳米级表面结构的制备能力。
4、激光辅助快速刀具伺服车削两者技术的复合，实现了断续车削，刀具部分时间参与切削，其他时间与工件分离，分离时便于切削散热，更有利于切屑的排出，改善了刀具与已加工表面的摩擦状态，使表面质量进一步提高，同时大大降低了切削力；减少刀具磨损、延长刀具寿命；激光辅助快速刀具伺服切削可以实现难加工材料功能表面的切削。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法中装置的整体轴测结构示意图；
图2为本发明激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法中装置的加工位置示意图；
图3为本发明激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法中装置的激光路径示意图；
图4为本发明激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法的车削功能表面示意图。
图中，1-气动隔振平台、2-快速刀具伺服装置、201-单晶金刚石刀具、202-快速刀具伺服装置主体、203-压电陶瓷叠堆、204-预紧螺栓、3-快速刀具伺服移动部件、301-快速刀具伺服装置X方向移动系统、302-快速刀具伺服装置Z方向移动系统、303-快速刀具伺服装置Y方向固定部件、304-快速刀具伺服装置Y方向移动部件、4-主轴系统、401-真空卡盘、402-主轴、403-主轴架、5-主轴移动系统、501-主轴X方向移动系统、502-主轴Z方向移动系统、6-飞秒激光器、601-光纤、7-工件。
具体实施方式
本发明公开的激光辅助倍频快速刀具伺服车削技术正是凭借激光加工与振动车削加工两者优势，而能获得较为理想加工效果的一种新型功能表面的制造方法。所谓倍频加工技术是计算测量好振动切削的频率与激光发生器的频率。因为飞秒激光器的频率一般都在100KHz～1000KHz左右，是快速刀具伺服振动频率的100倍左右，也就意味着，刀具振动一次，激光束轰击待加工表面100次左右，进而实现激光发生的频率与快速刀具伺服的频率形成倍频关系。
本发明具体技术方案如下：
如图所示，激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面装置，包括气动隔振平台1、快速刀具伺服装置2、快速刀具伺服移动部件3、主轴系统4、主轴移动系统5和飞秒激光器6，
所述气动隔振平台1是本发明精密激光辅助倍频快速刀具伺服车削加工的基础，隔离外界的振动源。
所述快速刀具伺服装置2包括单晶金刚石刀具201、快速刀具伺服装置主体202、压电陶瓷叠堆203和预紧螺栓204；所述快速刀具伺服装置主体202通过螺栓安装在快速刀具伺服装置Y方向移动部件304上；所述压电陶瓷叠堆203通过预紧螺栓204的预紧作用在快速刀具伺服装置主体202的刀具安装部分驱动单晶金刚石刀具201进行微幅振动，振动频率为2KHz。
所述快速刀具伺服移动部件3包括快速刀具伺服装置X方向移动系统301、快速刀具伺服装置Z方向移动系统302、快速刀具伺服装置Y方向固定部件303和快速刀具伺服装置Y方向移动部件304；所述快速刀具伺服装置X方向移动系统301安装在气动隔振平台1上；所述快速刀具伺服装置Z方向移动系统302坐落在快速刀具伺服装置X方向移动系统301上；所述快速刀具伺服装置Y方向固定部件303安装在快速刀具伺服装置Z方向移动系统302上，快速刀具伺服装置Y方向移动部件304与快速刀具伺服装置Y方向固定部件303相配合进行上下方向的移动。
所述主轴系统4包括真空卡盘401、主轴402和主轴架403；所述403通过螺栓安装在主轴Z方向移动系统502上，主轴架403中间是主轴402，主轴402的端部安装有真空卡盘401负责夹持工件7。
所述主轴移动系统5，包括主轴X方向移动系统501和主轴Z方向移动系统502；主轴X方向移动系统501安装在气动隔振平台1上，主轴Z方向移动系统502安装在主轴X方向移动系统501上进行移动。
所述飞秒激光器6，光纤601为高质量玻纤管，可以几乎无损的传播激光，激光有飞秒激光器6中发出通过光纤601到达单晶金刚石刀具201内部，透过单晶金刚石刀具作用在工件7的表面上。激光路径示意图如图3所示。
激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的工作方法，采用激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面进行加工，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一：根据待加工工件的材质，针对待加工工件7的材料和尺寸，制定加工工艺，编制适应于具有表面微结构的功能表面的加工程序，输入到机床系统中；
步骤二：利用真空卡盘401安装固定工件7，让主轴402低速转动，调整工件7的中心位置，为后续加工做准备；
