CN113649686A - 一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置 - Google Patents

一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光‑超声振动复合辅助切削加工装置，属于超精密加工领域。该装置主要由激光发射装置、超声车削系统和检测装置以及机床本体组成。其中，激光发射装置通过螺栓与机床的XZ轴移动导轨连接，超声车削系统通过螺栓与检测装置中的测力计和机床的XZ轴移动导轨连接。其余检测装置均通过三脚架放置在机床本体的一侧。优点是在加工过程中由于激光加热与超声振动的复合作用，使工件材料的去除方式由脆性去除转变为塑性去除，降低了刀具磨损，提高了加工效率。同时，检测装置实现了对切削过程中的切削力、切削热以及切削状态的实时监测。有利于获得切削区域内的温度分布情况同时观察该切削过程是否稳定。

Description

一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，特别是一种激光-超声振动复合辅助切削加 工装置。
背景技术
超声振动辅助加工是一种非传统的加工方法，它使用换能器(压电陶瓷) 将高频电能转换为高频机械振动能，在加工刀具上施加一定频率的微米级振幅， 以实现刀具与工件的相对位置周期性地改变，不仅可以实现切削力的减低，还 可以改善零件表面粗糙度，延长刀具寿命和有效抑制再生颤振。激光辅助加工 技术通过局部加热工件表面以软化材料来降低切削力、表面粗糙度和刀具磨损， 从而改善难加工材料的加工特性。
激光-超声复合加工是一种新型混合加工技术，高功率激光束聚焦在刀尖前 的工件表面上，局部表面在短时间内被加热到高温，软化了工件材料。同时从 喷嘴向激光照射区域输送氧气，发生氧化反应，形成疏松多孔的氧化层。然后 刀具在切向方向和径向方向上以相同的频率施加超声波振动，实现了超声椭圆 振动切削，避免了刀具后刀面与已加工工件表面之间的长时间摩擦，并且减少 了刀具的破损及其对工件表面质量的负面影响。
超声振动时要求小振幅，易导致加工效率低，对于硬脆性材料，刀具与工 件的微观冲击作用致使刀具产生崩刃破坏；激光辅助切削技术通过激光加热软 化材料，增大临界塑性-脆性转变深度，提高材料去除率。但是连续的较大的激 光加热易造成工件表面亚表面损伤导致表面完整性降低；因此，急需一种既能 实现间歇式切削，也能激光辅助加工硬脆性材料且能够保证工件表面质量的加 工装置来解决上述问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置， 该装置可解决背景技术中提到的问题，适用于工程陶瓷、复合材料等脆性、高 硬度材料的加工。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置，包括激光发射装置、超声车削 系统和机床本体，其中，机床本体包括用于夹持工件并驱动工件的主轴驱动组 件和给进组件，所述超声车削系统和激光发射装置安装在给进组件上，所述超 声车削系统和激光发射装置可同步给进动作，以在超声车削系统对工件超声切 削加工的同时对工件进行激光加工。
作为优选的，所述激光发射装置包括脉冲激光器、聚焦镜、氧气导管和夹 持转动机构，夹持转动机构安装在给进组件上，所述脉冲激光器、聚焦镜和氧 气导管均安装在夹持转动机构的转动端，所述聚焦镜安装在脉冲激光器发射端 的前方以对脉冲激光器发出的光线聚焦，所述氧气导管的出氧端与所述聚焦镜 的出射端相邻。
作为优选的，所述夹持转动机构包括手动旋转位移台、安装板一、手动线 性位移台和安装板二，其中手动旋转位移台的底部安装在给进组件上，手动旋 转位移台的转动端可水平转动，安装板一固定安装在手动旋转位移台的顶部转 动端，所述手动线性位移台的底座安装在安装板一的顶面，所述安装板二安装 在手动线性位移台的滑动端，所述脉冲激光器、聚焦镜和氧气导管均安装在安 装板二上。
作为优选的，所述安装板二上设有燕尾槽导轨，该燕尾槽导轨水平设置， 且手动线性位移台移动端的移动方向为立体三维移动，所述脉冲激光器和聚焦 镜均通过燕尾槽导轨滑块可滑动的安装在燕尾槽导轨上。
作为优选的，所述燕尾槽导轨滑块上设有接杆支架，接杆支架垂直于安装 板二，所述脉冲激光器和聚焦镜连接接杆，接杆可转动并定位的插装在接杆支 架内，所述脉冲激光器和聚焦镜的转动轴线垂直于安装板二。
