CN113478069A - 一种激光加热辅助的刻划装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光加热辅助刻划的装置。通过光纤将激光导入提升局部工件的温度，达到改善材料加工性能的目的。激光聚焦头与金刚石刀具相对固定，将激光从刀具内部引入照射在工件上，通过X,Y两个个方向的移动带动整个激光刀具实现平面直线运动，工件则利用Z方向移动，从而实现刻划工件的目的。本发明将激光从刀具内部引入并固定，简化了加工过程，提高了激光对工件的加热效率，更加精确的实现对需要加热的部分进行加热，为难加工材料的加工提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明属于机械加工领域，具体涉及一种利用激光加热辅助技术研究难加工材料切削的刻划装置。
背景技术
近年来，工程陶瓷、复合材料、高温合金、钛合金等先进工程材料具有强度高、耐磨损、抗腐蚀、热稳定性好等优良特性，被广泛应用于机械化工，航空航天，核工业等领域。硬脆材料由于硬度与脆性较高、屈服极限和强度极限接近，在对这些硬脆材料进行切削加工时，当材料承受的载荷超过弹性极限，就会发生断裂破坏，在已加工表面形成裂纹和凹坑，严重影响其表面质量和性能。
激光加热辅助技术是一种复合加工技术，是利用激光对材料的热作用，使刀具前面的待加工材料软化，然后再利用刀具对其进行切削，从而使切削过程由脆性域转移至塑性域，实现增大材料去除率，降低切削力，延长刀具寿命，减小刀具振动，改善加工表面质量的目的。然而，激光与机床相结合导致加工多出几道工序，加工更加繁琐，主要是激光头聚焦位置需要不断调整，本发明提供了一种方法，将激光与刀具固定，直接把其聚焦在金刚石刀尖上，针对不同的复杂工件和加工方法不需要重新装夹，这样可以省去调整激光位置的繁琐工序，更加精确且稳定的聚焦在加工区域。
发明内容
本发明的目的在于使激光加热辅助切削技术应用于复杂难加工材料的加工，提出一种激光与金刚石刀具相对固定且激光从刀具内部聚焦在工件上的方法及装置。可以将该方法应用到激光加热辅助车削、铣削等其他切削方法上，完成对复杂难加工零件的加工。本发明提出的激光加热辅助刻划装置，其特征在于，包括工件、夹紧螺栓、调整螺母、底板、直线电机、电机座、X方向导轨、直线电机滚珠丝杠进给装置，其特征在于工件被夹紧螺母压紧在底板上的支撑板上，工件通过齿轮齿条传动实现方向上的移动，电机固定在电机座上与X方向导轨构成X方向移动平台，激光调整装置固定在X方向移动平台上，X轴移动平台与底座导轨连接，通过电机滚珠丝杠进给装置实现Y方向移动。激光调整装置，包括夹紧螺、微调旋钮、外壳、刀盖、金刚石刀具、刀架、连接台、激光准直器、准直器支撑装置，金刚石刀具固定在刀架上，刀架固定在连接台上，激光准直器固定在准直器支撑装置上，准直器支撑装置固定在连接台上，激光准直器的中心通过连接台的小孔，从刀具内部聚焦于金刚石刀具刀尖上，外壳将整个机构遮盖起来。
本发明还涉及一种激光与切削刀具固定的方法，其特征在于，光纤输出激光器可通过调节电流大小来控制激光功率，再用光纤引入到激光聚焦头，激光聚焦头固定在刀架上的激光调整装置上，激光可以从刀具内部聚焦于刀尖，激光加热和切削可以同时进行。
本发明提出的合适的工艺参数是基于有限元模型分析，结果优化而来。切削区温度是加热辅助切削中最重要的参数之一，可以反映出工件软化程度，选
定的参数必须保证切削区温度在一定范围内，可以通过实验获得数据，但是有限元方法更加省时且节省成本。按照工件实际尺寸建立模型，导入有限元软件中，赋予材料属性，划分网格，加载热辐射，设定边界条件，通过温度测量实验修正边界条件，求解后就可以得到基本准确的温度分布模型，据此找出最佳工艺参数。
本发明具有以下优点：激光与刀具固定且从刀具内部聚焦于刀尖的方法可以应用到其他加热辅助切削中去，而且加工不同的复杂工件不用重复调整激光聚焦位置，只需要细微校正即可，提高加工效率，节省时间；工艺参数由有限元仿真模拟而来，得出的参数进行数据分析后，得到最优参数，不需要大量实验确定工艺参数，大大减少实验成本，节约时间；刻划装置中金刚石刀具更换简单，为实验节省了大量时间，极大提高了刻划精度，对切削深度、临界切削深度以及脆性材料塑性域的研究意义重大。
附图说明
图1为本发明一种激光加热辅助刻划装置的结构示意图；
图2为激光调整装置剖面图
图3为刀架与金刚石刀具连接示意图
