CN112975408A - 多激光多轴车削-cnc铣削复合加工方法及系统 - Google Patents

多激光多轴车削-cnc铣削复合加工方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多激光多轴车削‑CNC铣削复合加工方法，其包括：利用至少一激光束对工件表层的难加工材料进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行空间姿态可调的多激光车削处理，或者，直接进行空间姿态可调的多激光车削处理；以及，利用CNC铣削方式对工件进行加工。本发明还公开了一种多激光多轴车削‑CNC铣削复合加工系统，其包括激光车削单元、CNC铣削单元和计算机控制单元等。藉由本发明可以针对硬脆性难加工材料、难切削材料以及其它极端性能材料，在多坐标加工设备上实现各类特征高性能工艺复合加工，尤其是实现回转体、台阶、凹槽、薄壁等的高精度数控加工，工件特征具有一般适应性和扩展性。

Description

多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法及系统
技术领域
本发明涉及一种机械工件的加工方法，具体涉及一种多激光多轴车削-CNC(数控，ComputerNumerical Control)铣削复合加工方法及系统。
背景技术
先进性、引领性、极端性能材料(如超硬、超脆、超软、复合材料、难切削材料等)在航空航天、空间探测等关键领域具有重大应用价值，在现代科技中的拓展领域应用前景十分广阔。然而目前对基于此类材料的工件(例如回转零部件)进行加工时，面临巨大挑战。
以硬脆性材料威力，其硬度高，脆性大，所以在进行功能化结构特征加工时，加工几何精度和表面完整性难以保证，材料易损伤，加工效率低。具体表现为：常规机械/超声加工时，刀具磨损严重，存在毛刺，纤维易拔出，加工一致性差，且效率难以提高；传统车削加工时，若对质量要求较高，则加工效率便难以保证，而若要实现大材料去除率加工，又常以表面质量的损失为代价；细长类回转零部件加工易变形。
如何实现前述先进性、引领性、极端性材料的精密功能化微细加工是业界亟需解决的重要难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法及系统，从而克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例的一个方面提供了一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其包括：
第一操作，包括：利用一个以上激光束至少对工件表层的难加工材料进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削，或者，利用一个以上激光束至少对工件表层的难加工材料直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理；
第二操作，包括：利用CNC铣削方式对工件进行加工；
其中，所述第一操作、第二操作是同步进行或者分步进行的。
所述的同步是指时间上实时并行。所述的分步是指时间上有先后。
在一些实施方式中，所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法具体包括：在一三维坐标系中进行所述第一操作，且在进行所述第一操作的过程中执行下列动作中的至少一种：
调节其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点与工件的加工区域之间的距离；
使其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点与工件至少沿所述三维坐标系的Z轴相对运动，和/或，使其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点绕所述三维坐标系的X轴或Y轴转动且控制转动角度，从而实现该至少一个激光束相对于工件的加工区域的离焦量和空间姿态控制。
在一些实施方式中，所述第一操作包括：
利用多束具有不同特性或相同特性的激光同步对工件的不同加工区域进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削处理，或者，利用多束具有不同特性或相同特性的激光同步对工件的不同加工区域直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理；
或者，利用具有不同特性或相同特性的激光分步对工件的同一加工区域进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削处理，或者，利用具有不同特性或相同特性的激光分步对工件的同一加工区域直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理。
在一些实施方式中，所述物理和/或化学改性包括：通过激光束产生的热效应和/或光-化学效应，使工件表层的难加工材料软化、熔融、气化或化学键断裂。