作为优选的，所述安装板二上设有接杆支架，接杆支架垂直于安装板二， 所述氧气导管连接接杆，接杆可转动并定位的插装在接杆支架内，所述氧气导 管的转动轴线垂直于安装板二。
作为优选的，所述脉冲激光器、聚焦镜和氧气导管的外部均设有夹持机构， 该夹持机构上设有直线开设的凹槽，所述脉冲激光器、聚焦镜和氧气导管均可 在凹槽内沿凹槽延伸方向窜动并定位。
作为优选的，所述给进组件包括XZ轴移动导轨，所述激光发射装置和超声 车削系统均安装在XZ轴移动导轨上，该XZ轴移动导轨可带动激光发射装置和 超声车削系统沿工件转动中心方向移动以及垂直于工件转动中心方向移动。
作为优选的，所述机床本体侧面还具有用于监测工件加工状态的高速相机 和红外热像仪。
作为优选的，所述超声车削系统包括法兰转台、保护壳、压电换能器、超 声变幅杆和金刚石刀具，其中法兰转台通过平台式的测力计安装在给进组件上， 所述保护壳安装在法兰转台的升降端，所述压电换能器置于保护壳内，所述超 声变幅杆尾端安装在压电换能器的输出端，金刚石刀具安装在超声变幅杆的前 端，且超声变幅杆靠近前端的位置开设有圆弧凹槽，该圆弧凹槽的曲率半径为 5mm，所述圆弧凹槽使得超声变幅杆中的纵向振动的波会在圆弧凹槽处分解，分 为纵向振动和弯曲振动，在金刚石刀具处形成复合椭圆超声振动，以此将金刚 石刀具的切削方式从连续切削转化为间歇式切削。
使用本发明的有益效果是：
1、本发明设计的超声振动切削是在切削过程中给刀具施加一种超声频率的 振动作用而改善切削性能的切削加工方法。超声振动辅助切削加工技术可以有 效地降低切削力。分离特性有助于切屑顺利排出，使得刀具的使用寿命延长， 刀具与工件是不连续的接触,加工时切削刃具有一段散热的时间，使得切削过程 中的切削温度有所下降并可保持到室温。同时加工过程中的毛刺得到有效抑制， 工件的加工精度有所提高。基于上述优势使得利用普通刀具来完成硬脆材料的 高效、高质量加工成为可能。此外，超声振动切削具有可以减少或消除机器本 身的自激振动、抑制刀具表面附着物的形成、加工脆性材料不会产生脆性裂纹 等优点。
2、本发明将激光加热技术与超声振动辅助切削技术相结合,实现激光-超声 复合辅助切削加工。该过程中，激光辐射的热量首先对待加工处的材料进行软 化，使硬脆材料实现脆性向塑性的转变，使得切削过程更加的顺畅，同时向激 光照射区域通入氧气，使工件表面形成疏松多孔的氧化层，避免材料在待加工 处的脆性裂变。在不影响加热软化的前提下，通过超声振动切削技术进一步改 善硬脆材料的切削性能，达到降低刀具磨损、减小工件表面粗糙度、减轻边缘 碎裂的目的。
3、本发明通过在超声变幅杆上开设半径为5mm圆弧凹槽，使得超声变幅杆 中的纵向振动的波在圆弧凹槽处分解，分为纵向振动和弯曲振动，在金刚石刀 具处形成复合椭圆超声振动，以此将连续的切削方式转化为间歇式的切削。与 传统的连续切削加工相比,当刀具完成一处的加工后,椭圆振动使得刀具后刀面 远离已加工处，避免了在移动过程中后刀面与已加工表面的刮擦。
附图说明
图1为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置的结构示意图。
图2为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置中激光发射装置的结构 示意图。
图3为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置中激光发射装置中连接 板的结构示意图。
图4为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置中超声车削系统的结构 示意图。
图5为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置检测装置中测力计的结 构示意图。
图6为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置检测装置中高速相机的 结构示意图。
图7为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置检测装置中红外热像仪 的结构示意图。
图8为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置中超声车削系统与测力 计的装配图。
图9为本发明激光-超声振动复合辅助切削加工装置中机床本体的结构示意 图。
附图标记包括：