其中：工件-1，夹紧螺栓-2，底板-3，外壳-4，刀具移动台-5，电机-6，电机座-7，X方向导轨-8，激光准直器-9，差分调节螺母-10，光学调整器-11，调整器底座-12，刀具固定底座-13，刀具连接头-14，刀具盖-15，单点金刚石刀具-16。
具体实施方式
以下结合实施方法和附图对发明进一步说明：本发明提出的激光加热辅助刻划装置包括工件1、夹紧螺栓2、底板3、外壳4、刀具移动台5、电机6、电机座7、X方向导轨8，其特征在于工件1被夹紧螺母2压紧在底板上的支撑板上，工件通过齿轮齿条传动实现Z方向上的移动，电机6固定在电机座7上与X方向导轨8 构成X方向移动平台，激光调整装置固定在刀具移动台5上，X轴移动平台与底座导轨连接，X方向移动平台下带有导轨与底板上直线电机驱动的滚珠丝杠移动台相连，实现Y方向刀具进给。激光调整装置，包括激光准直器9，差分调节螺母10，光学调整器11，调整器底座12，刀具固定底座13，刀具连接头14，刀具盖15，单点金刚石刀具16，激光准直器9固定光学调整器11上，光学调整器安装在其底座12上，再固定在在刀具固定底座13上，刀具连接头通过螺纹连接在道具固定底座13上，激光准直器9的中心通过刀具固定底座13中心的小孔，从刀具内部聚焦于金刚石刀具刀尖上。
工作过程：第一步，准备好脆性材料板、激光加热辅助装置、金刚石刀具、刻划装置；所述的脆性材料板是单晶硅或者其他脆硬材料；第二步，将脆性材料板紧挨在定位块上具有隔热涂层的工作面，然后用隔热夹具夹紧；金刚石刀具安装在刀架前端，后面安装激光调整装置，将激光聚焦头安装在调整装置上，通过微调旋钮调节激光位置，将激光聚焦在金刚石刀具的刀尖上，然后固定调整装置，最后盖上刀具盖；第三步，通过计算机控制电机来控制X方向移动到刻划起始点处，随后控制系统通过控制液压系统使液压缸进给固定行程，使得金刚石刀具压入被刻划的板材上，随后控制滚珠丝杠移动装置，使整个刀具向右运动，实现刻划动作，抬起刀具，关闭激光，返回工作起点。所述的刻划过程同时必须通过激光加热辅助装置对刻划点进行局部瞬间加热软化，加热是点加热；一次刻划完成后，计算机控制通过齿轮齿条机构将脆性板材向上或者向下移动后，重复上述动作，实现多次刻划；第五步，加工完成后，关闭激光器并拆卸保存，关闭计算机控制中心，关闭并保存刻划装置。
Claims (6)
1.一种激光加热辅助的刻划装置，其特征在于包括工件1、夹紧螺栓2、底板3、外壳4、刀具移动台5、电机6、电机座7、X方向导轨8，其特征在于工件1被夹紧螺母2压紧在底板上的支撑板上，工件通过齿轮齿条传动实现Z方向上的移动，电机6固定在电机座7上与X方向导轨8构成X方向移动平台，激光调整装置固定在刀具移动台5上，X轴移动平台与底座导轨连接，X方向移动平台下带有导轨与底板上直线电机驱动的滚珠丝杠移动台相连，实现Y方向刀具进给。
2.根据权利要求1所述的激光调整装置，其特征在于包括激光准直器9，差分调节螺母10，光学调整器11，调整器底座12，刀具固定底座13，刀具连接头14，刀具盖15，单点金刚石刀具16，激光准直器9固定光学调整器11上，光学调整器安装在其底座12上，再固定在在刀具固定底座13上，刀具连接头通过螺纹连接在道具固定底座13上，所述激光准直器9的激光聚焦点通过刀具固定底座13中心的小孔，从刀具内部聚焦于金刚石刀具刀尖上。
3.根据权利要求2所述的光学调整器，是一种改进光学调整架，其特征在于在光学调整架前再安装带有限位槽的结构，然后把激光准直器卡在调整器限位槽中，使用调节螺母调整激光位置，所述调节螺母中有差分调节器，差分调节器通过可拆卸的六角扳手进行微调，精调角度范围为±1.4°，通过旋钮进行粗调，粗调角度范围为±4°，光学调整器中前后板使用重型弹簧连接保证调整稳定性。
4.根据权利要求1所述的激光加热辅助刻划装置，其特征在于夹紧螺栓2固定在底板5的支撑板上；所述夹紧螺栓为304不锈钢材料，底板5上与工件接触的表面经过表面处理后，使用碳化钨隔热涂层，可耐1000摄氏度高温。
5.根据权利要求1所述的激光加热辅助刻划装置，其特征在于夹紧螺栓2固定在底板5的支撑板上；所述夹紧螺栓为304不锈钢材料，底板5上与工件接触的表面经过表面处理后，使用碳化钨隔热涂层，可耐1000摄氏度高温。
6.根据权利要求1所述的刻划装置，其特征在于Y方向直线电机驱动的滚珠丝杠移动台上安装有压力传感器，将压力数据反馈给计算机，用于刻划过程的压力控制。
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