在一些实施方式中，所述激光微细去除改形处理包括：通过脉冲(短脉冲、超短脉冲)激光实现工件表层的难加工材料的微细去除以改变形状，从而为正式加工提供有利辅助。
在一些实施方式中，所述第二操作包括：利用计算机数字化控制方式使切削刀具对工件进行三轴联动加工。
在一些实施方式中，所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法还包括：在执行所述第一操作和/或第二操作的过程中，使工件绕旋转轴线进行回转运动。
在一些实施方式中，所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法还包括：交替重复第一操作及第二操作对工件进行加工，直至达到目标加工精度后终止加工。
在一些实施方式中，所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法具体包括：
1)对工件的加工区域内难加工材料的去除量进行判断，若去除量为微量，则进行步骤2)的操作，若去除量为大余量，则进行步骤3)的操作；
2)执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行车削，直至达到目标加工精度，终止加工；
3)对工件的加工区域内的难加工材料进行可加工性判断，若可加工性为易加工，则进行步骤4)的操作，若可加工性为不易加工，则进行步骤5)的操作；
4)执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工，直至达到目标加工精度，终止加工；
5)先执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行物理和/或化学改性处理或激光微细去除改形处理，再执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工，之后判断是否达到目标加工精度，若是则终止加工，若否，则进行下列的一种操作或多种操作，直至达到目标加工精度后终止加工：
(i)执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削，或者，对工件的加工区域内的难加工材料直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理；
(ii)执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工；
(iii)重复步骤(i)或步骤(ii)或者交替重复步骤(i)及步骤(ii)。
本发明实施例的另一个方面提供了一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工系统，该复合加工系统应用于前述的任一种复合加工方法之中，并且该复合加工系统包括：
激光车削单元，包括一个以上激光器以及与所述激光器配合的光路系统末端或激光加工头，用于执行第一操作；
CNC铣削单元，包括铣刀及与铣刀连接的铣削运动模块，用于执行第二操作；以及
与所述激光车削单元及CNC铣削单元连接的计算机控制单元。
在一些实施方式中，所述一个以上激光器对对应的光路系统末端或激光加工头能够在一三维坐标系中运动，使该一个以上激光器所发射的激光束经过相应光路系统后的焦点与工件至少沿所述三维坐标系的Z轴相对运动，和/或，使该一个以上激光器所发射的激光束经过相应光路系统后的焦点绕所述三维坐标系的X轴或Y轴转动。
在一些实施方式中，所述激光器为多个。
在一些实施方式中，在该复合加工系统工作时，工件被固定在一主轴上并能够绕主轴轴线旋转。
在一些实施方式中，所述多激光车削单元还包括与所述激光器配合的在线监测装置，所述在线检测装置包括CCD视觉检测系统和位置定位装置中的任意一种或多种的组合，且不限于此。
在一些实施方式中，所述CNC铣削单元还包括与所述铣削运动模块配合的在线检测装置，所述在线监测装置包括机器视觉检测装置、声音传感器、力反馈位置测量装置、激光位移传感器中的任意一种或多种的组合，且不限于此。
与现有技术相比较，藉由本发明以上实施例所提供的技术方案，可以针对硬脆性难加工材料、难切削材料以及其它极端性能材料，在多坐标加工设备上实现各类特征高性能工艺复合加工，尤其是实现回转体、台阶、凹槽、薄壁等的高精度数控加工，工件特征具有一般适应性和扩展性，且因多坐标多激光车削和CNC铣削之间的空间方位分布和运动组合特点实现形式具有多样性、灵活性，故而还适用于多种应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方式中一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工系统的示意图；
图2是本发明一典型实施方式中一种对回转体零件进行多激光车削-CNC铣削复合加工的示意图；
图3是本发明一典型实施方式中一种对回转体零件的难加工材料进行多激光车削-CNC铣削复合加工的工艺流程图；
图4是本发明一典型实施方式中一种对回转体零件的台阶、微槽特征进行多激光车削-CNC铣削复合加工的示意图；
图5是本发明一典型实施方式中一种对回转体零件的台阶、微槽、斜面微结构特征进行多激光车削-CNC铣削复合加工的示意图。
