CN114850653A - 一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床及加工方法。包括床身、双轴旋转工作台、横梁、超声加工系统、激光加工系统和机床控制柜，横梁连接在床身顶部，横梁上设置所述超声加工系统和激光加工系统，超声加工系统的超声加工主轴和激光加工系统的激光加工主轴能够在竖直方向运动，双轴旋转工作台的底部能够在横梁所在方向运动，双轴旋转工作台的工作面用于固定待加工零件，工作面能够带动待加工零件转动，完成超声加工系统对待加工零件的外圆磨削、平面磨削，以及激光加工系统对待加工零件的激光制孔。本发明复合超声辅助磨削加工和激光加工，实现工件在同一机床上完成不同加工过程，避免工件的二次装夹和重复定位，提高了加工效率。

Description

一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床及加工方法

技术领域

本发明涉及特种加工领域，尤其涉及一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床及加工方法。

背景技术

超声辅助磨削加工是把超声振动和磨削加工结合起来的加工方法，是将超声振动系统结合在传统磨削加工设备上。由于在磨削过程中附加了超声振动，砂轮和材料之间的接触状态和作用机制发生改变，由单一的磨削作用变成机械磨削作用、高频微撞击以及超声的空化作用等，有利于减少砂轮和工件之间的作用时间，降低砂轮与工件之间的作用力，最终能实现减少磨削热、减少砂轮磨损、提高加工精度和加工质量的目的。

飞秒激光是指脉冲宽度为飞秒量级的短脉冲激光，其极高的峰值功率密度和较宽的频谱成分使其具有与传统加工或长脉冲激光加工截然不同的作用机理。其表现出的加工优势有：非接触式加工、加工材料范围广、加工材料的热影响区极小、不影响非加工区域机械性能等。

随着航空发动机性能不断提高，燃烧室火焰筒温度越来越高，并且可用冷却气量越来越少，火焰筒的工作温度已经接近高温合金的使用极限，迫切需要开发承温能力更高的火焰筒材料。陶瓷基复合材料由陶瓷纤维或者碳纤维和陶瓷基体组成，具有密度低、硬度高、热稳定性能优异及化学耐受性强等特点，在航空发动机热端部件上得到越来越广泛地应用。但由于陶瓷基复合材料具有脆性大、非均质和各向异性等加工难点，会存在切削力大、刀具磨损严重等问题，在加工表面和制孔时容易产生毛刺、分层、微裂纹等加工缺陷。研究表明，在进行陶瓷基复合材料的外圆磨削时，采用超声辅助磨削加工可以有效降低切削力，提高加工质量；在进行陶瓷基复合材料的制孔加工时，飞秒激光加工可以利用超高能量密度的激光束产生的热效应使材料融化气化而去除，其加工分辨率高且无磨损问题。

上述加工方法存在如下不足：

针对航空发动机构件的加工(外圆磨削和制孔)通常在两台不同的机床上进行，即超声辅助磨床和飞秒激光加工机床，在加工过程中存在反复定位和装夹的问题，加工时间过长。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床及加工方法。本发明将两种加工方式进行复合、集成到一台机床，可以充分利用超声辅助磨削和飞秒激光加工的优势，节省加工时间，避免反复装夹的问题，同时，整合了超声辅助磨削加工和激光加工的优点，实现高质量加工。本发明采用的技术手段如下：

一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，包括床身、双轴旋转工作台、横梁、超声加工系统、激光加工系统和机床控制柜，所述横梁可移动地连接在床身顶部，所述横梁上设置所述超声加工系统和激光加工系统，所述超声加工系统的超声加工主轴和激光加工系统的激光加工主轴能够在竖直方向运动，所述双轴旋转工作台的底部能够在横梁所在方向运动，所述双轴旋转工作台的工作面用于固定待加工零件，所述工作面能够带动待加工零件转动，完成超声加工系统对待加工零件的外圆磨削、平面磨削，以及激光加工系统对待加工零件的激光制孔。

进一步地，床身顶部设有Y轴伺服驱动模组，Y轴伺服驱动模组与横梁连接并控制其Y方向运动。

进一步地，横梁上设有连接超声加工主轴的第一Z轴伺服驱动模组，其用于控制超声加工主轴Z方向运动，所述横梁上还设有连接激光加工主轴的第二Z轴伺服驱动模组，其用于控制激光加工主轴Z方向运动，所述超声加工系统和激光加工系统之间存在预设距离。

