CN113857653B - 一种超声辅助激光的表面改性装置 - Google Patents

Abstract

本发明激光加工设备技术领域，具体为一种超声辅助激光的表面改性装置，解决了背景技术中的技术问题，其包括超声振动切削装置和激光加热装置，超声振动切削装置中包括同轴相连的变幅杆和刀座，还包括超声发生器、非接触电信号传输器、加工刀具和用于连接机床主轴的安装刀柄；激光加热装置包括激光发生器、导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜。本发明可以实现切削加工过程中工件被加工表面的实时激光加热，在降低难加工材料切削加工性的同时，提高了加工效率；上环形导光镜的周向旋转可以实现激光的周向分光，下环形导光镜的轴向往复振动可以实现激光的轴向分光，从而实现对激光加热轨迹的控制，并且有效降低了工件被加工表面局部过热现象的出现。

Description

一种超声辅助激光的表面改性装置

技术领域

本发明属于激光加工设备技术领域，具体为一种超声辅助激光的表面改性装置。

背景技术

激光表面改性技术是将高能量高密度的激光作用于工件表面，使工件表面材料经历快速的升温和降温，从而改变工件表面材料物理、化学和力学性能的过程。激光具有方向性强，波长稳定，相位一定以及功率密度高的特点。合理的激光可以在工件表面产生热效应、光化学效应、压强作用和电磁场效应，产生细小晶粒且包含多种介稳相和金属间化合物的表面强化层，从而提高工件的耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳等一系列性能，增加工件的服役寿命。而且，激光表面改性技术只会作用于工件一定深度的表面层，不会影响工件内部材料的组织结构，可以实现降低加工成本同时获得高性能加工表面的目的。

但是现有的激光表面改性技术仍然存在需要改进的地方。由于激光的方向性极强，在传统线性进给的作用下，激光在工件表面的加工并不均匀，因此会导致工件表面出现硬化不均匀或回火现象。此外，不均匀的激光加工会影响工件表面粗糙度。

发明内容

本发明旨在解决现有的激光表面改性技术中，由于激光的方向性极强，在传统线性进给的作用下，激光在工件表面的加工并不均匀，因此会导致工件表面出现硬化不均匀或回火现象的技术问题，提供了一种超声辅助激光的表面改性装置，在保证激光加工优势的基础上，提高工件表面的硬化程度，促进工件表面激光加工的均匀性，降低工件表面粗糙度，最终提高工件的服役寿命。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种超声辅助激光的表面改性装置，包括超声振动切削装置和激光加热装置，超声振动切削装置中包括同轴相连的变幅杆和刀座；激光加热装置包括激光发生器、导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜，上环形导光镜与刀座上部固定连接，下环形导光镜与刀座下部通过第一球轴承相连接；导光罩与变幅杆同轴，导光罩的上部与变幅杆之间通过第二球轴承相连接，导光罩的下部通过至少一个支撑连接结构与下环形导光镜固连；上环形导光镜的外侧沿周向设置有使激光束实现周向分光的旋转分光镜组，下环形导光镜朝前的外侧面上由上而下设置有使激光束实现轴向分光的数层外偏光镜组，与下环形导光镜前侧相对应的导光罩内侧壁上设置有与外偏光镜组径向相对且轴向交错的数层内偏光镜组；激光发生器连接有激光传输管道，激光传输管道穿置并固定在导光罩上，导光罩内侧的位于激光传输管道正上方的位置处设置有用于观察激光束是否照射在旋转分光镜组上的高清探头，从激光传输管道输出的激光束首先照射在旋转分光镜组上，然后依次被反射至内偏光镜组和外偏光镜组上，最后经过内偏光镜组和外偏光镜组多次反射后从导光罩下部开口的前侧射出形成激光加工区域；上环形导光镜随刀座旋转时，激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变。

当超声振动切削装置启动工作时，变幅杆将放大后的机械振动传递给刀座进而带动超声振动切削装置的刀具在加工过程中轴向振动，导光罩上端通过第一球轴承与变幅杆相连，导光罩下端通过至少一个支撑连接结构与下环形导光镜相连，能够使导光罩连接结构稳定。当变幅杆转动时，导光罩不发生转动，下环形导光镜通过第二球轴承与刀座下部相连后，故下环形导光镜只进行轴向振动，上环形导光镜与刀座上部固定连接，则上环形导光镜会随刀座一同进行绕轴转动。激光发生器通过激光传输管道将激光传输至导光罩内部，激光首先打在上环形导光镜上，上环形导光镜的旋转分光镜组在旋转过程中对激光束进行周向分光，而且分光镜的镜面朝下倾斜因此会反射在内偏光镜组上，内偏光镜组再将激光反射至下环形导光镜的外偏光镜组上，外偏光镜组随下环形导光镜轴向振动可实现激光的轴向分光，故最后从导光罩下部射出的激光面具有一定的长度和宽度，形成激光加工区域。激光束的周向分光确定了激光加工区域的长度，激光束的轴向分光确定了激光加工区域的宽度。上环形导光镜随刀座旋转时，激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变是为了保证旋转分光镜组的周向分光到达内偏光镜组中的位置保持不变，确保激光加工区域长度不变。导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜均可以进行成套更换，每套导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜中的分光镜和偏光镜数量不同，根据工件材料和结构对激光加热频率、范围的要求，可以选择合适的配套导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜进行超声辅助表面改性加工。激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变，即所述上环形导光镜在加工过程中随刀座旋转的同时，激光束照射到旋转分光镜组中分光镜的位置与激光传输管道出口的距离恒定不变。

