CN114571064A - 一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，包括激光单元和铣削单元，其中，激光单元包括激光发生器和传导光纤，铣削单元包括机床主轴和铣刀，铣刀与机床主轴相连，机床主轴具有允许传导光纤通过的光纤通道，铣刀内具有激光通道，激光通道与铣刀同轴设置，传导光纤传输的激光束能够进入激光通道内，聚焦后的激光束能够穿过刀孔并照射于待加工工件上，沿铣刀的转动方向，聚焦光斑位于铣刀的切削刃的前方。本发明还提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法，加工激光与加工刀具同轴设置，沿加工方向，加工激光的光斑位于加工刀具的前方，加工激光与加工刀具同步运动，激光光束聚焦后光斑始终位于加工刀具的前方，实现了精准对焦。

Description

一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置及方法

技术领域

本发明涉及铣削加工技术领域，特别是涉及一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置及方法。

背景技术

铣削是以铣刀的旋转运动为主运动，以铣刀或工件作进给运动的一种切削加工方法，具有切削速度高、加工精度高等优点。但是随着各种复合材料、高硬陶瓷材料等难加工材料的发展应用，常规的铣削加工此类材料时存在刀具磨损严重、加工质量差、加工应力大等问题，使得传统铣削加工过程中遇到很多困难。

针对难加工材料的加工，当前的解决方法一般为两种，一种是从刀具方面，针对难加工材料采用硬度更高的CBN或金刚石刀具可以在一定程度上改善切削加工性能，另外大量使用切削液，减少刀具磨损，提高加工效率，但是由于各种高硬陶瓷或硬质合金等本身就是常用的刀具材料，所以即使是使用金刚石刀具也难以避免的出现刀具磨损及崩刃现象，并且切削液大量使用会造成污染。另一方面是针对工件材料，通过一些工艺使工件材料表面改性以降低其切削载荷，改善材料的切削加工性。激光加热辅助切削复合加工是一种通过激光束辐照工件表面使得材料改性的加工方式，通过激光辐照切削区材料，通过激光热效应使得待加工区域材料温度升高，从而使得材料软化，降低其切削载荷，再利用刀具进行切削加工，可以降低切削载荷，但是由于金刚石刀具在高温下容易发生石墨化及氧化反应，只能使用性能较差的CBN刀具，同时激光加热辅助切削复合加工需要很高的激光能量密度，会在工件材料表面留下较为严重的热影响区，影响材料自身性质。此外，在加工过程中切削区温度较高，过高的温度会显著降低刀具的强度和硬度。

激光诱导氧化辅助铣削技术是通过激光束辐照待加工区域，使得材料升温，诱导氧化反应的进行，在材料表面生成疏松氧化层，随后可用铣刀快速去除，大幅度的降低切削载荷，相对于基体材料而言硬度低极易去除，可以大大提高材料的切削加工性能。与激光加热辅助加工相比，该工艺所需激光能量密度较小，热影响区也较小，对已加工表面影响较小，切削区温度不会过高，避免刀具过热，因此可以使用性能更好的金刚石刀具。由于切削区材料已经变成了疏松多孔易去除的氧化变质层，切削力极小，刀具磨损情况大大改善，该工艺可以有效的应用于硬质合金，复合材料，高硬陶瓷等难加工材料的铣削加工中。

现有技术中，采用激光诱导氧化辅助铣削加工时，激光聚焦与机床铣削加工各自控制，易出现激光与切削刀具进给不协调，进而导致加工情况可控性差，加工精度不佳的问题，降低了激光诱导氧化辅助加工的可靠性。

因此，如何改变现有技术中，激光诱导氧化辅助铣削加工精度不稳定的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高诱导氧化辅助铣削加工的可靠性，进而提高加工精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，包括：

激光单元，所述激光单元包括激光发生器和传导光纤，所述传导光纤与所述激光发生器相连，所述激光发生器能够发出激光束，所述传导光纤能够传输所述激光束；

铣削单元，所述铣削单元包括机床主轴和铣刀，所述铣刀与所述机床主轴相连，所述机床主轴具有允许所述传导光纤通过的光纤通道，所述铣刀内具有激光通道，所述激光通道与所述铣刀同轴设置，所述传导光纤传输的所述激光束能够进入所述激光通道内，所述激光通道内设置有光学元件，所述光学元件能够反射所述激光束并使反射所述激光束聚焦，所述铣刀远离所述机床主轴的一端具有允许所述激光束穿过的刀孔，聚焦后的所述激光束能够穿过所述刀孔并照射于待加工工件上，沿所述铣刀的转动方向，由所述刀孔出射的所述激光束聚焦后的聚焦光斑位于所述铣刀的切削刃的前方。