1-激光发射装置，2-超声车削系统，3-检测装置，4-机床本体，5-工件， 101-脉冲激光器，102-聚焦镜，103-氧气导管，104-夹持转动机构，105-垫板， 10401-手动旋转位移台，10402-安装板一，10403-手动线性位移台，10404-安 装板二，10405-夹持机构一，10406-夹持机构二，10407-夹持机构三，10408- 燕尾槽导轨，10409-燕尾槽导轨滑块一，10410-燕尾槽导轨滑块二，1040501- 接杆支架一，1040502-接杆一，1040503-夹持器一，201-法兰转台，202-保护 壳，203-压电换能器，204-超声变幅杆，205-圆弧凹槽，206-金刚石刀具，301- 测力计，302-高速相机，303-红外热像仪，401-床身，402-主轴驱动组件，403-XZ 轴移动导轨。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实 施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的， 而不是要限制本技术方案的范围。
如图1-图9所示，本实施例提出一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置， 包括激光发射装置1、超声车削系统2和机床本体4，其中，机床本体4包括用 于夹持工件5并驱动工件5转动的主轴驱动组件402、给进组件和床身401，超 声车削系统2和激光发射装置1安装在给进组件上，超声车削系统2和激光发 射装置1可同步给进动作，以在超声车削系统2对工件5超声切削加工的同时 对工件5进行激光加工。激光发射装置1包括脉冲激光器101、聚焦镜102、氧 气导管103和夹持转动机构104，夹持转动机构104安装在给进组件上，脉冲激 光器101、聚焦镜102和氧气导管103均安装在夹持转动机构104的转动端，聚 焦镜102安装在脉冲激光器101发射端的前方以对脉冲激光器101发出的光线 聚焦，氧气导管103的出氧端与聚焦镜102的出射端相邻。
夹持转动机构104包括手动旋转位移台10401、安装板一10402、手动线性 位移台10403和安装板二10404，其中手动旋转位移台10401的底部安装在给进 组件上，手动旋转位移台10401的转动端可水平转动，安装板一10402固定安 装在手动旋转位移台10401的顶部转动端，手动线性位移台10403的底座安装 在安装板一10402的顶面，安装板二10404安装在手动线性位移台10403的滑 动端，脉冲激光器101、聚焦镜102和氧气导管103均安装在安装板二10404上。
安装板二10404上设有燕尾槽导轨10408，该燕尾槽导轨10408水平设置， 且手动线性位移台10403移动端的移动方向和燕尾槽导轨10408主体延伸方向 在水平面上的投影相互垂直，脉冲激光器101和聚焦镜102均通过燕尾槽导轨 10408滑块可滑动的安装在燕尾槽导轨10408上。
燕尾槽导轨10408滑块上设有接杆支架，接杆支架垂直于安装板二10404， 脉冲激光器101和聚焦镜102连接接杆，接杆可转动并定位的插装在接杆支架 内，脉冲激光器101和聚焦镜102的转动轴线垂直于安装板二10404。
安装板二10404上设有接杆支架，接杆支架垂直于安装板二10404，氧气导 管103连接接杆，接杆可转动并定位的插装在接杆支架内，氧气导管103的转 动轴线垂直于安装板二10404。
脉冲激光器101、聚焦镜102和氧气导管103的外部均设有夹持机构，该夹 持机构上设有直线开设的凹槽，脉冲激光器101、聚焦镜102和氧气导管103均 可在凹槽内沿凹槽延伸方向窜动并定位。
具体的，以脉冲激光器101为例，接杆支架一1040501一端连接在燕尾槽 导轨滑块一10409上，接杆一1040502可转动并定位的安装在接杆支架一 1040501中，夹持器一1040503安装在接杆一1040502上，脉冲激光器101安装 在夹持器一1040503的凹槽内。聚焦镜102和氧气导管103的安装方式和脉冲 激光器101类似，不再赘述。
给进组件包括XZ轴移动导轨403，激光发射装置1和超声车削系统2均安 装在XZ轴移动导轨403上，该XZ轴移动导轨403可带动激光发射装置1和超 声车削系统2沿工件5转动中心方向移动以及垂直于工件5转动中心方向移动。
机床本体4侧面还具有用于监测工件5加工状态的高速相机302和红外热 像仪303。