本发明所述的超声辅助激光的表面改性装置可以同时对工件被加工表面进行超声振动辅助切削和激光加热。所述装置通过调节激光束强度并根据装置的运动方向可以实现两种加工模式，一是装置向着内外偏光镜组的方向运动，通过调节激光束强度可以实现先激光加热软化工件材料，后超声振动辅助切削工件材料，在提高材料去除率、减少刀具磨损的同时提高加工效率；二是装置向背离内外偏光镜组的方向运动，通过调节激光束强度可以实现先超声振动辅助切削工件材料，后激光加热强化材料组织结构，从而达到工件材料的复合强化效果。

优选的，上环形导光镜包括同轴设置的第一环形筒和第二环形筒，第一环形筒与刀座上部固定连接，旋转分光镜组通过多根第一支撑杆固定在第二环形筒的外壁上，第一环形筒和第二环形筒之间连接有用于调整旋转分光镜组相对位置的多个第一微型液压支柱，第一微型液压支柱绕第一环形筒的周向均匀分布。旋转分光镜组通过多根第一支撑杆固定在第二环形筒上，故旋转分光镜组与第二环形筒相对静止，调整第一微型液压支柱使得第一环形筒和第二环形筒的相对位置发生改变，进而调整旋转分光镜组的相对位置使激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变，激光束的出射点位于激光传输管道的输出端口处。

优选的，旋转分光镜组包括多块分光镜，多块分光镜沿刀座周向均匀分布且拼接成倒置的正多棱台，每块分光镜的镜面均向正下方倾斜。镜面均向正下方倾斜是为了保证光被向下反射，分光镜的结构相同，尺寸相等，设置成正多棱台是为了激光束被每一块分光镜的周向分光长度均相等，保证激光加工效果的稳定性。

优选的，每层外偏光镜组均包括数个外偏光镜，所有外偏光镜均朝下倾斜，相邻外偏光镜之间相接，每层外偏光镜组沿下环形导光镜周向的长度保证能接收所有的反射光；每层内偏光镜组包括数个内偏光镜，所有内偏光镜均朝下倾斜，相邻内偏光镜之间相接，每层内偏光镜组沿导光罩周向的长度保证能接收所有的反射光。限定每层内偏光镜组和每层外偏光镜组沿导光罩周向的长度是为了能够有效利用全部的激光，使激光加工区域最大化。

优选的，每个外偏光镜与下环形导光镜外壁之间均连接第二支撑杆和用于调整外偏光镜镜面方向的第二微型液压柱，第二支撑杆与外偏光镜相铰接；每个内偏光镜与导光罩内壁之间均连接有第三支撑杆和用于调整内偏光镜镜面方向的第三微型液压柱，第三支撑杆与内偏光镜相铰接。通过调整第二微型液压柱或第三微型液压柱的伸缩运动，进而实现对外偏光镜或内偏光镜的上下倾斜调节，通过对外偏光镜或内偏光镜进行调节，实现对激光加工区域宽度范围的调节，但外偏光镜和内偏光镜的上下倾斜角度要保持一致。

优选的，还包括计算机控制系统和液压输出装置；第一微型液压柱均连接有第一单一液压软管，所有第一单一液压软管汇集后连接至第一集成液压软管，第一单一液压软管和第一集成液压软管均嵌入在第二环形筒中；每一列第二微型液压柱均连接至同一根第二单一液压软管，所有第二单一液压软管汇集后连接至第二集成液压软管，第二单一液压软管和第二集成液压软管均嵌入在下环形导光镜内部；每一列第三微型液压柱均连接至同一根第三单一液压软管，所有第三单一液压软管汇集后连接至第三集成液压软管，第三单一液压软管和第三集成液压软管均嵌入在导光罩内部；液压输出装置通过液压输入管道分别与第一集成液压软管、第二集成液压软管和第三集成液压软管相连接，计算机控制系统与液压输出装置相连实现对液压输出装置输出油液的定量控制，进而分别对应控制第一微型液压柱、第二微型液压柱或第三微型液压柱的伸缩量。第一微型液压柱、第二微型液压柱或第三微型液压柱的伸缩量改变后，与之对应的镜面即可调整上下倾斜角度。第一微型液压柱、第二微型液压柱和第三微型液压柱的结构一致；第一单一液压软管、第二单一液压软管和第三单一液压软管的结构一致；第一集成液压软管、第二集成液压软管和第三集成液压软管的结构一致。

