CN114178676A - 一种激光-超声同步辅助切削系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光‑超声同步辅助切削系统，由超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统、导光金刚石刀具组成。换能器输出纵向超声振动，异形变幅杆将换能器输出的纵向振动转换为纵‑弯复合振动，使刀具上呈现超声椭圆振动轨迹，实现断续切削；激光头通过激光发生器将激光束进行集中聚焦，通过导光刀座上开设的沟槽入射到导光金刚石刀具的后端面，经过折射后从导光金刚石刀具的前刀面射出，聚焦到工件材料被切除前的切削区，软化工件材料。本发明将超声椭圆振动切削技术与激光辅助切削技术进行复合，使复合辅助切削充分发挥两者的优势，有效解决超声椭圆振动切削加工效率低，激光辅助切削热应力易导致加工表面产生微裂纹等问题。

Description

一种激光-超声同步辅助切削系统

技术领域

本发明涉及精密特种加工技术领域，尤其涉及一种三维超声椭圆振动切削装置。

背景技术

随着精密超精密切削加工技术的迅速发展，特别是精密切削方法与特种加工技术的结合，为难加工材料的超精密加工带来了技术上的革新。

激光辅助切削技术是指将高能激光束聚焦到刀具前方的工件材料，使其在被切除前切削区的温度达到工件材料的最佳软化温度，工件材料易于实现塑性变形，从而减小切削力、切削比能、表面粗糙度及刀具磨损，进而提高加工质量及加工效率。其加工机理不仅在于高温下工件材料的强度及硬度的降低，而且局部瞬时的高温在工件材料的内部引起的塑性变形区应力场的变化以及工件材料在高温下与激光或介质发生的复杂的物理化学反应均致使工件材料切削性能发生变化。但是，激光辅助切削产生的热应力容易引起工件加工表面产生微裂纹，从而影响加工质量。

超声椭圆振动切削技术是指在刀具上施加二维超声振动，使其呈现椭圆振动轨迹的切削方式，相比普通切削及一维超声振动切削，其切削过程具有“摩擦力反转”、“变角度切削”及更加彻底“刀具-工件分离”的等特点，从而具有延长刀具寿命、提高切削表面光洁度和切削稳定性、抑制毛刺和再生颤振等优势。

为了充分发挥超声椭圆振动切削及激光辅助切削两种特种加工技术的优势，本发明提出了一种激光-超声同步辅助切削系统，将超声椭圆振动切削及激光辅助切削相结合，进而进一步减小刀具磨损，提高加工质量。相比现有的分体式超声-激光复合辅助切削系统(将超声振动切削系统和激光辅助切削系统分别布置)，本发明将超声椭圆振动切削系统和激光辅助切削系统进行了高度集成设计，高能激光束通过金刚石刀具从刀尖点射出并精准集中在核心切削区域，相对位置稳定可靠，且复合辅助切削系统的结构紧凑，集成化程度高，体积小，安全性高，并可实现切削加工中光-声能量的独立精确输入控制，具有更强的适应性，可充分发挥超声-激光复合辅助切削技术的优势，工程应用前景较好。

