CN112719621B - 一种激光加工曲面工件表面的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面改性技术领域，具体涉及一种激光加工曲面工件表面的装置及方法，装置包括：工件运动工作台、打标支架、激光打标器、旋转台、第一轴承座、第一传动杆、蜗杆、刻度轴、垂直设置在旋转台上的多个螺柱、升降台、第二轴承座、第二传动杆、蜗轮、减速电机以及通过连接套选择性的安装在第二传动杆端部或第一传动杆端部的三卡爪盘；工件被三卡爪盘夹紧；激光打标器位于工件的正上方。本发明通过电动模式，并命令激光打标器定点打标对曲面工件外周面的周向刻蚀；通过手动模式，并命令激光打标器沿曲面工件的轴线刻蚀，实现沿工件的轴线的轴向纹路的刻蚀，能够精确的在曲面工件的外周面加工周向沟槽状微结构和轴向沟槽状微结构。

Description

一种激光加工曲面工件表面的装置及方法

技术领域

本发明属于表面改性技术领域，具体涉及一种激光加工曲面工件表面的装置及方法。

背景技术

摩擦磨损性能是金属工件表面的重要性质，经研究表明，在金属工件表面上加工出微结构，能够有效地提升金属工件表面上的减摩减阻性能。这些表面微结构，可以提高金属工件表面的减摩减阻性，提升工件表面的自清洁性能，还能用来提升工件表面的抗腐蚀性等性能。除了使用化学刻蚀等方法在金属工件表面制备微织构，目前激光刻蚀法也是个不错的选择。随着短波长和短脉宽激光的发展，激光刻蚀加工技术已成为制备表面微织构的重要手段之一。

但是由于目前大部分的激光打标设备所发出的激光束方向无法改变，所以在弯曲的金属表面处加工微结构时一般不够精确，在加工曲面工件侧面时，常规的激光打标机无法保证激光束始终处在圆柱工件的径向方向上，也无法使每一个在圆柱侧面加工出的沟槽状微结构的深度保持不变，所以，需要设计一个特殊的装置来夹持曲面工件，以使我们使用普通的激光打标机也能在圆柱工件侧面加工出我们所需的微结构。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的在弯曲的金属表面加工微结构不精确的缺陷，提供一种能够精确在曲面工件的外周面加工周向沟槽状微结构和轴向沟槽状微结构的激光加工曲面工件表面的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种激光加工曲面工件表面的装置，其特征在于：包括工件运动工作台、垂直设置在所述工件运动工作台上的打标支架、滑动连接在所述打标支架上的激光打标器、安装在所述工件运动工作台上的旋转台、固定在所述旋转台上的两第一轴承座、通过轴承转动安装在两第一轴承座上的第一传动杆、固定安装在所述第一传动杆上的蜗杆、固定安装在所述第一传动杆上的刻度轴、垂直设置在所述旋转台上的多个螺柱，通过螺栓固定在所述螺柱上的升降台、固定在所述升降台上的两第二轴承座、通过轴承转动安装在两所述第二轴承座上的第二传动杆、固定安装在所述第二传动杆上的蜗轮以及通过连接套选择性的安装在所述第二传动杆端部或第一传动杆端部的三卡爪盘；工件被所述三卡爪盘夹紧；所述激光打标器位于所述工件的正上方。

进一步地，还包括安装在所述工件运动工作台上的减速电机，所述第一传动杆通过联轴器与所述减速电机的输出轴连接。

进一步地，所述工件运动工作台上靠近三卡爪盘的一侧具有导向滑轨，所述导向滑轨的中心轴与所述减速电机输出轴的中心轴平行，所述导向滑轨上滑动连接有高度调节杆，所述高度调节杆的延伸方向与所述导向滑轨延伸方向垂直；所述高度调节杆上滑动连接有挡块，所述挡块正对所述激光打标器的位置具有对位缝，所述对位缝的中心线与减速电机输出轴的中心轴线位于同一个平面内。

进一步地，所述高度调节杆为方杆，所述挡块包括：滑动套设在所述高度调节杆上的方形框以及三角形遮挡块，所述对位缝位于三角形遮挡块的顶边，且对位缝不贯穿所述三角形遮挡块。