优选的，上环形导光镜下端和下环形导光镜上端之间设置有环形垫圈，环形垫圈的上部通过第三球轴承与上环形导光镜相连接，环形垫圈的下部通过螺纹结构与下环形导光镜螺纹连接；环形垫圈上还设置有用于分离第一集成液压软管和第二集成液压软管的两个通孔。第三球轴承不仅能使环形垫圈和上环形导光镜之间发生相对转动，轴承座与球滚珠之间存在轻微纵向相对位移的空间，使得环形垫圈和上环形导光镜之间有一定的纵向活动余量；上环形导光镜的上端和下环形导光镜的下端分别设置有用于保护上环形导光镜上端和下环形导光镜下端的环形垫片；设置环形垫圈的作用，首先是为了上环形导光镜与下环形导光镜相连接，其次第一集成液压软管和第二集成液压软管分别穿过环形垫圈上的两个通孔，穿置各自的液压输入管道，固定于导光罩上的液压输入管道不转动，第一集成液压软管和第二集成液压软管穿过液压输入管道后连接到液压输出装置上。优选的，导光罩外部还连接有沿导光罩周向均匀分布的至少两套可伸缩支撑架，可伸缩支撑架包括水平支撑杆和可伸缩竖直支撑杆，可伸缩竖直支撑杆上设置有可实时显示竖直方向位移量的位移数显装置，可伸缩竖直支撑杆的底端连接有行走轮。设置行走轮是为了方便可伸缩支撑架水平位移，设置位移数显装置是为了保证各套可伸缩支撑架的纵向伸缩量相等，进而保证导光罩的水平放置。

优选的，超声振动切削装置还包括超声发生器、非接触电信号传输器、加工刀具和用于连接机床主轴的安装刀柄，安装刀柄通过超声换能器与变幅杆相连接，加工刀具安装至刀座的末端，超声发生器与非接触电信号传输器相连接，非接触电信号传输器安装至机床主轴的下端面上且与超声换能器间隙配合。超声换能器、变幅杆、刀座和加工刀具共同组成超声刀柄，非接触电信号传输器来自于旋转超声加工装置 ，超声振动切削装置由超声发生器将电信号通过非接触电信号传输器将电信号传递到超声换能器，超声换能器将电信号转换为机械振动，并通过变幅杆将放大后的机械振动传递给加工刀具，进而实现所述加工刀具在加工过程中的轴向振动。

本发明的有益效果是：

1.本发明的超声辅助激光的表面改性装置，具有超声振动切削装置和激光加热装置，可以实现切削加工过程中工件被加工表面的实时激光加热，在降低难加工材料切削加工性的同时，提高了加工效率；所述装置通过调节激光束强度并根据装置的运动方向可以实现两种加工模式，一是装置向着内外偏光镜组的方向运动，通过调节激光束强度可以实现先激光加热软化工件材料，后超声振动辅助切削工件材料，在提高材料去除率、减少刀具磨损的同时提高加工效率；二是装置向背离内外偏光镜组的方向运动，通过调节激光束强度可以实现先超声振动辅助切削工件材料，后激光加热强化材料组织结构，从而达到工件材料的复合强化效果；

2.本发明的超声辅助激光的表面改性装置，通过上环形导光镜的周向旋转可以实现激光的周向分光，通过下环形导光镜的轴向往复振动可以实现激光的轴向分光，从而实现对激光加热轨迹的控制，并且有效降低了工件被加工表面局部过热现象的出现；

3.本发明的超声辅助激光的表面改性装置，可以根据加工需要更换配套的导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜，从而调整激光加热路径和范围，结合不同的加工工具提高工件被加工表面的表面改性效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明所述一种超声辅助激光的表面改性装置的结构示意图。

图2为本发明所述上环形导光镜的结构示意图，其中图（a）为纵截面示意图，图（b）为横截面示意图。

图3为本发明所述第一微型液压支柱、第二微型液压支柱或第三微型液压支柱的内部结构示意图。

图4为本发明所述环形垫圈的结构示意图，其中上部为环形垫圈的俯视图，下部为环形垫圈的纵截面示意图。

图5的左侧为本发明所述旋转分光镜至内偏光镜组之间的光线传输示意图，其中w为刀座的绕轴旋转速度，O为激光束打在分光镜上的位置；右侧为旋转分光镜组相邻镜面之间的夹角关系示意图。