发明内容

为充分发挥超声椭圆振动切削及激光辅助切削的优势，本发明提供了一种激光-超声同步辅助切削系统，具有较强的适应性。本发明采用的技术手段如下：

一种激光-超声同步辅助切削系统，由超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统、导光金刚石刀具及防护壳体组成，所述超声椭圆振动切削系统包括导光刀座、超声椭圆振动切削输入机构、超声椭圆振动切削输出机构和刀具位姿调整机构，所述导光金刚石刀具安装在所述导光刀座上，所述导光刀座设置于所述超声椭圆振动切削输出机构的输出端，所述超声椭圆振动切削输入机构和超声椭圆振动切削输出机构相连，所述超声椭圆振动切削输出机构用于带动导光金刚石刀具完成超声椭圆振动切削，所述刀具位姿调整机构与所述超声椭圆振动切削输出机构相连，所述刀具位姿调整机构用于实现切削加工中导光金刚石刀具的对刀操作；所述激光辅助切削系统包括激光输入机构、激光输出机构和激光校准机构，所述激光输入机构和激光输出机构相连，所述激光校准机构与激光输出机构相连，所述激光输出机构用于输出激光束，所述激光校准机构用于调节激光束的输出位置，使所述激光束能够在工作状态下穿过所述导光刀座入射到导光金刚石刀具上，所述防护壳体套接在超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统外部，其壳体上设有供激光束和超声椭圆振动切削输出机构移动的孔。

进一步地，所述超声椭圆振动切削输入机构包括超声电源，所述超声椭圆振动切削输出机构包括换能器、异形变幅杆，所述超声电源通过超声信号电缆与所述换能器相连，所述换能器的输出端与所述异形变幅杆的输入端相连，所述异形变幅杆的输出端与所述导光刀座相连，所述导光金刚石刀具钎焊在导光刀座的前部，异形变幅杆输出的两相具有一定相位差的超声振动在刀尖进行合成，使其呈现椭圆振动轨迹。

进一步地，所述超声电源为数字式单通道超声电源，用于对换能器进行激励，采用PID模糊算法实现对超声椭圆振动切削系统的谐振频率的自动追踪功能，保证振动切削系统的超声振动的稳定的输出。

进一步地，所述换能器为夹心式压电换能器，由四片型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷片及四片铜质电极片组成，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式，在超声电源的激励下，输出超声纵向振动。

进一步地，所述异形变幅杆上具有不对称结构，用于将换能器输出纵向振动进行放大、分解及转换，一部分纵向振动转换为沿着不对称结构中心的弯曲振动，另一部分纵向振动继续向前传递，且两相超声振动具有预设的相位差；通过选择不同结构的异形变幅杆中，实现对纵向振动向弯曲振动的转换比例的调整，所述不同结构为差异化的不对称结构的位置和/或差异化的几何尺寸。

进一步地，异形变幅杆通过法兰约束在在刀具高度调整机构上，刀具高度调整机构具有刀具高度粗调旋钮和刀具高度微调旋钮，所述刀具高度调整机构能够实现对金刚石刀具Y方向的位移微调，所述微调的调整精度为0.1微米。

进一步地，所述激光输入机构包括激光发生器，所述激光输出机构包括激光头和激光功率校准器，所述激光发生器发射出的激光经由柔性光纤传输到所述激光头，所述激光校准机构包括三向位移微调机构。

进一步地，所述激光头的输出端设有聚焦镜，所述聚焦镜用于将光斑直径聚焦到50-150μm，所述激光发生器用于实现对发射出的激光束的功率进行调整，从而适应不同的加工材料和需求。

进一步地，所述激光头通过固定钳与三向位移微调机构相连接，所述固定钳的末端安装在三向位移微调机构上，所述固定钳的前端卡接在所述激光头外壁上。

进一步地，激光功率校准器用于对从刀具射出的激光束的功率和能量密度进行校核。

本发明具有以下优点：

该复合辅助切削系统将超声椭圆振动切削技术与激光辅助切削技术相结合，充分发挥两种切削技术的优势。可有效解决超声椭圆振动切削加工效率低，激光辅助切削的热应力易导致加工表面产生微裂纹等问题，进一步减小刀具磨损，提高工件的加工质量。在复合辅助切削加工过程中，超声椭圆振动切削和激光辅助切削同时进行，高能激光束通过金刚石刀具从刀尖点出射加热软化材料，在材料被去除前的短时间内将其局部加热到较高的温度，使材料的屈服应力和硬度降低，切削变形从脆性转变为塑性或准塑性。而超声椭圆振动使切削转变为断续过程，减小了刀具前后刀面与工件的摩擦接触时间，有效减小了刀具的磨损，且在切削分离时，激光辐照已加工表面，对已加工表面进行激光加热回火，使材料恢复到原始结构，减小了亚表面损伤，提高了加工表面质量。