进一步地，所述导向滑轨为方形滑轨，所述高度调节杆的底端通过方形孔滑动连接在所述导向滑轨上。

进一步地，所述工件运动工作台上具有阶梯孔，所述阶梯孔的大径孔内安装有轴承，所述旋转台的中心转轴安装在轴承内部且穿过所述阶梯孔的小径孔，所述中心转轴的端部通过轴承端盖安装在所述工件运动工作台的底端。

进一步地，所述螺柱上套设有弹簧，所述升降台的两侧通过两螺旋安装在所述螺柱上的螺栓固定，与所述工件运动工作台相对的一侧的螺栓的端面上贴合有一垫片，所述弹簧夹设在所述工件运动工作台和所述垫片之间。

进一步地，所述蜗杆与蜗轮的传动比i＝60。

本发明还公开了一种激光加工曲面工件表面的方法，其特征在于：包括电动加工模式；所述电动加工模式的工作步骤为：

S11、将第一传动杆的一端通过联轴器与减速电机连接；

S12、将三卡爪盘通过连接套与第一传动杆的另一端连接，然后将曲面工件安装到三卡爪盘上；

S13、移动高度调节杆并调节挡块的高度，使挡块的下端面紧贴曲面工件的上表面；

S14、移动激光打标器至合适高度，调节激光打标器发射的激光束方向，使激光束正好射在挡块的对位缝内；

S15、启动减速电机带动曲面工件旋转，并移走挡块使激光束照射在曲面工件上，命令激光打标器定点打标，从而在曲面工件的外周面加工出周向纹理。

进一步地，还包括手动模式，所述手动模式的工作步骤为：

S21、将第一传动杆与所述联轴器脱开；

S22、将旋转台旋转90度；

S23、旋转套设在螺柱上的螺栓，以调节升降台的高度，使蜗轮与蜗杆啮合；

S24、将三卡爪盘通过连接套安装在第二传动杆的端部，然后将曲面工件安装到三卡爪盘上；

S25、移动高度调节杆并调节挡块的高度，使挡块的下端面紧贴曲面工件的上表面；

S26、移动激光打标器至合适高度，调节激光打标器发射的激光束方向，使激光束正好射在挡块的对位缝内；

S27、移走挡块，命令激光打标器沿曲面工件的轴线刻蚀，刻蚀完一道轴向纹理后，手动转动第一传动杆，并通过观察刻度轴上的刻度旋转一定的固定角度，然后命令激光打标器继续刻蚀另一道轴向纹理，最终在曲面工件的轴向表面加工出紧密型光栅微结构。

本发明的一种激光加工曲面工件表面的装置的有益效果是：

1、通过电动模式，并命令激光打标器定点打标对曲面工件外周面的周向刻蚀；通过手动模式，并命令激光打标器沿曲面工件的轴线刻蚀，实现沿工件的轴线的轴向纹路的刻蚀。

2、通过在曲面工件的上方设置挡块，且挡块上的对位缝的中心线与减速电机输出轴的中心线位于同一个平面内，在对工件加工之前，先通过对位缝确定激光束的方向，保证激光束的方向与曲面工件的中心轴线相交，保证在工件的外周面精确加工出所需要的沟槽状微结构。

3、通过传动比为i＝60的蜗轮蜗杆传动，能够实现对曲面工件的非常小角度精确旋转，且蜗轮蜗杆传动机械振动小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例电动模式整体结构图；