图6的左侧为本发明所述旋转分光镜组、外偏光镜组和内偏光镜之间的光线传输示意图，其中右侧为导光罩上第三单一液压软管和第三集成液压软管的示意图。

图7为本发明中下环形导光镜的结构示意图。

图8为图7的B-B剖角度内偏光镜组和外偏光镜组之间光线传输图。

图9为本发明所述下环形导光镜上第二单一液压软管和第二集成液压软管的示意图。

图10为本发明所述一种超声辅助激光的表面改性装置的加工示意图。

图11为本发明所述一种超声辅助激光的表面改性装置的工作过程流程图。

图中：1、变幅杆；2、刀座；3、激光发生器；4、导光罩；5、上环形导光镜；6、下环形导光镜；7、第一球轴承；8、第二球轴承； 10、支撑连接结构；11、旋转分光镜组；12、外偏光镜组；13、内偏光镜组；14、激光传输管道；15、高清探头；16、激光束；17、第一环形筒；18、第二环形筒；19、第一支撑杆；20、第一微型液压支柱；21、第二支撑杆；22、第二微型液压柱；23、第三支撑杆；24、第三微型液压柱；25、计算机控制系统；26、液压输出装置；27、液压输入管道；28、环形垫圈；29、第三球轴承；30、通孔；31、可伸缩支撑架；32、水平支撑杆；33、可伸缩竖直支撑杆；34、位移数显装置；35、行走轮；36、超声发生器；37、非接触电信号传输器；38、加工刀具；39、安装刀柄；40、超声换能器；41、机床主轴；42、环形垫片；43、平头螺钉；44、带孔螺栓；45、单头螺栓；46、液压腔；47、支撑块；48、弹簧；49、密封圈；50、液压伸缩柱；51、转接口；A、超声振动切削区域；B、激光加热区域；C、超声辅助激光加工区域；D、进给方向；E、工件被加工表面。

具体实施方式

下面将结合附图1至图11对本发明所述的一种超声辅助激光的表面改性装置的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种超声辅助激光的表面改性装置，如图1所示，包括超声振动切削装置和激光加热装置，超声振动切削装置中包括同轴相连的变幅杆1和刀座2，还包括超声发生器36、非接触电信号传输器37、加工刀具38和用于连接机床主轴41的安装刀柄39；激光加热装置包括激光发生器3、导光罩4、上环形导光镜5和下环形导光镜6。

如图1所示，超声振动切削装置中安装刀柄39通过超声换能器40与变幅杆1相连接，加工刀具38安装至刀座2的末端，超声发生器36与非接触电信号传输器37相连接，非接触电信号传输器37安装至机床主轴41的下端面上且与超声换能器40间隙配合。超声换能器40、变幅杆1、刀座2和加工刀具38共同组成超声刀柄，非接触电信号传输器37来自于旋转超声加工装置 ，超声振动切削装置由超声发生器36将电信号通过非接触电信号传输器37将电信号传递到超声换能器40，超声换能器40将电信号转换为机械振动，并通过变幅杆1将放大后的机械振动传递给加工刀具38，进而实现所述加工刀具38在加工过程中的轴向振动。

如图2所示，激光加热装置中的上环形导光镜5与刀座2上部通过螺纹结构固定连接。上环形导光镜5包括同轴设置的第一环形筒17和第二环形筒18，第一环形筒17与刀座2上部固定连接，旋转分光镜组11通过多根第一支撑杆19固定在第二环形筒18的外壁上，第一环形筒17和第二环形筒18之间连接有用于调整旋转分光镜组11相对位置的多个第一微型液压支柱20，第一微型液压支柱20的结构如图3所示，第一微型液压支柱20绕第一环形筒17的周向均匀分布；上环形导光镜5的外侧沿周向设置有使激光束16实现周向分光的旋转分光镜组11，旋转分光镜组11包括多块分光镜，多块分光镜沿刀座2周向均匀分布且拼接成倒置的正多棱台，每块分光镜的镜面均向正下方倾斜；旋转分光镜组11中分光镜的数量为八块、十六块、三十二块或更多，本发明实施例中，设置了八块，相邻分光镜之间的内夹角为135°，旋转分光镜组11形成的正多棱台侧壁中的相邻分光镜之间的夹角大小满足公式π-2θ，内偏光镜组13中最外侧偏光镜之间的夹角为2θ，具体见图5所示，也就是周向分光形成的圆心角的最大范围为2θ，这是为了保证外偏光镜组12可以接收到所有旋转分光镜组11分出来的激光束16；第一微型液压柱均连接有第一单一液压软管，所有第一单一液压软管汇集后连接至第一集成液压软管，第一单一液压软管和第一集成液压软管均嵌入在第二环形筒18中。