具体实施方式
通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
本发明实施例提供的一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法包括：
第一操作，包括：利用一个以上激光束至少对工件表层的难加工材料进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理；
第二操作，包括：利用CNC铣削方式对工件进行加工；
其中，所述第一操作、第二操作是同步进行或者分步进行的。
在一些情况下，所述第一操作、第二操作可实现空间分布、时间同步。
进一步的，所述第一操作、第二操作，即多激光车削加工、CNC铣削加工可以联动进行，分别针对工件的不同的加工特征，发挥各自优势，进行选择性分区、特征驱动的复合加工；或者，针对工件的相同加工区域，多激光车削加工、CNC铣削加工的工艺或能量场在时间上先后进行，此时多激光车削加工为CNC铣削加工的辅助处理。
进一步的，所述第一操作可以包括：
利用多束具有不同特性或相同特性的激光同步对工件的不同加工区域进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削处理，或者，利用多束具有不同特性或相同特性的激光同步对工件的不同加工区域直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理；
或者，利用具有不同特性或相同特性的激光分步对工件的同一加工区域进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削处理，或者，利用具有不同特性或相同特性的激光分步对工件的同一加工区域直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理。
在一些情况下，该第一操作可以被定义为多激光车削，即，采用多束具有不同特性或相同特性的激光分区进行同步微细去除加工(异空间同时加工)，或者多束激光分步(时间有先后)加工同一区域，实现不同工艺目的的材料去除。
进一步的，所述的复合加工方法可以包括：在执行第一操作时，对该一个以上激光束进行空间矢量调控，以优化激光束与工件的难加工材料的加工作用区。
具体的，所述的复合加工方法可以包括：在一三维坐标系中进行所述第一操作，且在进行所述第一操作的过程中执行下列动作中的至少一种：
调节其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点与工件的加工区域之间的距离；
使其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点与工件至少沿所述三维坐标系的Z轴相对运动，和/或，使其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点绕所述三维坐标系的X轴或Y轴转动且控制转动角度，从而实现该至少一个激光束相对于工件的加工区域的空间姿态控制。其中，优选的，还可以在该至少一个激光束已有运动形式的基础上附加振动辅助，以实现光束运动的动态特性，所述振动包括低频、中频或高频和/或超声振动。通过附加沿激光光束轴线的振动可调节激光光斑与被加工材料之间的离焦量，同时加工区域的运动学变化可改善激光热量与工件材料作用过程中的散热效果，合理调控工艺，进而实现加工热影响的改善。
在一些情况下，该第一操作可以被定义为多激光多轴车削或多坐标多激光车削，即，采用多束激光束(包括单束、双束)对工件的表面区域进行车削处理，激光束可以实现焦点与加工材料间的距离调节，同时激光束经过相应光路系统后的焦点可以沿回转零部件的轴线方向运动，另外可以附加两个转动自由度，从而可以调整激光束的姿态。
通过采用前述多坐标多激光车削，可以实现难加工材料时间上的同步和空间上的多层次预处理或去除加工。
进一步的，所述物理和/或化学改性包括：通过激光束产生的热效应和/或光-化学效应，使工件表层的难加工材料软化、熔融、气化或化学键断裂，且不限于此。
进一步的，针对难加工材料，当以多激光车削加工作为CNC铣削加工的辅助处理时，其可以呈现为激光热效应处理改性辅助、激光微细去除改性/改形辅助等，且不限于此。
进一步的，所述第二操作可以包括：采用CNC铣削加工对工件典型特征(例如曲面、斜面、斜孔等)进行高效、高质、高精加工，或者对工件表面经第一操作(如激光车削处理)后的区域进行铣削处理。
其中，CNC铣削加工可以实现激光车削辅助的大进给量去除加工或激光车削后的材料去除。
在一些情况下，所述第二操作包括：利用计算机数字化控制方式使切削刀具对工件进行三轴联动加工。
本发明以上实施例中将多激光车削工艺与CNC铣削工艺复合，可以充分发挥两者的优势，例如，多激光车削工艺采用多激光同时对多区域进行加工，可以提高加工效率，并能保证更好的加工质量，且与CNC铣削工艺复合，能进一步提高材料去除率，具有特征驱动、选择性分区处理、材料普适性以及复合方式多样性(例如运动实现形式多样、多坐标联动，如七轴联动多激光车削-CNC铣削复合)等技术特点，在大深度铣削平面特征、复杂特征侧壁加工以及高曲率曲面加工等复杂零部件的精密高效加工方面具有极大优势，例如可以实现回转零部件的非接触式高效表面加工、局部典型特征的高效去除加工等，尤其适应于先进性、引领性或极端性能材料(比如超硬、超脆、超软、复合材料、难切削材料等)的加工。
