CN113084351A - 一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了面齿轮加工技术领域的一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法，该方法具有加工的面齿轮精度等级高、加工过程可操作度大等特点。包括：将待加工面齿轮通过夹装工具固定在飞秒激光加工平台上并扫描定位；基于待加工面齿轮的差曲面，对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，并根据待加工面齿轮的差曲面绘制等高线图；待加工面齿轮翻转至设定角度，用于使待加工面齿轮的待加工面与水平面保持在给定的误差范围内；设置加工参数，并按照给定的分组加工顺序逐一加工；以整个齿面作为加工区域，基于待加工面齿轮的等高线图进行二次加工；对二次加工后的面齿轮进行检测分析，得到加工差曲面检测报告。

Description

一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法
技术领域
本发明属于面齿轮加工技术领域，具体涉及一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法。
背景技术
面齿轮是实现空间相交或交错传动的关键件，具有重合度大、承载能力强、高速传动平稳等诸多优势，在交通运输、大型装备、航空航天、工程机械等领域，具有广阔的应用前景。因此，面齿轮的精密制造是世界制造强国在传动领域长期竞争的技术高地和前沿研究领域之一。
面齿轮的齿形复杂，技术要求高，制造困难。随着国内外研究深入，特别是多轴数控机床的出现，使得该类齿轮已越来越多地应用于高速、重载荷的航空器上，目前国内已研发出七轴五联动螺旋锥齿轮磨齿机、试制了面齿轮磨床，面齿轮加工精度一般达4~5级（GB10095-2001），比国外要低2级左右，这严重制约了这类齿轮传动的优势性能在我国高、精、尖装备上的应用。因此，开展面齿轮精密制造的新理论和技术研究，是我国国防安全和传动技术发展的迫切需要。
面齿轮的传统机械加工，其半精和精加工方法一般采用插齿或滚齿或铣齿+磨齿，磨齿是曲面齿轮的精密机械加工方法之一。由于共轭曲面齿轮是一种变齿厚齿形，一般需采用范成法加工，磨齿机复杂、调整困难、磨削效率和精度较低，加工成本高，而目前国外数控精密磨齿机和曲面齿轮先进制造技术对我国进行封锁。针对这些长期存在的严重技术瓶颈，需要探索研究新的加工理论、方法和工艺。
飞秒激光加工采用超短脉冲和极高峰值功率，加工材料作用机理不同于传统机械加工和长脉冲激光加工，涉及在时间/空间上动态效应多尺度作用影响的科学问题。飞秒激光加工具有加工区域精确、可精密加工任何材料等突出特点，使得其快速发展和广泛应用。采用飞秒激光精微修正加工面齿轮是一种新的先进精密制造方法，对于提高其加工质量和降低制造成本，具有重大科学理论意义和广泛工程应用前景。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法，具有加工的面齿轮精度等级高、加工过程可操作度大等特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法，包括：将待加工面齿轮通过夹装工具固定在飞秒激光加工平台上，对固定好的面齿轮进行扫描定位；基于待加工面齿轮的差曲面，对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，得到面齿轮分组，并根据待加工面齿轮的差曲面绘制等高线图；通过调整夹装工具将待加工面齿轮翻转至设定角度，用于使待加工面齿轮的待加工面与水平面保持在给定的误差范围内；基于给定的面齿轮分组，设置加工参数，并按照给定的分组加工顺序逐一加工；以整个齿面作为加工区域，基于待加工面齿轮的等高线图进行二次加工；对二次加工后的面齿轮进行检测分析，得到加工报告。
进一步地，在所述面齿轮分组中，每一个分组对应一组加工参数；所述加工参数包括基于面齿轮的材质确定的系统参数、飞秒激光的扫描速度以及扫描间距。
进一步地，在所述按照给定的分组加工顺序逐一加工的过程中，每加工完成一个齿，需要旋转面齿轮进行下一个齿的加工，当面齿轮转动一个齿位后，以轮齿大端边缘作为定位直线，对齿轮进行新的定位修正。