相较于分体式超声-激光复合切削系统，本发明将超声椭圆振动切削系统和激光辅助切削系统进行了高度集成设计，激光束在工件材料上的集中位置与切削区的相对位置稳定，且复合辅助切削系统的结构紧凑，工程应用前景较好。

此外，超声振动的振幅可由超声电源进行调整，超声椭圆振动轨迹可通过对变幅杆结构优化进行控制，激光束的功率及光斑大小也可由激光发生器进行连续可调，为超声-激光复合辅助切削工艺优化提供了基础，也使复合辅助切削系统具有更强的适应性。

基于上述理由本发明可在精密特种加工技术领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中主体外部结构示意图。

图2是本发明实施例中壳体内部结构示意图。

图3是本发明实施例中超声椭圆振动切削输出机构结构示意图。

图4是本发明实施例中导光刀座结构示意图，其中(a)为安装导光金刚石刀具的结构示意图；(b)为拆卸导光金刚石刀具的结构示意图。

图中，1是激光发生器，2是超声电源，3是柔性光纤，4是超声信号电缆，5是防护壳体，6是导光金刚石刀具，7是激光功率校准器，8是导光刀座，9是异形变幅杆，10是法兰，11是法兰底座，12是刀具高度调整机构，13是刀具高度粗调旋钮，14是刀具高度微调旋钮，15是X方向位移微调旋钮，16是Y方向位移微调旋钮，17是Z方向位移微调旋钮，18是三向位移微调机构，19是固定钳，20是激光头，21是聚焦镜，22是导光刀座上盖，23A、23B、23C和23D是圆环形压电陶瓷片，24A、24B、24C和24D是铜电极片，25是后盖板，26是预紧螺栓，27是沟槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

本发明实施例公开了一种激光-超声同步辅助切削系统，由超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统、导光金刚石刀具及防护壳体组成，所述超声椭圆振动切削系统包括导光刀座、超声椭圆振动切削输入机构、超声椭圆振动切削输出机构和刀具位姿调整机构，所述导光金刚石刀具安装在所述导光刀座上，所述导光刀座设置于所述超声椭圆振动切削输出机构的输出端，所述超声椭圆振动切削输入机构和超声椭圆振动切削输出机构相连，所述超声椭圆振动切削输出机构用于带动导光金刚石刀具完成超声椭圆振动切削，所述刀具位姿调整机构与所述超声椭圆振动切削输出机构相连，所述刀具位姿调整机构用于实现切削加工中导光金刚石刀具的对刀操作；所述激光辅助切削系统包括激光输入机构、激光输出机构和激光校准机构，所述激光输入机构和激光输出机构相连，所述激光校准机构与激光输出机构相连，所述激光输出机构用于输出激光束，所述激光校准机构用于调节激光束的输出位置，使所述激光束能够在工作状态下穿过所述导光刀座入射到导光金刚石刀具上，所述防护壳体套接在超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统外部，其壳体上设有供激光束和超声椭圆振动切削输出机构移动的孔。

具体地，如图1所示，本发明的一种激光-超声同步辅助切削系统，包括超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统、导光金刚石刀具6及防护壳体5。其中1是激光发生器，2是超声电源，3是柔性光纤，4是超声信号电缆。

超声椭圆振动切削系统包括超声电源2、换能器、异形变幅杆9、导光刀座8、法兰底座11及刀具高度调整机构12。

如图2所示，利用高强螺栓将异形变幅杆9上的法兰10约束在法兰底座11之中，而法兰底座11焊接在刀具高度调整机构12之上，刀具高度调整机构12可通过刀具高度粗调旋钮13和刀具高度微调旋钮14是来实现对导光金刚石刀具6的Y方向的位移微调，调整精度为0.1微米，可实现切削加工中精确对刀，提高切削加工精度。