请参阅图1所示，在本发明的一个典型实施方式中，一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工系统包括：
激光车削单元，包括多个激光器71、72、…、7i(i＝1、2、…、n)以及与该多个激光器配合的光路系统末端或激光加工头等，该多个激光器可以发射多个激光束21、22、…、2i，用于执行前述的第一操作；
CNC铣削单元，包括铣刀4及与铣刀连接的铣削运动模块5，用于执行第二操作；
以及
与所述激光车削单元及CNC铣削单元连接的计算机控制单元6。
进一步的，所述激光车削单元还可包括CCD视觉检测系统、位置定位装置(如激光测距仪)及其他在线检测装置。
进一步的，所述CNC铣削单元还可包括在线检测装置，如机器视觉、声音传感器、力反馈位置测量装置或激光位移传感器等。
进一步，其中一个或多个激光器所对应的光路系统末端或激光加工头能够在一三维坐标系中运动，使该一个或多个激光器所发射的激光束经过相应光路系统后的焦点与工件至少沿所述三维坐标系的Z轴相对运动，和/或，使该一个或多个激光器所发射的激光束经过相应光路系统后的焦点绕所述三维坐标系的X轴或Y轴转动。
其中，还可以在该一个或多个激光器所发射激光束已有运动形式的基础上附加振动辅助，以实现光束运动的动态特性，所述振动包括低频、中频或高频和/或超声振动。通过附加沿激光光束轴线的振动可调节激光光斑与被加工材料之间的离焦量，同时加工区域的运动学变化可改善激光热量与工件材料作用过程中的散热效果，合理调控工艺，进而实现加工热影响的改善。
其中，所述工件可以为回转体，所述Z轴为所述回转体的轴线。该一个或多个激光器所发射的激光束经过相应光路系统后的焦点可以沿回转体轴线方向进行直线运动，也可沿垂直于该回转体轴线的方向进行直线移动，同时附加两个转动自由度；另外，回转工件还可以旋转运动。如此，仅一个激光车削单元，就可以实现五个维度的运动。
进一步，在该复合加工系统工作时，工件3通过卡盘1固定在一主轴上并能够绕主轴轴线旋转。
在该图1中，Ow、Xw、Yw、Zw为工件坐标系，OM、XM、YM、ZM为CNC铣削单元的坐标系，OLi、XLi、YLi、ZLi为激光车削单元的坐标系，CL、BL为激光光束的焦点相对于工件的转动角度。Vf是光束的焦点相对于工件的移动速度。nM、nW是铣刀、主轴的旋转速度。
采用该图1所示的复合加工系统，可以实现多激光多轴车削与CNC铣削同步复合的工艺，进而实现工件的加工，例如零部件的微细加工，实现形式上可以时间同步或时间分步以及空间上的同步或分步进行，具体形式如下：
(1)工件可以回转运动；
(2)激光束为单束、双束或多束；可以调节激光束对应的光路系统末端或激光加工头与加工材料间的距离，且通过直线移动实现加工焦点与材料的相对运动，同时，通过调节激光束对应的光路系统末端或激光加工头绕Z轴、Y轴的转动角度CL、BL，实现光束与加工区域的空间姿态控制；
(3)激光束通过热效应，如熔融、气化等，以及光-化学作用，即化学键断裂，从而实现工件的难加工材料表层软化、改性或薄层去除，并可以根据需求考虑是否进行下一步的CNC铣削去除；
(4)CNC铣削通过计算机数字化控制系统(即前述计算机控制单元6)进行数据处理，通过铣削运动模块5内的驱动器控制电机实现精密运动，并配合主轴，实现切削加工刀具的三轴联动加工；
(5)联动：针对不同的工件加工特征、加工技术要求、功能结构需求，多激光多轴车削和CNC铣削加工可以联动进行，实现选择性分区、特征驱动的复合加工，从而发挥各自优势，或者针对工件上相同的加工区域，多激光多轴车削和CNC铣削两种工艺或能量场在时间上先后进行，使激光车削作为CNC铣削的辅助处理。
在前述的加工过程中，可以按照本领域已知的方式，通过工艺基础研究，确定理想的激光光束相对于工件的角度范围，同时，结合其他本领域已知的工艺参数，建立可变轴激光车削工艺窗口；以及，可以依据一系列的已知工艺试验来进行矢量调控，相应的理想工艺参数(包括激光光束角度)可以通过数控系统驱动伺服电机控制一个或多个激光器对应的光路系统末端或激光加工头，进行姿态控制；激光参数可以通过激光控制单元调控，实现最优化加工工艺窗口。
在前述的加工过程中，同时还可采用前述的CCD视觉传感器、声音传感器、力反馈位置测量或激光位移传感器等在线检测装置实时监测整个加工系统的状态，并通过前述计算机控制单元及时调控激光车削单元、CNC铣削单元的工作状态。
请参阅图2所示，在一个较为具体的实施案例中，针对具有先进性、引领性或极端性能材料(如超硬、超脆、超软或其复合材料及难切削材料等)制成的回转体零件，可以采用前述的复合加工系统及相应的复合加工工艺进行加工，具体可以包括：先采用激光车削对待加工表面进行预处理，再采用CNC铣削进行精加工处理，然后再通过调控激光车削的工艺参数(例如功率、频率、扫描速度、重叠率、离焦量等，且不限于此)，对CNC铣削后工件表面需要进行精密加工的区域进行激光加工，从而实现特征驱动的选择性分区激光车削-CNC铣削复合型超精密加工。