步骤三：分别调整快速刀具伺服装置X方向移动系统301，快速刀具伺服装置Z方向移动系统302，快速刀具伺服装置Y方向移动部件304以及主轴X方向移动系统501，主轴Z方向移动系统502，使工件中心对准单晶金刚石刀具201的中心；
步骤四：打开压电陶瓷叠堆203的制动器，实现单晶金刚石刀具201低频振动，工作频率选定2KHz；
步骤五：打开飞秒激光器6，选择工作频率为100KHz，操作人员需要带上防激光眼镜，注意激光防护；
步骤六：运行操作程序，进行微结构功能表面的车削创成制造。
本发明激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法的车削功能表面图如图4所示，其中A表示激光辐照微纳米结构，B表示快速刀具伺服车削阵列结构。

Claims (3)

1.激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法，利用激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面装置，所述激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面装置包括气动隔振平台（1）、快速刀具伺服装置（2）、快速刀具伺服移动部件（3）、主轴系统（4）、主轴移动系统（5）和飞秒激光器（6），所述快速刀具伺服装置（2）包括单晶金刚石刀具（201）、快速刀具伺服装置主体（202）、压电陶瓷叠堆（203）和预紧螺栓（204）；所述快速刀具伺服装置主体（202）通过快速刀具伺服移动部件（3）安装在气动隔振平台（1）上部的一侧；所述压电陶瓷叠堆（203）通过预紧螺栓（204）在快速刀具伺服装置主体（202）的刀具安装部分驱动单晶金刚石刀具（201）振动；所述主轴系统（4）通过主轴移动系统（5）安装在气动隔振平台（1）上部的另一侧，主轴系统（4）包括主轴（402）、主轴架（403）和夹持工件（7）的真空卡盘（401）；所述飞秒激光器（6）发出通过光纤（601）与单晶金刚石刀具（201）连接；所述单晶金刚石刀具（201）通过飞秒激光器（6）发射的激光在工件（7）的表面进行车削；所述快速刀具伺服移动部件（3）包括快速刀具伺服装置X方向移动系统（301）、快速刀具伺服装置Z方向移动系统（302）、快速刀具伺服装置Y方向固定部件（303）和快速刀具伺服装置Y方向移动部件（304）；所述快速刀具伺服装置X方向移动系统（301）安装在气动隔振平台（1）上部并沿X轴方向移动，快速刀具伺服装置X方向移动系统（301）的上部与快速刀具伺服装置Z方向移动系统（302）连接；所述快速刀具伺服装置Z方向移动系统（302）沿Z轴方向移动；所述快速刀具伺服装置Y方向固定部件（303）安装在快速刀具伺服装置Z方向移动系统（302）的上部；所述快速刀具伺服装置Y方向移动部件（304）与快速刀具伺服装置Y方向固定部件（303）的侧部滑动连接，快速刀具伺服装置Y方向移动部件（304）沿Y轴方向移动；所述主轴移动系统（5）包括主轴X方向移动系统（501）和主轴Z方向移动系统（502）；所述主轴X方向移动系统（501）安装在气动隔振平台（1）的上部并沿X轴方向移动；所述主轴Z方向移动系统（502）安装在主轴X方向移动系统（501）的上部并沿Z轴方向移动；所述主轴架（403）通过螺栓安装在主轴Z方向移动系统（502）上，主轴架（403）的中间设置有主轴（402）；所述主轴（402）的端部安装真空卡盘（401）；其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一：根据待加工工件（7）的材质和尺寸，将预先编制的适应于具有表面微结构的功能表面的加工程序，输入到机床系统中；
步骤二：利用真空卡盘（401）安装固定工件（7），让主轴（402）低速转动，调整工件（7）的中心位置，为后续加工做准备；
步骤三：机床系统分别自动调整快速刀具伺服装置X方向移动系统（301）、快速刀具伺服装置Z方向移动系统（302）、快速刀具伺服装置Y方向移动部件（304）、主轴X方向移动系统（501）以及主轴Z方向移动系统（502），使工件（7）的中心对准单晶金刚石刀具（201）的中心；
步骤四：打开压电陶瓷叠堆（203）的制动器，单晶金刚石刀具（201）在压电陶瓷叠堆（203）的驱动下按照设定的工作频率低频振动；
步骤五：打开飞秒激光器（6），设定飞秒激光器（6）的工作频率，操作人员带上防激光眼镜，注意激光防护；
步骤六：启动运行加工程序，对工件（7）进行微结构功能表面的车削创成制造。
2.根据权利要求1所述的激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法，其特征是：所述单晶金刚石刀具（201）的设定工作频率为2KHz。
3.根据权利要求1所述的激光辅助倍频快速刀具伺服车削功能表面的方法，其特征是：所述飞秒激光器（6）的设定工作频率为100KHz。
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