如图1和2所示，激光辅助切削系统包括激光发生器1、激光头20、激光功率校准器7及三向位移微调机构18。

如图1和2所示，激光发生器1发射出的激光经由柔性光纤3传输到激光头20，并通过安装在激光头20前端的聚焦镜21将光斑直径聚焦为50-150μm，大大的提高了激光光斑的能量密度，且激光发生器1可以实现对发射出的激光束的功率进行调整，从而适应不同的加工材料和需求。

如图1和2所示，激光头20通过固定钳19与三向位移微调机构18相连接，而三向位移微调机构18将激光头20输出的高能量激光束经过导光刀座8上开设的沟槽27入射到导光金刚石刀具6的后端面，通过对导光金刚石刀具6的前后刀面的几何特征进行设计与优化，可调整激光束从导光金刚石刀具6的折射方向和角度，使其激光束经折射后从导光金刚石刀具6的前刀面射出，并聚焦到工件材料被切除前的切削区，对其进行软化。激光功率校准器7可对从刀具射出的激光束的功率和能量密度进行校核。

如图3所示，换能器包括圆环形压电陶瓷片23A、23B、23C和23D，铜电极片24A、24B、24C和24D，后盖板25及预紧螺栓26，且圆环形压电陶瓷片23A、23B、23C和23D均采用的是型号为PZT-4压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。

如图3所示，超声椭圆振动切削系统在装配前，导光金刚石刀具6，导光刀座8，异形变幅杆9，导光刀座上盖21，圆环形压电陶瓷片23A、23B、23C和23D，铜电极片24A、24B、24C和24D，后盖板25及预紧螺栓26等均应采用无水乙醇进行清洗，并使用鼓风干燥箱进行烘干；预紧螺栓26与后盖板25，圆环形压电陶瓷片23A、23B、23C和23D，铜电极片24A、24B、24C和24D接触的部分应缠绕绝缘胶带：后盖板25与圆环形压电陶瓷片23A、23B、23C和23D，铜电极片24A、24B、24C和24D之间的接触面之间应涂抹环氧树脂胶。

如图3所示，换能器中的如图3所示，利用预紧螺栓26将后盖板25，圆环形压电陶瓷23A，铜电极片24A，圆环形压电陶瓷23B，铜电极片24B，圆环形压电陶瓷23C，铜电极片24C，圆环形压电陶瓷23D，铜电极片24D及后盖板25沿轴向按顺序进行紧固，本实施例中，施加120N的预紧力，进行保温老化处理。

如图3所示，异形变幅杆9上具有不对称结构，将换能器输出纵向振动进行放大、分解及转换，一部分纵向振动转换为沿着不对称结构中心的弯曲振动，另一部分纵向振动继续向前传递，且两相超声振动具有一定的相位差。

如图3和4所示，导光刀座8通过紧固螺栓安装在异形变幅杆9的输出端，导光金刚石刀具6钎焊在导光刀座8的前部，两相具有一定相位差的超声振动在刀尖进行合成，使其呈现椭圆振动轨迹。