超声车削系统2包括法兰转台201、保护壳202、压电换能器203、超声变 幅杆204和金刚石刀具206，其中法兰转台201通过平台式的测力计301安装在 给进组件上，保护壳202安装在法兰转台201的升降端，压电换能器203置于 保护壳202内，超声变幅杆204尾端安装在压电换能器203的输出端，金刚石 刀具206安装在超声变幅杆204的前端，且超声变幅杆204靠近前端的位置开 设有圆弧凹槽205，该圆弧凹槽205的曲率半径为4mm-6mm，圆弧凹槽205使得 超声变幅杆204中的纵向振动的波会在圆弧凹槽205处分解，分为纵向振动和 弯曲振动，在金刚石刀具206处形成复合椭圆超声振动，以此将金刚石刀具206 的切削方式从连续切削转化为间歇式切削。
具体的，激光发射装置1通过螺栓安装在机床的XZ轴移动导轨403上，超 声车削系统2通过螺栓与检测装置3中的测力计301和机床的XZ轴移动导轨403 连接。检测装置3中的红外热像仪303、高速相机302均通过三脚架放置在机床 本体4的一侧。脉冲激光器101、激光聚焦镜102、氧气导管103分别装夹在夹 持机构一10405、夹持机构二10406和夹持机构三10407上，夹持转动机构104 通过螺栓与垫板105连接。
夹持转动机构104包括：手动旋转位移台10401、安装板一10402、手动线 性位移台10403、安装板二10404、夹持机构一10405、夹持机构二10406、夹 持机构三10407、燕尾槽导轨10408、燕尾槽导轨滑块一10409、燕尾槽导轨滑 块二10410，其中安装板一10402通过螺栓与手动旋转位移台10401连接，手动 线性位移台10403通过螺栓与安装板一10402连接，安装板二10404通过螺栓 与手动线性位移台10403连接，夹持机构三10407通过螺栓安装在安装板二 10404上，燕尾槽导轨10408通过螺栓与安装板二10404连接，燕尾槽导轨滑块 一10409与燕尾槽导轨滑块二10410通过预紧螺钉与卡入式结构安装在燕尾槽 导轨10408上，夹持机构一10405与夹持机构二10406通过螺栓分别与燕尾槽 导轨滑块一10409和燕尾槽导轨滑块二10410连接。
超声车削系统2包括法兰转台201、保护壳202、压电换能器203、超声变 幅杆204、圆弧凹槽205和金刚石刀具206。其中保护壳202底部通过双螺母结 构与法兰转台201连接，一方面可以将超声车削系统2实现在小范围内的调高， 以满足对机床主轴对刀的考虑，另一方面可以实现超声车削系统2绕法兰转台 201轴线的旋转功能，用以探索不同的角度对加工效果的影响。压电换能器203 与超声变幅杆204连接，金刚石刀具206通过螺钉安装在超声变幅杆204的菱 形槽内。
检测装置3包括测力计301、高速相机302、红外热像仪303，其中测力计 301通过螺栓连接超声车削系统2共同放置在机床的XZ轴移动导轨403上，高 速相机302和红外热像仪303通过三脚架放置在机床本体4的一侧。
工件5固定在主轴箱的三爪卡盘上，XZ轴移动导轨403带动激光发射装置 1、超声车削系统2由右向左移动，激光发射装置1将激光发射到工件5端面的 同时，超声车削系统2对工件5的端面进行车削。切削时，脉冲激光器101发 射出激光经聚焦镜102聚焦后，以适当的加热时间和能量密度在加工点前方对 旋转的超硬材料进行加热,改善难加工材料的加工特性。压电换能器203将机械 振动传递给超声变幅杆204，超声变幅杆204产生纵向振动的波会在圆弧凹槽 205处分解，分为纵向振动和弯曲振动，在金刚石刀具206处形成复合椭圆超声 振动。在激光加热和超声振动辅助复合作用下，超硬材料的去除模式将从脆性 去除变为塑性去除，降低切削力，减少刀具磨损，提高加工效率。
激光发射装置1可以实现在X,Y,Z三个方向行程为25mm的移动，移动精度 可达10um，用以调节激光入射的位置和高度。同时可实现精度为0.02°的整周 转动，用以调节激光的入射角度。
激光发射装置1的平均功率大于50W，脉冲激光束的重复频率为 100-500KHZ，入射角度为30°～90°。
氧气导管103向激光照射区域输送氧气，发生氧化反应，形成疏松多孔的 氧化层。与硬脆的铝基碳化硅相比，氧化层硬度大大降低，加工性能得到有效 提高。
超声变幅杆204上开设有半径为5mm的圆弧凹槽205，使得超声变幅杆204 中的纵向振动的波会在圆弧凹槽205处分解，分为纵向振动和弯曲振动，在金 刚石刀具206处形成复合椭圆超声振动，以此将切削方式从连续切削转化为间 歇式切削。