优选地，所述光学元件为镀铜凹面镜，所述光学元件能够反射所述激光束并使所述激光束聚焦。

优选地，所述铣削单元还包括移动平台，所述移动平台能够固定所述待加工工件，所述移动平台设置于所述铣刀的底部，所述移动平台能够带动所述待加工工件运动。

优选地，所述铣刀利用连接元件与所述机床主轴相连，所述连接元件具有允许所述传导光纤穿过的通孔。

优选地，所述传导光纤与所述机床主轴之间以及所述传导光纤与所述连接元件之间均设置有轴承。

优选地，所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，还包括控制单元，所述激光单元以及所述铣削单元均与所述控制单元相连。

优选地，所述激光束聚焦后的光斑的直径等于所述铣刀的每齿进给量，所述激光束聚焦后的光斑直径为d₁，所述激光通道的内壁与所述铣刀的外壁之间的距离为W，所述光学元件与所述激光束聚焦后的光斑所在平面之间的垂直距离为h，所述激光束聚焦后的光斑与所述铣刀刀尖处的垂直距离等于所述铣刀的切削深度，所述激光束聚焦后的光斑与所述铣刀刀尖处的垂直距离等于所述铣刀的切削深度，所述激光通道的直径为D，所述激光束的直径为d，D≥d，所述光学元件的光线入射角为

所述刀孔与所述光学元件的连接处与所述聚焦透镜的焦点之间的距离为L，所述刀孔的直径为K，所述光学元件的焦距为f，x、y、z为所述光学元件所在的坐标系中各方向的参数，则，

本发明还提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法，加工激光与加工刀具同轴设置，沿加工方向，所述加工激光的光斑位于所述加工刀具的前方，并照射于待加工工件上，所述加工激光与所述加工刀具同步运动；使所述待加工工件处于富氧环境中，所述加工激光辐照所述待加工工件后，所述加工刀具对所述待加工工件的辐照区域进行铣削加工。

优选地，所述加工激光辐照所述待加工工件后，所述待加工工件形成变质层，所述变质层包括氧化层和过渡层，所述加工刀具对所述待加工工件进行铣削加工，去除所述氧化层，所述加工激光继续对所述过渡层进行辐照，所述过渡层形成新的所述变质层，所述加工刀具继续对所述待加工工件进行铣削加工。

优选地，在加工之前，对所述待加工工件表面进行预处理，去除所述待加工工件表面的杂质。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，机床主轴内置允许传导光纤通过的光纤通道，激光发生器发出的激光束，经过传导光纤的传输，激光束顺利进入铣刀内的激光通道内，激光束经过光学元件的反射和聚焦，激光束由刀孔射出，聚焦后的激光束照射在待加工工件上，且位于铣刀切削刃的前方，使得切削刃对辐照后的待加工工件进行加工，需要强调的是，激光通道与铣刀同轴设置，使得激光束能够与铣刀同步运动，激光束聚焦后的光斑始终位于铣刀的前方，保证激光诱导氧化辅助铣削加工的可靠性，提高了装置可控度，解决了激光与铣削单独控制难度大的问题，提高了激光诱导氧化辅助铣削加工的加工精度。

本发明还提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法，加工激光与加工刀具同轴设置，沿加工方向，加工激光的光斑位于加工刀具的前方，并照射于待加工工件上，加工激光与加工刀具同步运动；使待加工工件处于富氧环境中，加工激光辐照待加工工件后，加工刀具对待加工工件的辐照区域进行铣削加工，本发明实现了激光光束聚焦后光斑始终位于加工刀具的前方，实现了精准对焦，提高了加工精度。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的结构示意图；

图2为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的部分结构的剖切示意图；

图3为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的铣刀的工作示意图；

图4为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的光学元件的工作原理示意图。

其中，100为激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置；

1为激光单元，2为铣削单元，3为激光发生器，4为传导光纤，5为机床主轴，501为光纤通道，6为铣刀，601为激光通道，602为光学元件，602a为光学元件焦点，603为刀孔，604为切削刃，7为移动平台，8为连接元件，9为轴承，10为控制单元，11为待加工工件，12为激光束，1201为聚焦光斑。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高诱导氧化辅助铣削加工的可靠性，进而提高加工精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-4，其中，图1为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的结构示意图，图2为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的部分结构的剖切示意图，图3为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的铣刀的工作示意图，图4为本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置的光学元件的工作原理示意图。