进一步地，所述床身底部设有X轴伺服驱动模组，所述X轴伺服驱动模组与双轴旋转工作台连接并控制其X方向运动。

进一步地，所述超声加工主轴包括依次相连的超声电源、主轴电机、超声传输装置、超声刀柄和砂轮，所述超声电源用于高频正弦交流电信号，超声信号经过超声传输装置传输至超声刀柄，使砂轮产生轴向高频振动，所述超声加工主轴电机用于通过超声刀柄带动砂轮产生高速旋转。

进一步地，所述激光加工主轴上连接有对焦装置和激光头，所述激光头的输入端连接有激光器系统，所述激光器系统安装在床身后侧，激光器系统包括激光器、冷却装置、保护气容器和光路传输系统，所述冷却装置用于对激光器件进行冷却，所述保护气容器用于提供保护气，所述保护气用于避免激光制孔过程中工件的氧化。

进一步地，所述双轴旋转工作台由工作台架、工作台面、C轴电机和A轴电机组成，A轴电机用于控制工作台面绕X轴旋转，C轴电机用于控制工作台面绕Z轴旋转。

一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床的加工方法，包括以下步骤：

步骤一：使用夹具将待加工零件固定在在工作台面上并完成工件的夹紧；

步骤二：移动双轴旋转工作台至超声加工主轴下方，旋转工作台的A、C轴调平加工零件的加工面；

步骤三：将砂轮安装在超声刀柄上；

步骤四：开启超声电源，信号经过超声传输装置传输至超声刀柄，使砂轮产生轴向高频振动；

步骤五：开启超声加工主轴电机，通过超声刀柄带动砂轮产生高速旋转；

步骤六：通过机加工程序控制超声加工主轴以及双轴旋转工作台运动，对待加工零件进行外圆磨削和平面磨削；

步骤七：超声辅助磨削加工完成，关闭超声电源和主轴电机；

步骤八：移动双轴旋转工作台至激光加工工位下方；

步骤九：使用对焦装置进行激光头对焦、开启激光器、冷却装置和保护气；

步骤十：通过机加工程序控制激光加工主轴和双轴旋转工作台，完成待加工零件的激光制孔；

步骤十一：关闭激光器、冷却装置和保护气，完成零件的加工，将零件从工作台面取下。

进一步地，所述步骤四中，振动频率为20-25kHz，振幅为5-10μm。

本发明具有以下优点：

1、与现有技术相比，本发明具有超声辅助磨削加工系统和飞秒激光加工系统两个工位，整合了超声辅助磨削加工外圆质量好和飞秒激光制孔效果好的优点，可以实现航空发动机热端零部件陶瓷基复合材料的高质加工，并且可以通过控制双轴旋转工作台的位置直接切换工序，操作简单。

2、本发明中的横梁、超声加工主轴、激光加工主轴、双轴旋转工作台和双轴旋转工作台上的工作台面均可通过计算机程序实现多轴联动。

3、本发明弥补了陶瓷基复合材料在超声辅助磨削外圆和飞秒激光制孔时需要在不同机床上加工的不足，将两种加工方法整合到同一台机床上，避免了二次装夹和重新定位的问题，缩短了加工时间。

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为本发明实施例中机床的正面结构示意图。

图2为本发明实施例中机床的背面结构示意图。

图3为本发明实施例中超声加工主轴结构示意图。

图4为本发明实施例中激光加工主轴结构示意图。

图5为本发明实施例中双轴旋转工作台结构示意图。

图6为本发明实施例中超声加工示意图。

图7为本发明实施例中激光加工示意图。

图中：1、床身；2、Y轴伺服驱动模组；3、横梁；4、激光加工主轴；41、对焦装置；42、激光头；5、第二Z轴伺服驱动模组；6、控制电路；7、第一Z轴伺服驱动模组；8、超声加工主轴；81、超声电源；82、主轴电机；83、超声传输装置；84、超声刀柄；85、砂轮；9、双轴旋转工作台；91、工作台架；92、工作台面；93、C轴电机；94、A轴电机；10、X轴伺服驱动模组；101、伺服电机；102、滚珠丝杠；103、直线导轨；104、光栅尺；11、激光器；12、冷却装置；13、机床控制柜；14、光路传输系统；15、保护气容器；16、工件；17、夹具。