如图1所示，下环形导光镜6与刀座2下部通过第一球轴承7相连接，下环形导光镜6朝前的外侧面上由上而下设置有使激光束16实现轴向分光的数层外偏光镜组12，每层外偏光镜组12均包括数个外偏光镜，本实施例中，如图7、图8和图9所示，共设置四层九列外偏光镜，那么每层就设置就个外偏光镜；每个外偏光镜与下环形导光镜6外壁之间均连接第二支撑杆21和用于调整外偏光镜镜面方向的第二微型液压柱22，第二支撑杆21的一端固定在下环形导光镜6外壁上，另一端与外偏光镜相铰接，所有外偏光镜均朝下倾斜，相邻外偏光镜之间相接，每层外偏光镜组12沿下环形导光镜6周向的长度保证能接收所有的反射光；每一列第二微型液压柱22均连接至同一根第二单一液压软管，所有第二单一液压软管汇集后连接至第二集成液压软管，第二单一液压软管和第二集成液压软管均嵌入在下环形导光镜6内部。

导光罩4与变幅杆1同轴，如图1所示，本实施例中，导光罩4为喇叭状，分为在上的直筒段和在下的喇叭段，上下两段一体成型，导光罩4的上部与变幅杆1之间通过第二球轴承8间隙连接。与下环形导光镜6前侧相对应的导光罩4内侧壁上设置有与外偏光镜组12径向相对且轴向交错的数层内偏光镜组13，每层内偏光镜组13包括数个内偏光镜，本实施例中，如图5和图6所示，共设置四层九列内偏光镜，每层设置九个内偏光镜，内偏光镜与外偏光镜一一对应；每个内偏光镜与导光罩4内壁之间均连接有第三支撑杆23和用于调整内偏光镜镜面方向的第三微型液压柱24，第三支撑杆23一端固定在导光罩4内壁上，另一端与内偏光镜相铰接，所有内偏光镜均朝下倾斜，相邻内偏光镜之间相接，每层内偏光镜组13沿导光罩4周向的长度保证能接收所有的反射光，每一列第三微型液压柱24均连接至同一根第三单一液压软管，所有第三单一液压软管汇集后连接至第三集成液压软管，第三单一液压软管和第三集成液压软管均嵌入在导光罩4内部。导光罩4的下部通过至少一个支撑连接结构10与下环形导光镜6固连，支撑连接结构10的数量为两套，每套支撑连接结构10均包括平头螺钉43、带孔螺栓44和单头螺栓45组成的连接结构进行螺纹连接，从而限制了下环形导光镜6的绕轴旋转，两套支撑连接结构10位于同一高度且呈90°排列，带孔螺栓44一端与所述导光罩4螺纹连接，所述带孔螺栓44的盲孔一端与单头螺栓45无螺纹的一端通过螺钉压紧固定连接，单头螺栓45有螺纹的一端与所述下环形导光镜6螺纹连接。导光罩4外部还连接有沿导光罩4周向均匀分布的至少两套可伸缩支撑架31，本实施例中可伸缩支撑架31设置为三套，且三套绕导光罩4轴线呈120°分布，其他实施例中，可伸缩支撑架31还可设置为两套、四套或者更多，可伸缩支撑架31包括水平支撑杆32和可伸缩竖直支撑杆33，可伸缩竖直支撑杆33上设置有可实时显示竖直方向位移量的位移数显装置34，可伸缩竖直支撑杆33的底端连接有行走轮35。设置行走轮35是为了方便可伸缩支撑架31水平位移，设置位移数显装置34是为了保证各套可伸缩支撑架31的纵向伸缩量相等，进而保证导光罩4的水平放置。

如图1所示，本发明所述超声辅助激光的表面改性装置中还包括计算机控制系统25和液压输出装置26；液压输出装置26通过液压输入管道27分别与第一集成液压软管、第二集成液压软管和第三集成液压软管相连接，计算机控制系统25与液压输出装置26相连实现对液压输出装置26输出油液的定量控制，进而分别对应控制第一微型液压柱、第二微型液压柱22或第三微型液压柱24的伸缩量。第一微型液压柱、第二微型液压柱22或第三微型液压柱24的伸缩量改变后，与之对应的镜面即可调整上下倾斜角度。第一微型液压柱、第二微型液压柱22和第三微型液压柱24的结构一致，均包括液压腔46、支撑块47、弹簧48、密封圈49和液压伸缩柱50，液压伸缩柱50穿置在液压腔46的首端，液压腔46的末端螺纹连接有用于连接单一液压软管的转接口，弹簧48的上端固定于液压伸缩柱50底部，所述弹簧48的下端固定于支撑块47的顶部，支撑块47在油液的挤压下可沿液压腔46轴线滑动，进而通过弹簧48带动液压伸缩柱50伸缩；第一单一液压软管、第二单一液压软管和第三单一液压软管的结构一致；第一集成液压软管、第二集成液压软管和第三集成液压软管的结构一致。第一微型液压柱、第一单一液压软管和第一集成液压软管为一套用于控制旋转分光镜组11；第二微型液压柱22、第二单一液压软管、第二集成液压软管为一组用于控制外偏光镜组12；第三微型液压柱24、第三单一液压软管和第三集成液压软管为一组用于控制内偏光镜组13。其中单一液压软管可位于集成液压软管内，集成液压软管可位于液压输入管道27内，三套结构相同。