本发明提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置100，包括激光单元1和铣削单元2，其中，激光单元1包括激光发生器3和传导光纤4，传导光纤4与激光发生器3相连，激光发生器3能够发出激光束12，传导光纤4能够传输激光束12；铣削单元2包括机床主轴5和铣刀6，铣刀6与机床主轴5相连，机床主轴5具有允许传导光纤4通过的光纤通道501，铣刀6内具有激光通道601，激光通道601与铣刀6同轴设置，传导光纤4传输的激光束12能够进入激光通道601内，激光通道601内设置有光学元件602，光学元件602能够反射激光束12并使激光束12聚焦，铣刀6远离机床主轴5的一端具有允许激光束12穿过的刀孔603，聚焦后的激光束12能够穿过刀孔603并照射于待加工工件11上，沿铣刀6的转动方向，由刀孔603出射的激光束12聚焦后的聚焦光斑1201位于铣刀6的切削刃604的前方。

本发明的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置100，机床主轴5内置允许传导光纤4通过的光纤通道501，激光发生器3发出的激光束12，经过传导光纤4的传输，激光束12顺利进入铣刀6内的激光通道601内，激光束12经过光学元件602的反射和聚焦，激光束12由刀孔603射出，聚焦后的激光束12照射在待加工工件11上，且位于铣刀6切削刃604的前方，使得切削刃604对辐照后的待加工工件11进行加工，需要强调的是，激光通道601与铣刀6同轴设置，使得激光束12能够与铣刀6同步运动，激光束12聚焦后的光斑始终位于铣刀6的前方，保证激光诱导氧化辅助铣削加工的可靠性，提高了装置可控度，解决了激光与铣削单独控制难度大的问题，提高了激光诱导氧化辅助铣削加工的加工精度。

在本具体实施方式中，光学元件602为镀铜凹面镜，光学元件602能够反射激光束12并使激光束12聚焦，另外，激光发生器3采用纳秒脉冲光纤激光器，以进一步提高加工精度；在本发明的其他具体实施方式中，还可以设置单独的反射元件和聚集元件，以满足激光束12的反射和聚焦，并根据具体工况选择激光发生器3的类型，提高装置的灵活适应性。

具体地，铣削单元2还包括移动平台7，移动平台7能够固定待加工工件11，移动平台7设置于铣刀6的底部，移动平台7能够带动待加工工件11运动，以配合铣刀6和激光束12的加工，提高装置的工作可靠性。

还需要说明的是，铣刀6利用连接元件8与机床主轴5相连，方便铣刀6的连接，同时方便更换不同规格的铣刀6，连接元件8具有允许传导光纤4穿过的通孔，确保激光束12的顺利传输。

另外，传导光纤4与机床主轴5之间以及传导光纤4与连接元件8之间均设置有轴承9，避免传导光纤4随机床主轴5转动，提高激光传输的稳定性。

更具体地，激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置100，还包括控制单元10，激光单元1以及铣削单元2均与控制单元10相连，控制单元10能够同时控制激光单元1和铣削单元2，使激光单元1和铣削单元2协同工作，保证激光束12与铣刀6的工作协调性，进而提高加工精度。

进一步地，激光束12聚焦后的光斑的直径等于铣刀6的每齿进给量，激光束12聚焦后的光斑直径为d₁，激光通道601的内壁与铣刀6的外壁之间的距离为W，光学元件602与激光束12聚焦后的光斑所在平面之间的垂直距离为h，激光束12聚焦后的光斑与铣刀6刀尖处的垂直距离等于铣刀6的切削深度，激光通道601的直径为D，激光束12的直径为d，D≥d，光学元件602的光线入射角为

刀孔603与光学元件602的连接处与光学元件焦点602a之间的距离为L，刀孔603的直径为K，光学元件焦点602a位于铣刀6的外壁上，光学元件602的焦距为f，x、y、z为光学元件602所在的坐标系中各方向的参数，则，

更进一步地，本发明还提供一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法，加工激光与加工刀具同轴设置，沿加工方向，加工激光的光斑位于加工刀具的切削刃的前方，并照射于待加工工件11上，加工激光与加工刀具同步运动；使待加工工件11处于富氧环境中，加工激光辐照待加工工件11后，加工刀具对待加工工件11的辐照区域进行铣削加工，本发明实现了激光光束聚焦后光斑始终位于加工刀具的前方，实现了精准对焦，提高了加工精度。

加工激光辐照待加工工件11后，待加工工件11形成变质层，变质层包括氧化层和过渡层，氧化层位于过渡层的顶部，过渡层位于待加工工件11的基体材料的顶部，加工刀具对待加工工件11进行铣削加工，去除氧化层，加工激光继续对过渡层进行辐照，过渡层形成新的变质层，加工刀具继续对待加工工件11上形成的新的变质层进行铣削加工，直至达到加工要求。