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。

如图1、图2所示，本发明实施例公开了一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，包括床身1、伺服驱动模组、双轴旋转工作台9、横梁3、超声加工系统、激光加工系统和机床控制柜13，所述横梁3可移动地连接在床身1顶部，所述横梁3上设置所述超声加工系统和激光加工系统，所述超声加工系统的超声加工主轴8和激光加工系统的激光加工主轴4能够在竖直方向运动，所述双轴旋转工作台9的底部能够在横梁所在方向运动，所述双轴旋转工作台9的工作台面92用于固定待加工零件16，所述工作台面92能够带动待加工零件49转动，完成超声加工系统对待加工零件16的外圆磨削、平面磨削，以及激光加工系统对对待加工零件16的激光制孔。床身1后侧设有激光器系统、机床控制柜13和控制电路6。超声加工主轴8与激光加工主轴4组合形成双工位复合加工机床；在加工时，工件可以随着双轴旋转工作台9移动完成超声辅助磨削加工和激光加工；本发明复合超声辅助磨削加工和激光加工，实现工件在同一机床上完成不同加工过程，避免工件的二次装夹和重复定位，提高了加工效率，同时，本发明整合了超声辅助磨削加工和激光加工的优点，实现高质量加工。

床身顶部设有Y轴伺服驱动模组2，Y轴伺服驱动模组2与横梁3连接并控制其Y方向运动。

横梁3上设有连接超声加工主轴8的第一Z轴伺服驱动模组7，其用于控制超声加工主轴8Z方向运动，所述横梁3上还设有连接激光加工主轴4的第二Z轴伺服驱动模组5，其用于控制激光加工主轴4Z方向运动，所述超声加工系统和激光加工系统之间存在预设距离。

所述床身底部设有X轴伺服驱动模组10，所述X轴伺服驱动模组10与双轴旋转工作台9连接并控制其X方向运动。所述X轴伺服驱动模组10由伺服电机101、滚珠丝杠102、直线导轨103和光栅尺104组成，与床身1后侧的控制电路6与机床控制柜13相连；Y轴伺服驱动模组2、第一Z轴伺服驱动模组7和第二Z轴伺服驱动模组5均与X轴伺服驱动模组10有相同的组成结构；伺服驱动模组根据机加工程序控制双轴旋转工作台、横梁以及主轴的移动，实现多轴联动加工；

如图3、图6所示，所述超声加工主轴8包括依次相连的超声电源81、主轴电机82、超声传输装置83、超声刀柄84和砂轮85，所述超声电源81用于高频正弦交流电信号，超声信号经过超声传输装置83传输至超声刀柄84，使砂轮85产生轴向高频振动，所述超声加工主轴电机82用于通过超声刀柄84带动砂轮85产生高速旋转，实现工件的超声辅助磨削。

如图4、图7所示，所述激光加工主轴4上连接有对焦装置41和激光头42，所述激光头42的输入端连接有激光器系统，所述对焦装置41用于实现激光在工件上的聚焦，所述激光器系统安装在床身1后侧，激光器系统包括激光器11、冷却装置12、保护气容器15和光路传输系统14，激光器输出的高强度激光，经过光路传输系统传输到激光加工主轴上的对焦装置与激光头，聚焦在工件上，实现工件的激光制孔，所述冷却装置12用于对激光器件进行冷却，所述保护气容器15用于提供保护气，所述保护气用于避免激光制孔过程中工件的氧化。

如图5所示，所述双轴旋转工作台9由工作台架91、工作台面92、C轴电机93和A轴电机94组成，A轴电机94用于控制工作台面23绕X轴旋转，C轴电机用于控制工作台面93绕Z轴旋转。

利用上述集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，可以实现薄壁圆柱零件的外圆、平面磨削与制孔，包括以下步骤：

步骤一：使用夹具17将待加工零件固定在在工作台面92上并完成工件的夹紧，防止加工过程中的变形；

步骤二：通过X轴伺服驱动模组10驱动双轴旋转工作台9移动至超声加工主轴8下方，旋转工作台的A、C轴调平加工零件的加工面，具体地，调整旋转工作台的A、C轴使加工零件的端面水平；