进一步地，所述对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，包括：基于待加工面齿轮的差曲面，分析各个齿面之间的误差，对相似曲面进行标记分类，实现对齿面进行分区域分组加工。
进一步地，所述以整个齿面作为加工区域，基于待加工面齿轮的等高线图进行二次加工，包括：基于由待加工面齿轮的差曲面绘制的等高线图，对齿面进行分层，并逐层加工。
进一步地，在加工过程中，配备与飞秒激光相同频率的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体。
进一步地，在二次加工以后，使用多脉冲激光扫描加工后的齿面。
进一步地，所述飞秒激光加工平台包括上位机及分别与所述上位机电连接的飞秒激光器、光路组件、四轴移动平台和吹气系统；面齿轮通过夹装工具固定在四轴移动平台上，所述飞秒激光器发出的飞秒激光经光路组件聚焦在面齿轮的待加工面上，在加工过程中，吹气系统的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体；固定在光路组件上的测距仪和CCD相机将采集到的数据传输至上位机，上位机根据加工程序、测距仪和CCD相机采集的数据，调整面齿轮的当前姿态。
进一步地，所述夹装工具包括：安装在四轴移动平台上的翻转机构、安装于所述翻转机构上的自转机构；所述翻转机构包括连接板和与连接板固定连接的底板；所述自转机构包括安装于所述底板上的转动轴，平面齿轮与转动轴键连接，自转驱动机构通过转动轴驱动平面齿轮转动；翻转驱动机构通过连接板、底板和转动轴驱动平面齿轮完成翻转动作。
进一步地，所述光路组件包括折射镜、扩束镜、三维振镜系统和远心场镜，飞秒激光器发出的激光依次经过折射镜、扩束镜、三维振镜系统和远心场镜聚焦在面齿轮的待加工面上。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
（1）本发明通过定制的夹装工具将面齿轮安装在飞秒激光加工平台的四轴移动平台上，使面齿轮在加工过程中能够进行多自由度姿态调整；通过结合精加工后的差曲面及等高线图，进行分组、分区域加工，分层修整，加工的面齿轮精度等级高、加工过程可操作度大，同时更加具有效率性以及可靠性；
（2）本发明通过对面齿轮进行多自由度调整改变加工面使齿面类似平面再对其他参数进行调整可以更好的得到优化后的加工参数，避免了一些常规参数的调整在曲面上可能会发生误差，造成加工效果不好的问题；
（3）本发明采用飞秒激光加工，飞秒激光加工属于冷加工不会对齿轮产生形变效果，加工过程中不会引起定位偏差，在单齿加工后由于齿轮本身的误差需要重新进行定位，通过红外激光扫描，重新进行精微修正，确保加工时减少误差；
（4）在飞秒激光加工面齿轮的过程中，由于等离子体冲击波效应的产生，在加工时会产生喷射物形成融熔层降低加工效果，本发明通过采用辅助脉冲气流在加工时配备与飞秒激光相同频率的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体，吹掉表面的喷射物，该吹气嘴随着飞秒激光的加工焦点进行调整，减少该效应带来的影响；
（5）本发明在加工完成后采用高频低功率的多脉冲对齿面进行扫描抛光；由于分层加工的原因，在齿面加工完程后会产生一层氧化物，随着分层加工，该氧化物会影响加工精度，进行抛光处理，降低该影响得到精确的检测结果；
（6）本发明加工完成后的检测报告能够分析出整个加工流程中存在的问题，同时获得最优的加工参数。
附图说明
图1是本发明实施例使用的飞秒激光加工平台的系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法中飞秒激光束聚焦在处于不同翻转角度的齿轮的待加工面上的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法中飞秒激光扫描路径规划图；
图4是本发明实施例中高速铣后的轮齿差曲面；
图5是本发明实施例加工过程中的等高线图；
图6是本发明实施例加工过程中设立的分区域加工图中的不同加工区域；
图7是面齿轮经过本发明实施例所述方法加工后得到的差曲面示意图；