如图4所示，上环形导光镜5下端和下环形导光镜6上端之间设置有环形垫圈28，环形垫圈28的上部通过第三球轴承29与上环形导光镜5相连接，环形垫圈28的下部通过螺纹结构与下环形导光镜6螺纹连接；环形垫圈28上还设置有用于分离第一集成液压软管和第二集成液压软管的通孔30。第三球轴承29不仅能使环形垫圈28和上环形导光镜5之间发生相对转动，轴承座与球滚珠之间存在实现轻微纵向相对位移的空间，使得环形垫圈28和上环形导光镜5之间有一定的纵向活动余量；上环形导光镜5的上端和下环形导光镜6的下端分别设置有用于保护上环形导光镜5上端和下环形导光镜6下端的环形垫片42；设置环形垫圈28的作用，首先是为了上环形导光镜5与下环形导光镜6相连接，其次第一集成液压和第二集成液压软管分别穿过环形垫圈上的两个通孔，两个通孔中分别穿置用于连接第一集成液压和第二集成液压软管的液压输入管道27，而且液压输入管道27穿出环形垫圈28后，还穿过导光罩4，液压输入管道27通过螺纹结构固定于导光罩4上实现不转动，第一集成液压软管和第二集成液压软管穿过各自对应的液压输入管道27后连接到液压输出装置26上。导光罩4外壁上连接用用于穿置第三集成液压软管的液压输入管道27，第三集成液压软管穿过对应的液压输入管道27后连接到液压输出装置26上。激光发生器3连接有激光传输管道14，激光传输管道14穿置并通过螺纹结构固定在导光罩4上，导光罩4内侧的位于激光传输管道14正上方的位置处设置有用于观察激光束16是否照射在旋转分光镜组11上的高清探头15，所述高清探头15也就是用于观察加工起始时激光束16照射到旋转分光镜组11中分光镜的位置。高清探头15连接有用于查看拍摄画面的装置，高清探头15也可以连接至计算机控制系统25，从激光传输管道14输出的激光束16首先照射在旋转分光镜组11上，然后依次被反射至内偏光镜组13和外偏光镜组12上，最后经过内偏光镜组13和外偏光镜组12多次反射后从导光罩4下部开口的前侧射出形成激光加工区域；上环形导光镜5随刀座2旋转时，激光束16的出射点与旋转分光镜组11上的入射点之间的距离保持不变。

当超声振动切削装置启动工作时，变幅杆1将放大后的机械振动传递给刀座2进而带动超声振动切削装置的刀具在加工过程中轴向振动，导光罩4上端通过第一球轴承7与变幅杆1相连，导光罩4下端通过至少一个支撑连接结构10与下环形导光镜6相连，能够是导光罩4连接结构稳定。当变幅杆1转动时，导光罩4不发生转动，下环形导光镜6通过第二球轴承8与刀座2下部相连后，故下环形导光镜6只进行轴向振动，上环形导光镜5与刀座2上部固定连接，则上环形导光镜5会随刀座2一同进行绕轴转动。激光发生器3通过激光传输管道14将激光传输至导光罩4内部，激光首先打在上环形导光镜5上，上环形导光镜5的旋转分光镜组11在旋转过程中对激光束16进行周向分光，而且分光镜的镜面朝下倾斜因此会反射在内偏光镜组13上，内偏光镜组13再将激光反射至下环形导光镜6的外偏光镜组12上，外偏光镜组12随下环形导光镜6轴向振动可实现激光的轴向分光，故最后从导光罩4下部射出的激光面具有一定的长度和宽度，形成激光加工区域，因此激光加热装置将激光传输至工件被加工表面在激光加工区域实现激光加热。激光束16的周向分光确定了激光加工区域的长度，激光束16的轴向分光确定了激光加工区域的宽度。上环形导光镜5随刀座2旋转时，激光束16的出射点与旋转分光镜组11上的入射点之间的距离保持不变是为了保证旋转分光镜组11的周向分光到达内偏光镜组13中的位置保持不变，确保激光加工区域长度不变。导光罩4、上环形导光镜5和下环形导光镜6均可以进行成套更换，每套导光罩4、上环形导光镜5和下环形导光镜6中的分光镜和偏光镜数量不同，根据工件材料和结构对激光加热频率、范围的要求，可以选择合适的配套导光罩4、上环形导光镜5和下环形导光镜6进行超声辅助表面改性加工。激光束16的出射点与旋转分光镜组11上的入射点之间的距离保持不变，即所述上环形导光镜5在加工过程中随刀座2旋转的同时，激光束16照射到旋转分光镜组11中分光镜的位置与激光传输管道14出口的距离恒定不变。