实际操作中，在加工之前，对待加工工件11表面进行预处理，去除待加工工件11表面的杂质，以得到平整的待加工表面，在加工结束后，可关闭加工激光，使用普通铣削的方式去除过渡层以及少量的基体材料，以得到优质的加工表面。

本发明能够保证激光束12焦点位置能够聚焦在所需位置，且激光束12聚焦后光斑随机床主轴5移动而同步移动，使得激光束12的焦点始终位于切削刃604的前方。本发明实现了加工激光与铣床的连接，并且使得激光束12的聚焦光斑1201始终位于铣刀6切削刃604前端，实现精准对焦功能，提高了激光诱导氧化辅助铣削加工的可靠性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，其特征在于，包括：

激光单元，所述激光单元包括激光发生器和传导光纤，所述传导光纤与所述激光发生器相连，所述激光发生器能够发出激光束，所述传导光纤能够传输所述激光束；

铣削单元，所述铣削单元包括机床主轴和铣刀，所述铣刀与所述机床主轴相连，所述机床主轴具有允许所述传导光纤通过的光纤通道，所述铣刀内具有激光通道，所述激光通道与所述铣刀同轴设置，所述传导光纤传输的所述激光束能够进入所述激光通道内，所述激光通道内设置有光学元件，所述光学元件能够反射所述激光束并使反射所述激光束聚焦，所述铣刀远离所述机床主轴的一端具有允许所述激光束穿过的刀孔，聚焦后的所述激光束能够穿过所述刀孔并照射于待加工工件上，沿所述铣刀的转动方向，由所述刀孔出射的所述激光束聚焦后的聚焦光斑位于所述铣刀的切削刃的前方。

2.根据权利要求1所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，其特征在于：所述光学元件为镀铜凹面镜，所述光学元件能够反射所述激光束并使所述激光束聚焦。

3.根据权利要求1所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，其特征在于：所述铣削单元还包括移动平台，所述移动平台能够固定所述待加工工件，所述移动平台设置于所述铣刀的底部，所述移动平台能够带动所述待加工工件运动。

4.根据权利要求1所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，其特征在于：所述铣刀利用连接元件与所述机床主轴相连，所述连接元件具有允许所述传导光纤穿过的通孔。

5.根据权利要求4所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，其特征在于：所述传导光纤与所述机床主轴之间以及所述传导光纤与所述连接元件之间均设置有轴承。

6.根据权利要求1所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，其特征在于：还包括控制单元，所述激光单元以及所述铣削单元均与所述控制单元相连。

7.根据权利要求1所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工装置，其特征在于：所述激光束聚焦后的光斑的直径等于所述铣刀的每齿进给量，所述激光束聚焦后的光斑直径为d₁，所述激光通道的内壁与所述铣刀的外壁之间的距离为W，所述光学元件与所述激光束聚焦后的光斑所在平面之间的垂直距离为h，所述激光束聚焦后的光斑与所述铣刀刀尖处的垂直距离等于所述铣刀的切削深度，所述激光束聚焦后的光斑与所述铣刀刀尖处的垂直距离等于所述铣刀的切削深度，所述激光通道的直径为D，所述激光束的直径为d，D≥d，所述光学元件的光线入射角为

所述刀孔与所述光学元件的连接处与所述聚焦透镜的焦点之间的距离为L，所述刀孔的直径为K，所述光学元件的焦距为f，x、y、z为所述光学元件所在的坐标系中各方向的参数，则，

8.一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法，其特征在于：加工激光与加工刀具同轴设置，沿加工方向，所述加工激光的光斑位于所述加工刀具的前方，并照射于待加工工件上，所述加工激光与所述加工刀具同步运动；使所述待加工工件处于富氧环境中，所述加工激光辐照所述待加工工件后，所述加工刀具对所述待加工工件的辐照区域进行铣削加工。

9.根据权利要求8所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法，其特征在于：所述加工激光辐照所述待加工工件后，所述待加工工件形成变质层，所述变质层包括氧化层和过渡层，所述加工刀具对所述待加工工件进行铣削加工，去除所述氧化层，所述加工激光继续对所述过渡层进行辐照，所述过渡层形成新的所述变质层，所述加工刀具继续对所述待加工工件进行铣削加工。

10.根据权利要求8所述的激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法，其特征在于：在加工之前，对所述待加工工件表面进行预处理，去除所述待加工工件表面的杂质。

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