图8是本发明实施例中使用的夹装工具的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法，包括：将待加工面齿轮通过夹装工具固定在飞秒激光加工平台上，对固定好的面齿轮进行扫描定位；基于待加工面齿轮的差曲面，对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，得到面齿轮分组，并根据待加工面齿轮的差曲面绘制等高线图；通过调整夹装工具将待加工面齿轮翻转至设定角度，用于使待加工面齿轮的待加工面与水平面保持在给定的误差范围内；基于给定的面齿轮分组，设置加工参数，并按照给定的分组加工顺序逐一加工；以整个齿面作为加工区域，基于待加工面齿轮的等高线图进行二次加工；对二次加工后的面齿轮进行检测分析，得到加工差曲面检测报告。
本实施例所述方法主要包括以下几方面的内容：
S1：安装定位
对面齿轮在加工前进行夹装定位，本实施例使用的飞秒激光加工平台的系统结构示意图，如图1所示：将夹装好的面齿轮安装在四轴移动平台9上，先将特制的齿轮夹装工具（如图8所示）安装在飞秒激光加工平台的四轴移动平台上，然后将面齿轮安装在夹装工具上。以齿轮中心点作为定位原点，采用CCD相机6扫描成像，以测距仪7进行定位，打开计算机系统1测试飞秒激光器2、光路组件（包括折射镜3、扩束镜4、三维振镜系统5和远心场镜8）以及吹气系统10是否正常工作，然后测试夹装工具和四轴移动平台9的各自由度是否正常移（转）动，进行预打点。齿的加工示意图如图2所示。
本实施例中，飞秒激光加工平台包括上位机（计算机系统1）及分别与上位机电连接的飞秒激光器2、光路组件、四轴移动平台9和吹气系统10；面齿轮通过夹装工具固定在四轴移动平台9上，飞秒激光器2发出的飞秒激光经光路组件聚焦在面齿轮的待加工面上，在加工过程中，吹气系统10的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体；固定在光路组件上的测距仪7和CCD相机6将采集到的数据传输至上位机，上位机根据加工程序、测距仪7和CCD相机6采集的数据，调整面齿轮的当前姿态。夹装工具包括：安装在四轴移动平台9上的翻转机构、安装于翻转机构上的自转机构；翻转机构包括连接板91和与连接板91固定连接的底板92；自转机构包括安装于底板92上的转动轴93，平面齿轮与转动轴93键连接，自转驱动机构通过转动轴93驱动平面齿轮转动；翻转驱动机构通过连接板91、底板92和转动轴93驱动平面齿轮完成翻转动作。自转驱动机构包括伺服电机，伺服电机通过V带驱动转动轴93，进而驱动平面齿轮转动；翻转驱动机构包括伺服电机，伺服电机通过V带或齿轮驱动连接板91、底板92和转动轴93实现平面齿轮的翻转（即图8中绕与连接板91上的安装孔的轴线平行的水平轴线翻转）。本实施例中，三维振镜系统5具有上下运动、绕竖直轴线的旋转运动和绕水平轴线的旋转运动三个方向上的自由度，增加了面齿轮加工过程中的姿态可调性。
S2：参数调整
面齿轮在加工时所选用的参数根据加工齿轮的材料选用常用的系统参数，然后根据需要对系统参数进行调整。将所有的齿分类处理，每组对应一组加工参数。除了常规的系统参数，对于加工时激光的扫描速度以及扫描间距也进行改变，扫描路径的变化图如图3所示。为了使加工时齿面近似于平面，根据S1中设计的特制的夹装工具对齿轮进行40度的翻转，使齿轮的待加工面尽量近似于平面，对比选择的参数正常加工后的效果，该参数的调整在较大的程度上将飞秒激光加工时不能改变入射方向的缺点减小。使加工时有了更多的可控参数选择。
S3：加工间隔精微定位修整
飞秒激光在加工面齿轮的过程中属于单齿分面加工，加工完一个齿后需要旋转齿轮来进行下一个齿的加工。该过程由于齿轮的理想齿面与实际齿面的误差会产生新的误差，所以需要进行新的精微定位修正，采用配备了三维激光扫描仪的精微相机（CCD相机6），当齿轮转动一个齿位后，以轮齿大端边缘作为定位直线，对齿轮进行新的定位修正，确保加工间隔齿轮定位精准。
S4：加工方式的确定