本发明所述的超声辅助激光的表面改性装置可以同时对工件被加工表面进行超声振动辅助切削和激光加热，如图10所示，图中，A为超声振动切削区域，B为激光加热区域，C为超声辅助激光加工区域，D为进给方向，E为工件被加工表面，所述装置通过调节激光束16强度并根据装置的运动方向可以实现两种加工模式，图10中给出了两种加工模式的进给方向，一是装置向着内外偏光镜组12的方向运动，通过调节激光束16强度可以实现先激光加热软化工件材料，后超声振动辅助切削工件材料，在提高材料去除率、减少刀具磨损的同时提高加工效率；二是装置向背离内外偏光镜组12的方向运动，通过调节激光束16强度可以实现先超声振动辅助切削工件材料，后激光加热强化材料组织结构，从而达到工件材料的复合强化效果。

如图11所示，本发明所述的一种超声辅助激光的表面改性装置的工作过程为：

步骤1：通过安装刀柄39将超声振动切削装置安装到机床主轴41上，将非接触电信号传输器37安装到机床主轴41下端面并调整其与超声换能器40之间的距离为1-2 mm，将加工刀具38安装到刀座2中；

步骤2：将可伸缩支撑架31的水平端安装到导光罩4上，连接导光罩4和变幅杆1，可伸缩支撑架31的行走轮35放置在加工中心工作台上，通过调节三个位移数显装置34保证导光罩4的水平度；

步骤3：将激光加热装置中的激光传输管道14安装在导光罩4上，将上环形导光镜5和下环形导光镜6依次安装在刀座2上，并在上环形导光镜5上端和下环形导光镜6下端安装环形垫片42，在两者之间安装环形垫圈28；

步骤4：启动激光发生器3，观察导光罩4上的高清探头15采集的信号，并根据激光束16照射到工件被加工表面的位置调节上环形导光镜5外侧的旋转分光镜组11，进而调整激光传输路径；然后打开液压输出装置26和计算机控制系统25保证旋转分光镜组11、内偏光镜组13和外偏光镜组12连接的微型液压柱中的液压量根据计算机控制系统25的指令而变化；最后启动超声发生器36，操作加工中心来实现工件被加工表面的超声辅助激光表面改性加工。

本发明的超声辅助激光的表面改性装置在加工过程中，可通过计算机控制系统25对液压输出装置26输出液压的调控实现对旋转分光镜组11、内偏光镜组13和外偏光镜组12中各镜面位移的实时调控，进而保证激光传输路径的精确度。

本发明的超声辅助激光的表面改性装置，将激光加热和超声振动切削集成在一个设备上，进而可以实现工件材料先经历激光加热软化紧接着经历超声振动切削的加工过程，提高了加工效率，并且通过调控内偏光镜组13和外偏光镜组12中镜片的上下倾斜可以实现激光加热区域范围的调节，进而满足不同尺寸工件的加工要求。