图2是本发明实施例手动模式整体结构图；

图3是本发明实施例工作运动工作台和打标支架结构图；

图4是本发明实施例部分结构图；

图5是本发明实施例部分结构连接爆炸图。

图中:1、打标支架，2、激光打标器，3、工件运动工作台，31、阶梯孔，4、旋转台，5、第一轴承座，6、第一传动杆，7、蜗杆，8、刻度轴，9、螺柱，10、升降台，11、螺栓，12、弹簧，13、第二轴承座，14、第二传动杆，15、三卡爪盘，16、曲面工件，17、减速电机，18、联轴器，19、导向滑轨，20、高度调节杆，21、挡块，211、对位缝，212、三角形遮挡块，213、方形框，22、轴承，23、轴承端盖，24、垫片，25、连接套，26、蜗轮。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图5所示的本发明的一种激光加工曲面工件表面的装置的具体实施例，可以用来激光刻蚀比如圆柱状等曲面工件16。激光加工曲面工件表面的装置包括：工件运动工作台3、垂直设置在工件运动工作台3上的打标支架1、滑动连接在打标支架1上的激光打标器2、安装在工件运动工作台3上的旋转台4、固定在旋转台4上的两第一轴承座5、通过轴承22转动安装在两第一轴承座5上的第一传动杆6、固定安装在第一传动杆6上的蜗杆7、固定安装在第一传动杆6上的刻度轴8、垂直设置在旋转台4上的多个螺柱9，通过螺栓11固定在螺柱9上的升降台10、固定在升降台10上的两第二轴承座13、通过轴承22转动安装在两第二轴承座13上的第二传动杆14、固定安装在第二传动杆14上的蜗轮26以及通过连接套25选择性的安装在第二传动杆14端部或第一传动杆6端部的三卡爪盘15；工件被三卡爪盘15夹紧；激光打标器2位于工件的正上方。本发明实施例的激光加工曲面工件表面的装置还包括安装在工件运动工作台3上的减速电机17，第一传动杆6通过联轴器18选择性的与减速电机17的输出轴连接。

本实施例中旋转台4通过轴承22转动安装在工件运动工作台3上，具体地，工件运动工作台3上具有阶梯孔31，阶梯孔31的大径孔内安装有轴承22，旋转台4的中心转轴安装在轴承22内部且穿过阶梯孔31的小径孔，中心转轴的端部通过轴承端盖23安装在工件运动工作台3的底端。轴承端盖23通过螺纹连接在阶梯孔31的下端，用于封闭底部孔洞，且利于存储润滑油。

螺柱9上套设有弹簧12，升降台10的两侧通过两螺旋安装在螺柱9上的螺栓11固定，与工件运动工作台3相对的一侧的螺栓11的端面上贴合有一垫片24，弹簧12夹设在工件运动工作台3和垫片24之间。

本实施例中，蜗杆7与蜗轮26的传动比i＝60。

本发明实施例具有手动模式和电动模式，旋转台4的外周具有包括平面圆弧曲面，工件运动工作台3上均布有四个安装孔，旋转台4旋转90度与不同的安装孔固定连接，实现手动模式和电动模式的定位，当电动模式时，升降台10位于高位，蜗轮26与蜗杆7脱离，第一传动杆6的一端通过联轴器18连接在减速电机17的输出轴上，另一端通过连接套25连接三卡爪盘15，三卡爪盘15用来夹紧曲面工件16，减速电机17直接带动第一传动杆6旋转，此种状态下命令激光打标器2定点打标可完成曲面外周面的周向刻蚀，若为圆柱状工件则电动模式对圆柱状工件的周向进行刻蚀。

当需要将电动模式转换为手动模式时，将固定旋转台4的螺栓11拧下，并将旋转台4转动90度，使旋转台4与另外两个安装孔通过螺栓11固定，调节套设在螺栓11的高度，使升降台10下降直到蜗轮26与蜗杆7合理啮合，并且通过连接套25将三卡爪盘15安装到第二传动杆14的端部，可通过手动旋转第一传动杆6驱动第二传动杆14转动。

为了在进行刻蚀加工前调节激光打标器2的光束角度和位置，在曲面工件16的上表面放置以挡块21遮挡，防止调试时对工件误加工，工件运动工作台3上靠近三卡爪盘15的一侧具有导向滑轨19，导向滑轨19为方形滑轨，导向滑轨19的中心轴与减速电机17输出轴的中心轴平行，导向滑轨19上滑动连接有高度调节杆20，高度调节杆20的延伸方向与导向滑轨19延伸方向垂直；高度调节杆20为方杆，高度调节杆20的底端通过方形孔滑动连接在导向滑轨19上；高度调节杆20上滑动连接有挡块21，挡块21包括：滑动套设在高度调节杆20上的方形框213以及三角形遮挡块212，挡块21正对激光打标器2的位置具有对位缝211，对位缝211的中心线与减速电机17输出轴的中心轴线位于同一个平面内。对位缝211位于三角形遮挡块212的顶边，且对位缝211不贯穿三角形遮挡块212。