飞秒激光加工前的面齿轮经过高速铣后由于加工误差的存在，与理想面之间存在一个差曲面，该差曲面如图4所示。由检测后得到的差曲面分析误差程度，对所有的齿面进行分析归类，对相似的曲面进行相同加工处理。分析差曲面后绘制等高线图如图5所示，以及分区域划分图如图6所示。将划分好的区域图导入计算机系统1中在待加工的齿轮定位完成后，进行初次加工，加工完成后再以整个齿面作为加工区域根据等高线图进行二次加工。加工过程中由于等离子体效应的存在，在加工时配备与飞秒激光器2相同频率的吹风嘴对激光加工的焦点喷射氩离子气体，减小该效应带来的影响。加工完一个齿面后根据前面分析规划好的等高线图与区域图进行重复加工，直到完成所有齿面。在齿面加工完后，由于飞秒激光加工会在齿面产生黑色的氧化层，需要对该氧化层进行抛光处理。选择高频率低功率的多脉冲激光扫描加工后的齿面来达到抛光效果。
S5：齿面检测报告的获取
飞秒激光加工完成后，对齿面进行检测分析，制作加工报告。检测过程需要对齿面进行深度与粗糙度测量。每组参数加工后得到的加工效果进行统计，去除误差较大的项。检测采用三维超景深测量仪，对比未加工之前的齿面。得到各组参数加工后的实际齿面效果。检测完成后再使用三坐标测量，得到新的差曲面图，如图7所示。对比高速铣后的齿轮实际齿面与理想齿面，以及飞秒激光加工后的实际曲面与理想曲面互相对比，分析整个加工的实际效果。整合加工流程与检测报告。得到飞秒激光加工面齿轮的整个加工工艺。
本实施例的具体工艺流程如下：
（1）将待加工面齿轮通过夹装工具固定在飞秒激光加工平台上，对固定好的面齿轮进行扫描定位；
（2）基于待加工面齿轮的差曲面，对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，得到面齿轮分组，并根据待加工面齿轮的差曲面绘制等高线图；对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，包括：基于待加工面齿轮的差曲面，分析各个齿面之间的误差，对相似曲面进行标记分类，实现对齿面进行分区域分组加工；在面齿轮分组中，每一个分组对应一组加工参数；所述加工参数包括基于面齿轮的材质确定的系统参数、飞秒激光的扫描速度以及扫描间距；
（3）通过调整夹装工具将待加工面齿轮翻转至设定角度，用于使待加工面齿轮的待加工面与水平面保持在给定的误差范围内；
（4）基于给定的面齿轮分组，设置加工参数，并按照给定的分组加工顺序逐一加工；在按照给定的分组加工顺序逐一加工的过程中，每加工完成一个齿，需要旋转面齿轮进行下一个齿的加工，当面齿轮转动一个齿位后，以轮齿大端边缘作为定位直线，对齿轮进行新的定位修正；
（5）以整个齿面作为加工区域，基于待加工面齿轮的等高线图进行二次加工，包括：基于由待加工面齿轮的差曲面绘制的等高线图，对齿面进行分层，并逐层加工；
在加工过程中，配备与飞秒激光相同频率的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体，减小等离子效应带来的影响；在二次加工以后，使用高频率低功率的多脉冲激光扫描加工后的齿面来达到抛光效果；
（6）对二次加工后的面齿轮进行检测分析，得到加工报告。
本实施例通过定制的夹装工具将面齿轮安装在飞秒激光加工平台的四轴移动平台上，使面齿轮在加工过程中能够进行多自由度姿态调整；通过结合精加工后的差曲面及等高线图，进行分组、分区域加工，分层修整，缩短了加工时长，减少了加工程序，提高了加工精度，同时更加具有效率性以及可靠性；通过对面齿轮进行多自由度调整改变加工面使齿面类似平面再对其他参数进行调整可以更好的得到优化后的加工参数，避免了一些常规参数的调整在曲面上可能会发生误差，造成加工效果不好的问题；采用飞秒激光加工，飞秒激光加工属于冷加工不会对齿轮产生形变效果，加工过程中不会引起定位偏差，在单齿加工后由于齿轮本身的误差需要重新进行定位，通过红外激光扫描，重新进行精微修正，确保加工时减少误差；在飞秒激光加工面齿轮的过程中，由于等离子体冲击波效应的产生，在加工时会产生喷射物形成融熔层降低加工效果，本发明通过采用辅助脉冲气流在加工时配备与飞秒激光相同频率的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体，吹掉表面的喷射物，该吹气嘴随着飞秒激光的加工焦点进行调整，减少该效应带来的影响；在加工完成后采用高频低功率的多脉冲对齿面进行扫描抛光；由于分层加工的原因，在齿面加工完程后会产生一层氧化物，随着分层加工，该氧化物会影响加工精度，进行抛光处理，降低该影响得到精确的检测结果；加工完成后的检测报告能够分析出整个加工流程中存在的问题，同时获得最优的加工参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，包括：