请参阅图3所示，在一个较为具体的实施案例中，根据基于难加工材料的回转体零件特征，采用前述的复合加工系统及相应的复合加工工艺对该回转体零件进行加工的方式可以有3种加工工艺路线：
1)多激光车削：实现回转体难加工材料的微量去除；
2)CNC铣削：实现回转体难加工材料典型特征的大余量去除加工；
3)多激光车削热效应辅助复合CNC铣削：实现回转体难加工材料典型特征的大余量去除加工。
具体来说，请再次参阅图3，其中的一种加工方法可以包括如下步骤：
1)对工件的加工区域内难加工材料的去除量进行判断，若去除量为微量，则进行步骤2)的操作，若去除量为大余量，则进行步骤3)的操作；
2)执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行车削，直至达到目标加工精度，终止加工；
3)对工件的加工区域内的难加工材料进行可加工性判断，若可加工性为易加工，则进行步骤4)的操作，若可加工性为不易加工，则进行步骤5)的操作；
4)执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工，直至达到目标加工精度，终止加工；
5)先执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行物理和/或化学改性处理(例如使预处理区域的材料软化)，再执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工(例如进行CNC三轴铣削，实现成型加工)，之后判断是否达到目标加工精度，若是则终止加工，若否，则进行下列的一种操作或多种操作，直至达到目标加工精度后终止加工：
(i)执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理；
(ii)执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工；
(iii)重复步骤(i)或步骤(ii)或者交替重复步骤(i)及步骤(ii)。
请参阅图4所示，在一个较为具体的实施案例中，针对工件附带典型的结构特征，比如台阶面、微槽等，可先采用CNC铣削进行大余量加工，然后采用多激光车削实现精密加工。针对此类工况，有至少三种工艺路线：
1)较大材料去除量的微槽、台阶等特征由CNC铣削完成加工，再通过多激光车削实现工件回转面的精密加工；通过该两种工艺的优势互补，实现高效高完整性加工；
2)较大材料去除量的台阶、斜面等特征由CNC铣削完成加工，再通过多激光车削实现回转面的精密加工；另外，通过调控可变轴车削激光束的运动自由度，实现零部件上的微细特征(如，微孔、微小尺度槽、微细功能结构等)的高质高精加工；
3)激光热效应辅助处理难加工材料后，进行多激光车削-CNC铣削复合加工，加工实施情况如前述工艺路线1、2所述。
进一步的，请参阅图5，其中的一种加工方法可以包括如下步骤：
1)对回转体零件(简称回转体)的难加工材料进行特征识别，判断是微槽或台阶，还是斜面微结构；
2)执行第一操作，对回转体的难加工材料进行多激光车削，并使预处理区域的材料软化；
3)若步骤1)中识别出的回转体特征是微槽或台阶，则执行第二操作，对回转体进行铣削，实现微槽或台阶的成型加工，之后进行步骤5)的操作；
4)若步骤1)中识别出的回转体特征是斜面微结构，则执行第二操作，对回转体进行铣削，实现斜面的成型加工，之后进行步骤6)的操作；
5)执行第一操作，采用多激光车削实现微小余量去除加工，若达到目标加工精度，终止加工，反之则重复步骤2)、步骤3)、步骤5)的操作；
6)执行第一操作，采用多激光车削实现微结构加工，若达到目标加工精度，终止加工，反之则重复步骤2)、步骤4)、步骤6)的操作。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其特征在于包括：
第一操作，包括：利用一个以上激光束至少对工件表层的难加工材料进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削处理，或者，利用一个以上激光束至少对工件表层的难加工材料直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理；
第二操作，包括：利用CNC铣削方式对工件进行加工；
其中，所述第一操作、第二操作是同步进行或者分步进行的。
2.如权利要求1所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其特征在于具体包括：在一三维坐标系中进行所述第一操作，且在进行所述第一操作的过程中执行下列动作中的至少一种：
调节其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点与工件的加工区域之间的距离；