具体地，本发明的激光加工曲面工件表面的方法，包括电动加工模式和手动模式；电动加工模式的工作步骤为：

S11、将第一传动杆6的一端通过联轴器18与减速电机17连接；

S12、将三卡爪盘15通过连接套25与第一传动杆6的另一端连接，然后将曲面工件16安装到三卡爪盘15上；

S13、移动高度调节杆20并调节挡块21的高度，使挡块21的下端面紧贴曲面工件16的上表面；

S14、移动激光打标器2至合适高度，调节激光打标器2发射的激光束方向，使激光束正好射在挡块21的对位缝211内；

S15、启动减速电机17带动曲面工件16旋转，并移走挡块21使激光束照射在曲面工件16上，命令激光打标器2定点打标，从而在曲面工件16的外周面加工出周向纹理。

电动模式用工件的转动速度代替传动激光打标的激光扫描速度，能够在曲面工件16的外表面加工出规整的周向纹理。

手动模式的工作步骤为：

S21、将第一传动杆6与联轴器18脱开；

S22、将旋转台4旋转90度并固定；

S23、旋转套设在螺柱9上的螺栓11，以调节升降台10的高度，使蜗轮26与蜗杆7啮合；

S24、将三卡爪盘15通过连接套25安装在第二传动杆14的端部，然后将曲面工件16安装到三卡爪盘15上；

S25、移动高度调节杆20并调节挡块21的高度，使挡块21的下端面紧贴曲面工件16的上表面；

S26、移动激光打标器2至合适高度，调节激光打标器2发射的激光束方向，使激光束正好射在挡块21的对位缝211内；

S27、移走挡块21，命令激光打标器2沿曲面工件16的轴线刻蚀，刻蚀完一道轴向纹理后，手动转动第一传动杆6，并通过观察刻度轴8上的刻度旋转一定的固定角度，然后命令激光打标器2继续刻蚀另一道轴向纹理，最终在曲面工件16的轴向表面加工出紧密型光栅微结构。

由于蜗轮蜗杆的传动比为i＝60，旋转第一传动杆660度，工件只旋转1度，工件旋转的精度非常高，能够实现对曲面工件16的非常小角度精确旋转，且蜗轮蜗杆传动机械振动小，能够均匀的在工件表面规整的加工出轴向纹理；其中每条轴向纹理之间间距的精度可达到微米级。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种激光加工曲面工件表面的方法，采用激光加工曲面工件表面的装置，所述装置包括：工件运动工作台（3）、垂直设置在所述工件运动工作台（3）上的打标支架（1）、滑动连接在所述打标支架（1）上的激光打标器（2）、安装在所述工件运动工作台（3）上的旋转台（4）、固定在所述旋转台（4）上的两第一轴承座（5）、通过轴承（22）转动安装在两第一轴承座（5）上的第一传动杆（6）、固定安装在所述第一传动杆（6）上的蜗杆（7）、固定安装在所述第一传动杆（6）上的刻度轴（8）、垂直设置在所述旋转台（4）上的多个螺柱（9）、通过螺栓（11）固定在所述螺柱（9）上的升降台（10）、固定在所述升降台（10）上的两第二轴承座（13）、通过轴承（22）转动安装在两所述第二轴承座（13）上的第二传动杆（14）、固定安装在所述第二传动杆（14）上的蜗轮（26）以及通过连接套（25）选择性的安装在所述第二传动杆（14）端部或第一传动杆（6）端部的三卡爪盘（15）；曲面工件（16）被所述三卡爪盘（15）夹紧；所述激光打标器（2）位于所述工件的正上方；所述装置还包括安装在所述工件运动工作台（3）上的减速电机（17），所述第一传动杆（6）通过联轴器（18）与所述减速电机（17）的输出轴连接；所述工件运动工作台（3）上靠近三卡爪盘（15）的一侧具有导向滑轨（19），所述导向滑轨（19）的中心轴与所述减速电机（17）输出轴的中心轴平行，所述导向滑轨（19）上滑动连接有高度调节杆（20），所述高度调节杆（20）的延伸方向与所述导向滑轨（19）延伸方向垂直；所述高度调节杆（20）上滑动连接有挡块（21），所述挡块（21）正对所述激光打标器（2）的位置具有对位缝（211），所述对位缝（211）的中心线与减速电机（17）输出轴的中心轴线位于同一个平面内；所述高度调节杆（20）为方杆，所述挡块（21）包括：滑动套设在所述高度调节杆（20）上的方形框（213）以及三角形遮挡块（212），所述对位缝（211）位于三角形遮挡块（212）的顶边，且对位缝（211）不贯穿所述三角形遮挡块（212）；所述蜗杆（7）与蜗轮（26）的传动比i=60；其特征在于：所述方法包括电动加工模式和手动模式；所述电动加工模式的工作步骤为：