将待加工面齿轮通过夹装工具固定在飞秒激光加工平台上，对固定好的面齿轮进行扫描定位；
基于待加工面齿轮的差曲面，对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，得到面齿轮分组，并根据待加工面齿轮的差曲面绘制等高线图；
通过调整夹装工具将待加工面齿轮翻转至设定角度，用于使待加工面齿轮的待加工面与水平面保持在给定的误差范围内；基于给定的面齿轮分组，设置加工参数，并按照给定的分组加工顺序逐一加工；
以整个齿面作为加工区域，基于待加工面齿轮的等高线图进行二次加工；
对二次加工后的面齿轮进行检测分析，得到加工报告。
2.根据权利要求1所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，在所述面齿轮分组中，每一个分组对应一组加工参数；所述加工参数包括基于面齿轮的材质确定的系统参数、飞秒激光的扫描速度以及扫描间距。
3.根据权利要求1所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，在所述按照给定的分组加工顺序逐一加工的过程中，每加工完成一个齿，需要旋转面齿轮进行下一个齿的加工，当面齿轮转动一个齿位后，以轮齿大端边缘作为定位直线，对齿轮进行新的定位修正。
4.根据权利要求1所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，所述对待加工面齿轮进行基于加工区域的分组，包括：基于待加工面齿轮的差曲面，分析各个齿面之间的误差，对相似曲面进行标记分类，实现对齿面进行分区域分组加工。
5.根据权利要求1所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，所述以整个齿面作为加工区域，基于待加工面齿轮的等高线图进行二次加工，包括：基于由待加工面齿轮的差曲面绘制的等高线图，对齿面进行分层，并逐层加工。
6.根据权利要求1所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，在加工过程中，配备与飞秒激光相同频率的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体。
7.根据权利要求1所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，在二次加工以后，使用多脉冲激光扫描加工后的齿面。
8.根据权利要求1所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，所述飞秒激光加工平台包括上位机及分别与所述上位机电连接的飞秒激光器、光路组件、四轴移动平台和吹气系统；面齿轮通过夹装工具固定在四轴移动平台上，所述飞秒激光器发出的飞秒激光经光路组件聚焦在面齿轮的待加工面上，在加工过程中，吹气系统的吹风嘴对飞秒激光加工的焦点喷射氩离子气体；固定在光路组件上的测距仪和CCD相机将采集到的数据传输至上位机，上位机根据加工程序、测距仪和CCD相机采集的数据，调整面齿轮的当前姿态。
9.根据权利要求1或8所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，所述夹装工具包括：安装在四轴移动平台上的翻转机构、安装于所述翻转机构上的自转机构；所述翻转机构包括连接板和与连接板固定连接的底板；所述自转机构包括安装于所述底板上的转动轴，平面齿轮与转动轴键连接，自转驱动机构通过转动轴驱动平面齿轮转动；翻转驱动机构通过连接板、底板和转动轴驱动平面齿轮完成翻转动作。
10.根据权利要求8所述的采用飞秒激光加工面齿轮的方法，其特征是，所述光路组件包括折射镜、扩束镜、三维振镜系统和远心场镜，飞秒激光器发出的激光依次经过折射镜、扩束镜、三维振镜系统和远心场镜聚焦在面齿轮的待加工面上。
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