如图3所示，通过对异形变幅杆9中不对称结构的位置和几何尺寸的计算和优化，可实现对纵向振动向弯曲振动的转换比例的调整，进而调整合成的椭圆振动的轨迹。

如图4所示，导光刀座上盖22通过紧固螺栓安装在导光刀座8的上部，以保证入射到导光金刚石刀具6后部的激光束的路径稳定。

本发明的中的激光-超声同步辅助切削系统同时具有超声椭圆振动切削技术与激光辅助切削技术的优势，将超声椭圆振动切削系统及激光辅助切削系统高度集成，使复合辅助切削系统同时具有两种切削技术的优势，且整体结构紧凑，一体化程度较高，有利于实现工程应用。激光-超声同步辅助切削系统输出的两相超声振动的振及激光束功率可调，为复合辅助切削工艺优化提供了基础。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，由超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统、导光金刚石刀具及防护壳体组成，所述超声椭圆振动切削系统包括导光刀座、超声椭圆振动切削输入机构、超声椭圆振动切削输出机构和刀具位姿调整机构，所述导光金刚石刀具安装在所述导光刀座上，所述导光刀座设置于所述超声椭圆振动切削输出机构的输出端，所述超声椭圆振动切削输入机构和超声椭圆振动切削输出机构相连，所述超声椭圆振动切削输出机构用于带动导光金刚石刀具完成超声椭圆振动切削，所述刀具位姿调整机构与所述超声椭圆振动切削输出机构相连，所述刀具位姿调整机构用于实现切削加工中导光金刚石刀具的对刀操作；所述激光辅助切削系统包括激光输入机构、激光输出机构和激光校准机构，所述激光输入机构和激光输出机构相连，所述激光校准机构与激光输出机构相连，所述激光输出机构用于输出激光束，所述激光校准机构用于调节激光束的输出位置，使所述激光束能够在工作状态下穿过所述导光刀座入射到导光金刚石刀具上，所述防护壳体套接在超声椭圆振动切削系统、激光辅助切削系统外部，其壳体上设有供激光束和超声椭圆振动切削输出机构移动的孔。

2.根据权利要求1所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，所述超声椭圆振动切削输入机构包括超声电源，所述超声椭圆振动切削输出机构包括换能器、异形变幅杆，所述超声电源通过超声信号电缆与所述换能器相连，所述换能器的输出端与所述异形变幅杆的输入端相连，所述异形变幅杆的输出端与所述导光刀座相连，所述导光金刚石刀具钎焊在导光刀座的前部，异形变幅杆输出的两相具有一定相位差的超声振动在刀尖进行合成，使其呈现椭圆振动轨迹。

3.根据权利要求2所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，所述超声电源为数字式单通道超声电源，用于对换能器进行激励，采用PID模糊算法实现对超声椭圆振动切削系统的谐振频率的自动追踪功能，保证振动切削系统的超声振动的稳定的输出。

4.根据权利要求2所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，所述换能器为夹心式压电换能器，由四片型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷片及四片铜质电极片组成，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式，在超声电源的激励下，输出超声纵向振动。

5.根据权利要求2所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，所述异形变幅杆上具有不对称结构，用于将换能器输出纵向振动进行放大、分解及转换，一部分纵向振动转换为沿着不对称结构中心的弯曲振动，另一部分纵向振动继续向前传递，且两相超声振动具有预设的相位差；通过选择不同结构的异形变幅杆中，实现对纵向振动向弯曲振动的转换比例的调整，所述不同结构为差异化的不对称结构的位置和/或差异化的几何尺寸。

6.根据权利要求2或4所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，异形变幅杆通过法兰约束在在刀具高度调整机构上，刀具高度调整机构具有刀具高度粗调旋钮和刀具高度微调旋钮，所述刀具高度调整机构能够实现对金刚石刀具Y方向的位移微调，所述微调的调整精度为0.1微米。

7.根据权利要求1所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，所述激光输入机构包括激光发生器，所述激光输出机构包括激光头和激光功率校准器，所述激光发生器发射出的激光经由柔性光纤传输到所述激光头，所述激光校准机构包括三向位移微调机构。

8.根据权利要求7所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，所述激光头的输出端设有聚焦镜，所述聚焦镜用于将光斑直径聚焦到50-150μm，所述激光发生器用于实现对发射出的激光束的功率进行调整，从而适应不同的加工材料和需求。

9.根据权利要求7所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于，所述激光头通过固定钳与三向位移微调机构相连接，所述固定钳的末端安装在三向位移微调机构上，所述固定钳的前端卡接在所述激光头外壁上。

10.根据权利要求7所述的激光-超声同步辅助切削系统，其特征在于激光功率校准器用于对从刀具射出的激光束的功率和能量密度进行校核。

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