S11、将第一传动杆（6）的一端通过联轴器（18）与减速电机（17）连接；

S12、将三卡爪盘（15）通过连接套（25）与第一传动杆（6）的另一端连接，然后将曲面工件（16）安装到三卡爪盘（15）上；

S13、移动高度调节杆（20）并调节挡块（21）的高度，使挡块（21）的下端面紧贴曲面工件（16）的上表面；

S14、移动激光打标器（2）至合适高度，调节激光打标器（2）发射的激光束方向，使激光束正好射在挡块（21）的对位缝（211）内；

S15、启动减速电机（17）带动曲面工件（16）旋转，并移走挡块（21）使激光束照射在曲面工件（16）上，命令激光打标器（2）定点打标，从而在曲面工件（16）的外周面加工出周向纹理；

所述手动模式的工作步骤为：

S21、将第一传动杆（6）与所述联轴器（18）脱开；

S22、将旋转台（4）旋转90度；

S23、旋转套设在螺柱（9）上的螺栓（11），以调节升降台（10）的高度，使蜗轮（26）与蜗杆（7）啮合；

S24、将三卡爪盘（15）通过连接套（25）安装在第二传动杆（14）的端部，然后将曲面工件（16）安装到三卡爪盘（15）上；

S25、移动高度调节杆（20）并调节挡块（21）的高度，使挡块（21）的下端面紧贴曲面工件（16）的上表面；

S26、移动激光打标器（2）至合适高度，调节激光打标器（2）发射的激光束方向，使激光束正好射在挡块（21）的对位缝（211）内；

S27、移走挡块（21），命令激光打标器（2）沿曲面工件（16）的轴线刻蚀，刻蚀完一道轴向纹理后，手动转动第一传动杆（6），并通过观察刻度轴（8）上的刻度旋转一定的固定角度，然后命令激光打标器（2）继续刻蚀另一道轴向纹理，最终在曲面工件（16）的轴向表面加工出紧密型光栅微结构。

2.根据权利要求1所述的一种激光加工曲面工件表面的方法，其特征在于：所述导向滑轨（19）为方形滑轨，所述高度调节杆（20）的底端通过方形孔滑动连接在所述导向滑轨（19）上。

3.根据权利要求1所述的一种激光加工曲面工件表面的方法，其特征在于：所述工件运动工作台（3）上具有阶梯孔（31），所述阶梯孔（31）的大径孔内安装有轴承（22），所述旋转台（4）的中心转轴安装在轴承（22）内部且穿过所述阶梯孔（31）的小径孔，所述中心转轴的端部通过轴承端盖（23）安装在所述工件运动工作台（3）的底端。

4.根据权利要求1所述的一种激光加工曲面工件表面的方法，其特征在于：所述螺柱（9）上套设有弹簧（12），所述升降台（10）的两侧通过两螺旋安装在所述螺柱（9）上的螺栓（11）固定，与所述工件运动工作台（3）相对的一侧的螺栓（11）的端面上贴合有一垫片（24），所述弹簧（12）夹设在所述工件运动工作台（3）和所述垫片（24）之间。

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