使其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点与工件至少沿所述三维坐标系的Z轴相对运动，和/或，使其中至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点绕所述三维坐标系的X轴或Y轴转动且控制转动角度，从而实现该至少一个激光束相对于工件的加工区域的离焦量和空间姿态控制；优选的，还在该至少一个激光束已有运动形式的基础上附加振动辅助，以实现光束运动的动态特性，所述振动包括低频、中频或高频和/或超声振动；优选的，所述工件为可以旋转运动的回转体，所述Z轴为所述回转体的轴线，所述至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点能够沿回转件轴线方向进行直线运动或者沿垂直于回转体轴线的方向进行直线移动，同时所述至少一个激光束经过相应光路系统后的焦点还被赋予两个转动自由度。
3.如权利要求1所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其特征在于，所述第一操作包括：
利用多束具有不同特性或相同特性的激光同步对工件的不同加工区域进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削处理，或者，利用多束具有不同特性或相同特性的激光同步对工件的不同加工区域直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理；
或者，利用具有不同特性或相同特性的激光分步对工件的同一加工区域进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削处理，或者，利用具有不同特性或相同特性的激光分步对工件的同一加工区域直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理。
4.如权利要求1、2或3所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其特征在于，所述物理和/或化学改性包括：通过激光束产生的热效应和/或光-化学效应，使工件表层的难加工材料软化、熔融、气化或化学键断裂；所述激光微细去除改形处理包括，通过脉冲激光实现工件表层的难加工材料的微细去除以改变形状。
5.如权利要求1所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其特征在于，所述第二操作包括：利用计算机数字化控制方式使切削刀具对工件进行三轴联动加工。
6.如权利要求1所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其特征在于还包括：在执行所述第一操作和/或第二操作的过程中，使工件绕旋转轴线进行回转运动；和/或，交替重复第一操作及第二操作对工件进行加工，直至达到目标加工精度后终止加工。
7.如权利要求1-3、5-6中任一项所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工方法，其特征在于具体包括：
1)对工件的加工区域内难加工材料的去除量进行判断，若去除量为微量，则进行步骤2)的操作，若去除量为大余量，则进行步骤3)的操作；
2)执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行车削，直至达到目标加工精度，终止加工；
3)对工件的加工区域内的难加工材料进行可加工性判断，若可加工性为易加工，则进行步骤4)的操作，若可加工性为不易加工，则进行步骤5)的操作；
4)执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工，直至达到目标加工精度，终止加工；
5)先执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行物理和/或化学改性处理，再执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工，之后判断是否达到目标加工精度，若是则终止加工，若否，则进行下列的一种操作或多种操作，直至达到目标加工精度后终止加工：
(i)执行第一操作，对工件的加工区域内的难加工材料进行物理和/或化学改性和/或激光微细去除改形处理，然后进行可调控空间姿态的多激光车削，或者，对工件的加工区域内的难加工材料直接进行可调控空间姿态的多激光车削处理；
(ii)执行第二操作，对工件的加工区域进行精加工；
(iii)重复步骤(i)或步骤(ii)或者交替重复步骤(i)及步骤(ii)。
8.一种多激光多轴车削-CNC铣削复合加工系统，其特征在于：所述复合加工系统应用于权利要求1-7中任一项所述的复合加工方法之中，并且所述复合加工系统包括：
激光车削单元，包括一个以上激光器以及与所述激光器配合的光路系统末端或激光加工头，用于执行第一操作；
CNC铣削单元，包括铣刀及与铣刀连接的铣削运动模块，用于执行第二操作；以及
与所述激光车削单元及CNC铣削单元连接的计算机控制单元。
9.如权利要求8所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工系统，其特征在于：所述一个以上激光器对对应的光路系统末端或激光加工头能够在一三维坐标系中运动，使该一个以上激光器所发射的激光束经过相应光路系统后的焦点与工件至少沿所述三维坐标系的Z轴相对运动，和/或，使该一个以上激光器所发射的激光束经过相应光路系统后的焦点绕所述三维坐标系的X轴或Y轴转动。