以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，包括超声振动切削装置和激光加热装置，超声振动切削装置中包括同轴相连的变幅杆（1）和刀座（2）；激光加热装置包括激光发生器（3）、导光罩（4）、上环形导光镜（5）和下环形导光镜（6），上环形导光镜（5）包括同轴设置的第一环形筒（17）和第二环形筒（18），第一环形筒（17）与刀座（2）上部固定连接，旋转分光镜组（11）通过多根第一支撑杆（19）固定在第二环形筒（18）的外壁上，第一环形筒（17）和第二环形筒（18）之间连接有用于调整旋转分光镜组（11）相对位置的多个第一微型液压支柱（20），第一微型液压支柱（20）绕第一环形筒（17）的周向均匀分布；上环形导光镜（5）与刀座（2）上部固定连接，下环形导光镜（6）与刀座（2）下部通过第一球轴承（7）相连接；导光罩（4）与变幅杆（1）同轴，导光罩（4）的上部与变幅杆（1）之间通过第二球轴承（8）相连接，导光罩（4）的下部通过至少一个支撑连接结构（10）与下环形导光镜（6）固连；上环形导光镜（5）的外侧沿周向设置有使激光束（16）实现周向分光的旋转分光镜组（11），下环形导光镜（6）朝前的外侧面上由上而下设置有使激光束（16）实现轴向分光的数层外偏光镜组（12），与下环形导光镜（6）前侧相对应的导光罩（4）内侧壁上设置有与外偏光镜组（12）径向相对且轴向交错的数层内偏光镜组（13）；激光发生器（3）连接有激光传输管道（14），激光传输管道（14）穿置并固定在导光罩（4）上，导光罩（4）内侧的位于激光传输管道（14）正上方的位置处设置有用于观察激光束（16）是否照射在旋转分光镜组（11）上的高清探头（15），从激光传输管道（14）输出的激光束（16）首先照射在旋转分光镜组（11）上，然后依次被反射至内偏光镜组（13）和外偏光镜组（12）上，最后经过内偏光镜组（13）和外偏光镜组（12）多次反射后从导光罩（4）下部开口的前侧射出形成激光加工区域；上环形导光镜（5）随刀座（2）旋转时，激光束（16）的出射点与旋转分光镜组（11）上的入射点之间的距离保持不变。

2.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，旋转分光镜组（11）包括多块分光镜，多块分光镜沿刀座（2）周向均匀分布且拼接成倒置的正多棱台，每块分光镜的镜面均向正下方倾斜。

3.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，每层外偏光镜组（12）均包括数个外偏光镜，所有外偏光镜均朝下倾斜，相邻外偏光镜之间相接，每层外偏光镜组（12）沿下环形导光镜（6）周向的长度保证能接收所有的反射光；每层内偏光镜组（13）包括数个内偏光镜，所有内偏光镜均朝下倾斜，相邻内偏光镜之间相接，每层内偏光镜组（13）沿导光罩（4）周向的长度保证能接收所有的反射光。

4.根据权利要求3所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，每个外偏光镜与下环形导光镜（6）外壁之间均连接第二支撑杆（21）和用于调整外偏光镜镜面方向的第二微型液压柱（22），第二支撑杆（21）与外偏光镜相铰接；每个内偏光镜与导光罩（4）内壁之间均连接有第三支撑杆（23）和用于调整内偏光镜镜面方向的第三微型液压柱（24），第三支撑杆（23）与内偏光镜相铰接。

5.根据权利要求4所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，还包括计算机控制系统（25）和液压输出装置（26）；第一微型液压柱均连接有第一单一液压软管，所有第一单一液压软管汇集后连接至第一集成液压软管，第一单一液压软管和第一集成液压软管均嵌入在第二环形筒（18）中；每一列第二微型液压柱（22）均连接至同一根第二单一液压软管，所有第二单一液压软管汇集后连接至第二集成液压软管，第二单一液压软管和第二集成液压软管均嵌入在下环形导光镜（6）内部；每一列第三微型液压柱（24）均连接至同一根第三单一液压软管，所有第三单一液压软管汇集后连接至第三集成液压软管，第三单一液压软管和第三集成液压软管均嵌入在导光罩（4）内部；液压输出装置（26）通过液压输入管道（27）分别与第一集成液压软管、第二集成液压软管和第三集成液压软管相连接，计算机控制系统（25）与液压输出装置（26）相连，实现对液压输出装置（26）输出油液的定量控制。

6.根据权利要求5所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，上环形导光镜（5）下端和下环形导光镜（6）上端之间设置有环形垫圈（28），环形垫圈（28）的上部通过第三球轴承（29）与上环形导光镜（5）相连接，环形垫圈（28）的下部通过螺纹结构与下环形导光镜（6）螺纹连接；环形垫圈（28）上还设置有用于穿置液压输入管道（27）的通孔（30）。

7.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，导光罩（4）外部还连接有沿导光罩（4）周向均匀分布的至少两套可伸缩支撑架（31），可伸缩支撑架（31）包括水平支撑杆（32）和可伸缩竖直支撑杆（33），可伸缩竖直支撑杆（33）上设置有可实时显示竖直方向位移量的位移数显装置（34），可伸缩竖直支撑杆（33）的底端连接有行走轮（35）。

8.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，超声振动切削装置还包括超声发生器（36）、非接触电信号传输器（37）、加工刀具（38）和用于连接机床主轴（41）的安装刀柄（39），安装刀柄（39）通过超声换能器（40）与变幅杆（1）相连接，加工刀具（38）安装至刀座（2）的末端，超声发生器（36）与非接触电信号传输器（37）相连接，非接触电信号传输器（37）安装至机床主轴（41）的下端面上且与超声换能器（40）间隙配合。

9.根据权利要求2所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，旋转分光镜组（11）中分光镜的数量为八块或十六块。

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