步骤三：将砂轮85安装在超声刀柄84上；

步骤四：开启超声电源81，信号经过超声传输装置83传输至超声刀柄84，使砂轮85产生轴向高频振动；

步骤五：开启超声加工主轴电机82，通过超声刀柄84带动砂轮85产生高速旋转；

步骤六：通过机加工程序控制第一Z轴伺服驱动模组7、Y轴伺服驱动模组2、超声加工主轴8以及双轴旋转工作台9运动，对待加工零件进行外圆磨削和平面磨削；

步骤七：超声辅助磨削加工完成，关闭超声电源81和主轴电机82；

步骤八：通过X伺服驱动模组10移动双轴旋转工作台9至激光加工工位下方，并调整双轴旋转工作台9的A、C轴使薄壁圆柱零件的侧面水平；

步骤九：使用对焦装置41进行激光头42对焦、开启激光器11、冷却装置12和保护气15；

步骤十：通过机加工程序控制第二Z轴伺服驱动模组5、Y轴伺服驱动模组2、激光加工主轴4和双轴旋转工作台9运动，完成待加工零件的激光制孔；

步骤十一：关闭激光器11、冷却装置12和保护气15，完成零件的加工，将零件从工作台面92取下。

所述步骤四中，振动频率为20-25kHz，振幅为3-20μm，优选为振幅为5-10μm。

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 (9)

1.一种集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，其特征在于，包括床身、双轴旋转工作台、横梁、超声加工系统、激光加工系统和机床控制柜，所述横梁可移动地连接在床身顶部，所述横梁上设置所述超声加工系统和激光加工系统，所述超声加工系统的超声加工主轴和激光加工系统的激光加工主轴能够在竖直方向运动，所述双轴旋转工作台的底部能够在横梁所在方向运动，所述双轴旋转工作台的工作面用于固定待加工零件，所述工作面能够带动待加工零件转动，完成超声加工系统对待加工零件的外圆磨削、平面磨削，以及激光加工系统对对待加工零件的激光制孔。

2.根据权利要求1所述的集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，其特征在于，床身顶部设有Y轴伺服驱动模组，Y轴伺服驱动模组与横梁连接并控制其Y方向运动。

3.根据权利要求1所述的集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，其特征在于，横梁上设有连接超声加工主轴的第一Z轴伺服驱动模组，其用于控制超声加工主轴Z方向运动，所述横梁上还设有连接激光加工主轴的第二Z轴伺服驱动模组，其用于控制激光加工主轴Z方向运动，所述超声加工系统和激光加工系统之间存在预设距离。

4.根据权利要求1所述的集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，其特征在于，所述床身底部设有X轴伺服驱动模组，所述X轴伺服驱动模组与双轴旋转工作台连接并控制其X方向运动。

5.根据权利要求1所述的集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，其特征在于，所述超声加工主轴包括依次相连的超声电源、主轴电机、超声传输装置、超声刀柄和砂轮，所述超声电源用于高频正弦交流电信号，超声信号经过超声传输装置传输至超声刀柄，使砂轮产生轴向高频振动，所述超声加工主轴电机用于通过超声刀柄带动砂轮产生高速旋转。

6.根据权利要求1所述的集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，其特征在于，所述激光加工主轴上连接有对焦装置和激光头，所述激光头的输入端连接有激光器系统，所述激光器系统安装在床身后侧，激光器系统包括激光器、冷却装置、保护气容器和光路传输系统，所述冷却装置用于对激光器件进行冷却，所述保护气容器用于提供保护气，所述保护气用于避免激光制孔过程中工件的氧化。

7.根据权利要求1所述的集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床，其特征在于，所述双轴旋转工作台由工作台架、工作台面、C轴电机和A轴电机组成，A轴电机用于控制工作台面绕X轴旋转，C轴电机用于控制工作台面绕Z轴旋转。

8.一种权利要求1～7任一项所述集成超声辅助磨削和激光加工的复合机床的加工方法，包括以下步骤：

步骤一：使用夹具将待加工零件固定在在工作台面上并完成工件的夹紧；

步骤二：移动双轴旋转工作台至超声加工主轴下方，旋转工作台的A、C轴调平加工零件的加工面；

步骤三：将砂轮安装在超声刀柄上；

步骤四：开启超声电源，信号经过超声传输装置传输至超声刀柄，使砂轮产生轴向高频振动；

步骤五：开启超声加工主轴电机，通过超声刀柄带动砂轮产生高速旋转；

步骤六：通过机加工程序控制超声加工主轴以及双轴旋转工作台运动，对待加工零件进行外圆磨削和平面磨削；

步骤七：超声辅助磨削加工完成，关闭超声电源和主轴电机；

步骤八：移动双轴旋转工作台至激光加工工位下方；

步骤九：使用对焦装置进行激光头对焦、开启激光器、冷却装置和保护气；

步骤十：通过机加工程序控制激光加工主轴和双轴旋转工作台，完成待加工零件的激光制孔；

步骤十一：关闭激光器、冷却装置和保护气，完成零件的加工，将零件从工作台面取下。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，振动频率为20-25kHz，振幅为5-10μm。

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