10.如权利要求8或9所述的多激光多轴车削-CNC铣削复合加工系统，其特征在于：所述激光器为多个；和/或，在所述复合加工系统工作时，工件被固定在一主轴上并能够绕主轴轴线旋转；和/或，所述多激光车削单元还包括与所述激光器配合的在线监测装置，所述在线检测装置包括CCD视觉检测系统和位置定位装置中的任意一种或多种的组合；和/或，所述CNC铣削单元还包括与所述铣削运动模块配合的在线检测装置，所述在线监测装置包括机器视觉检测装置、声音传感器、力反馈位置测量装置、激光位移传感器中的任意一种或多种的组合。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI797797B (zh) * 2021-10-26 2023-04-01 國立中央大學 材料複合加工方法與系統

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02292142A (ja) * 1989-04-28 1990-12-03 Brother Ind Ltd レーザ熱処理兼用切削機械および切削バイト
JPH11114741A (ja) * 1997-10-20 1999-04-27 Kitamura Mach Co Ltd 複合マシニングセンタ
JP2001287071A (ja) * 2000-04-04 2001-10-16 Raitekku Kk レーザ加工装置
CN102202829A (zh) * 2008-10-25 2011-09-28 谢尔贝格芬斯特瓦尔德等离机械有限公司 包括可以被单轴元件连接的等离子体和/或激光加工头的用于工件热加工的系统
CN102632335A (zh) * 2012-04-25 2012-08-15 肖和平 表层高反射率材料的激光加工方法
CN104714483A (zh) * 2013-12-11 2015-06-17 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 激光加工的控制方法及系统
CN106271493A (zh) * 2015-05-21 2017-01-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种激光预制微织构辅助超声铣削工艺方法及加工系统
CN110076464A (zh) * 2019-05-24 2019-08-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法
CN110253225A (zh) * 2019-07-08 2019-09-20 苏州真懿精密器械有限公司 微小薄壁零件产品复合加工方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02292142A (ja) * 1989-04-28 1990-12-03 Brother Ind Ltd レーザ熱処理兼用切削機械および切削バイト
JPH11114741A (ja) * 1997-10-20 1999-04-27 Kitamura Mach Co Ltd 複合マシニングセンタ
JP2001287071A (ja) * 2000-04-04 2001-10-16 Raitekku Kk レーザ加工装置
CN102202829A (zh) * 2008-10-25 2011-09-28 谢尔贝格芬斯特瓦尔德等离机械有限公司 包括可以被单轴元件连接的等离子体和/或激光加工头的用于工件热加工的系统
CN102632335A (zh) * 2012-04-25 2012-08-15 肖和平 表层高反射率材料的激光加工方法
CN104714483A (zh) * 2013-12-11 2015-06-17 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 激光加工的控制方法及系统
CN106271493A (zh) * 2015-05-21 2017-01-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种激光预制微织构辅助超声铣削工艺方法及加工系统
CN110076464A (zh) * 2019-05-24 2019-08-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 姿态可控激光铣削复合抛光同步加工的方法
CN110253225A (zh) * 2019-07-08 2019-09-20 苏州真懿精密器械有限公司 微小薄壁零件产品复合加工方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI797797B (zh) * 2021-10-26 2023-04-01 國立中央大學 材料複合加工方法與系統

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