压电换能器203使得刀具的振动频率不小于20kHz，振动幅值为1～10um。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本 技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些 变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：包括激光发射装置、超声车削系统和机床本体，其中，机床本体包括用于夹持工件并驱动工件的主轴驱动组件和给进组件，所述超声车削系统和激光发射装置安装在给进组件上，所述超声车削系统和激光发射装置可同步给进动作，以在超声车削系统对工件超声切削加工的同时对工件进行激光加工。
2.根据权利要求1所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述激光发射装置包括脉冲激光器、聚焦镜、氧气导管和夹持转动机构，夹持转动机构安装在给进组件上，所述脉冲激光器、聚焦镜和氧气导管均安装在夹持转动机构的转动端，所述聚焦镜安装在脉冲激光器发射端的前方以对脉冲激光器发出的光线聚焦，所述氧气导管的出氧端与所述聚焦镜的出射端相邻。
3.根据权利要求2所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述夹持转动机构包括手动旋转位移台、安装板一、手动线性位移台和安装板二，其中手动旋转位移台的底部安装在给进组件上，手动旋转位移台的转动端可水平转动，安装板一固定安装在手动旋转位移台的顶部转动端，所述手动线性位移台的底座安装在安装板一的顶面，所述安装板二安装在手动线性位移台的滑动端，所述脉冲激光器、聚焦镜和氧气导管均安装在安装板二上。
4.根据权利要求3所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述安装板二上设有燕尾槽导轨，该燕尾槽导轨水平设置，且手动线性位移台移动端的移动方向为立体三维移动，所述脉冲激光器和聚焦镜均通过燕尾槽导轨滑块可滑动的安装在燕尾槽导轨上。
5.根据权利要求4所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述燕尾槽导轨滑块上设有接杆支架，接杆支架垂直于安装板二，所述脉冲激光器和聚焦镜连接接杆，接杆可转动并定位的插装在接杆支架内，所述脉冲激光器和聚焦镜的转动轴线垂直于安装板二。
6.根据权利要求3所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述安装板二上设有接杆支架，接杆支架垂直于安装板二，所述氧气导管连接接杆，接杆可转动并定位的插装在接杆支架内，所述氧气导管的转动轴线垂直于安装板二。
7.根据权利要求2所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述脉冲激光器、聚焦镜和氧气导管的外部均设有夹持机构，该夹持机构上设有直线开设的凹槽，所述脉冲激光器、聚焦镜和氧气导管均可在凹槽内沿凹槽延伸方向窜动并定位。
8.根据权利要求1所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述给进组件包括XZ轴移动导轨，所述激光发射装置和超声车削系统均安装在XZ轴移动导轨上，该XZ轴移动导轨可带动激光发射装置和超声车削系统沿工件转动中心方向移动以及垂直于工件转动中心方向移动。
9.根据权利要求1所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述机床本体侧面还具有用于监测工件加工状态的高速相机和红外热像仪。
10.根据权利要求1-9任一项所述的激光-超声振动复合辅助切削加工装置，其特征在于：所述超声车削系统包括法兰转台、保护壳、压电换能器、超声变幅杆和金刚石刀具，其中法兰转台通过平台式的测力计安装在给进组件上，所述保护壳安装在法兰转台的升降端，所述压电换能器置于保护壳内，所述超声变幅杆尾端安装在压电换能器的输出端，金刚石刀具安装在超声变幅杆的前端，且超声变幅杆靠近前端的位置开设有圆弧凹槽，该圆弧凹槽的曲率半径为5mm，所述圆弧凹槽使得超声变幅杆中的纵向振动的波会在圆弧凹槽处分解，分为纵向振动和弯曲振动，在金刚石刀具处形成复合椭圆超声振动，以此将金刚石刀具的切削方式从连续切削转化为间歇式切削。
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