CN114918438B - 一种激光诱导改性辅助车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改性辅助车削的复合加工装置，包括改性单元和车削单元，其中，改性单元包括激光诱导组件和气氛组件，激光诱导组件包括激光发生器、传导光纤以及激光镜头，气氛组件包括气体喷出机构，车削单元包括承载架和车刀。本发明还提供一种激光诱导改性辅助车削的复合加工方法，沿加工方向，加工激光的光斑位于车刀的前方，并照射于待加工工件上，待加工工件处于富氧环境中，加工激光辐照待加工工件后，车刀对待加工工件的辐照区域进行车削加工。本发明利用激光束辐照待加工工件，在辅助气体环境下，诱导工件材料表面发生氧化变质反应，生成疏松多孔氧化层，随后用车刀快速去除，提高难加工材料的车削加工质量，延长刀具使用寿命。

Description

一种激光诱导改性辅助车削的复合加工装置及方法

技术领域

本发明涉及车削加工设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种激光诱导改性辅助车削的复合加工装置及方法。

背景技术

车削加工具有生产效率高、加工范围广等优点，是棒料加工的一种常用的手段，但是随着各种新型材料的发展应用，针对如复合材料、钛合金、高温合金、硬质合金等难加工材料，常规的车削加工会出现诸如刀具磨损严重、加工质量差、加工表面完整性低等问题。这大大限制了车削加工工艺在难加工材料领域的应用。

为解决这一问题，提高难加工材料的切削加工性能，主要解决方式有两种。一方面是从提高刀具性能入手，针对难加工材料采用硬度更高的CBN或金刚石刀具，此方法可以在一定程度上改善切削加工性能，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刀具磨损及崩刃现象。另一方面是针对工件材料，通过使工件材料表面改性或变质以降低其切削载荷，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使得加工表面改性的方式，通过将高能激光束聚焦在刀具加工前端工作表面上，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，随后利用刀具去除，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，同时又因为为了软化材料需要较高的激光功率，会在工件材料表面留下较为严重的热影响区。此外，由于软化的区域温度较高，刀具距离光斑位置很近，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。

因此，如何改变现有技术中，对利用激光对难加工材料进行辅助车削加工时，会影响刀具强度的现状，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改性辅助车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，提高难加工材料的车削加工质量，同时延长刀具使用寿命。

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改性辅助车削的复合加工装置，包括：

改性单元，所述改性单元包括激光诱导组件和气氛组件，所述激光诱导组件包括激光发生器、传导光纤以及激光镜头，所述传导光纤连接所述激光发生器与所述激光镜头，所述传导光纤能够传输所述激光发生器发出的激光束，所述激光镜头能够使所述激光束聚焦；所述气氛组件包括气体喷出机构，所述气体喷出机构能够与气体来源相连通，所述气体喷出机构能够喷出氧气；

车削单元，所述车削单元包括承载架和车刀，所述激光镜头、所述气体喷出机构以及所述车刀均固定于所述承载架上，所述激光镜头与所述承载架的连接位置能够调整，沿所述车刀的加工方向，聚焦后的所述激光束的光斑位于所述车刀的前方，所述气体喷出机构的气体出口朝向所述聚焦后的所述激光束以及待加工工件设置。

优选地，所述激光镜头包括壳体和光学元件，所述壳体与所述承载架相连，所述壳体具有激光通道，所述传导光纤与所述激光通道相连通，所述光学元件设置于所述激光通道内，所述光学元件包括依次设置的扩束镜、DOE衍射镜以及聚焦透镜。

优选地，所述扩束镜、所述DOE衍射镜以及所述聚焦透镜分别与所述壳体可拆卸连接。

优选地，所述车刀包括刀身和刀片，所述刀片与所述刀身相连，所述刀身固定于所述承载架上，所述刀身为空心结构，所述刀身与所述激光通道相连通，所述刀身具有出射口，聚焦后的所述激光束能够由所述出射口射出，沿所述车刀的加工方向，所述出射口位于所述刀片的切削刃的前方。

优选地，所述出射口设置出射块，所述出射块与所述刀身相连，所述出射块由透明材质制成。

优选地，所述承载架为L状结构，所述承载架包括水平架和竖直架，所述水平架平行于水平面设置，所述竖直架平行于竖直面设置，所述水平架与所述竖直架相连，所述激光镜头可滑动地与所述水平架相连，所述激光镜头相对于所述水平架往复滑动能够改变所述激光镜头与所述车刀之间的间距，且所述激光镜头的高度能够调节，所述车刀与所述竖直架相连。

优选地，所述水平架上设置有丝杠导轨和滑块，所述丝杠导轨可转动地与所述水平架相连，所述滑块与所述丝杠导轨螺纹连接，所述激光镜头与所述滑块相连。

优选地，所述激光镜头与所述滑块之间还设置水平微调机构和竖直微调机构，所述水平微调机构连接所述滑块与所述竖直微调机构，所述激光镜头与所述竖直微调机构相连，所述水平微调机构能够带动所述竖直微调机构沿水平方向往复滑动，所述竖直微调机构能够带动所述激光镜头沿竖直方向往复滑动。

优选地，所述气氛组件还包括气源，所述气源利用软管与所述气体喷出机构相连通；所述气体喷出机构可转动地设置于所述承载架上。

本发明还提供一种沿加工方向，加工激光的光斑位于车刀的前方，并照射于待加工工件上，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，所述车刀对所述待加工工件的辐照区域进行车削加工。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，包括改性单元和车削单元，其中，改性单元包括激光诱导组件和气氛组件，激光诱导组件包括激光发生器、传导光纤以及激光镜头，传导光纤连接激光发生器与激光镜头，传导光纤能够传输激光发生器发出的激光束，激光镜头能够使激光束聚焦；气氛组件包括气体喷出机构，气体喷出机构能够与气体来源相连通，气体喷出机构能够喷出氧气；车削单元包括承载架和车刀，激光镜头、气体喷出机构以及车刀均固定于承载架上，激光镜头与承载架的连接位置能够调整，沿车刀的加工方向，聚焦后的激光束的光斑位于车刀的前方，气体喷出机构的气体出口朝向聚焦后的激光束以及待加工工件设置。

本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，工作时，激光诱导组件中的激光发生器发出激光束，由传导光纤传输至激光镜头，经激光镜头聚焦后，激光束的光斑位于待加工工件上，且激光束的光斑位于车刀的前方，气氛组件中的气体喷出机构向激光光斑处以及待加工工件输送氧气，使得待加工工件在富氧环境中经激光束辐照，诱导待加工工件表面发生氧化反应，生成疏松多孔氧化层，随后利用车刀去除氧化层进行车削加工，承载架带动车刀以及激光镜头进给，确保激光诱导改性辅助车削加工。本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，利用激光束在待加工工件表面生成氧化层，降低难加工材料车削加工难度，提高加工质量，同时减少了刀具损坏，延长了刀具使用寿命。

与此同时，本发明还提供一种激光诱导改性辅助车削的复合加工方法，沿加工方向，加工激光的光斑位于车刀的前方，并照射于待加工工件上，待加工工件处于富氧环境中，加工激光辐照待加工工件后，车刀对待加工工件的辐照区域进行车削加工。本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工方法，适用于陶瓷、硬质合金、钛合金、高温合金等难加工材料，使用激光束辐照待加工工件，在辅助气体环境下，诱导工件材料表面发生氧化变质反应，生成疏松多孔氧化层，随后用车刀快速去除，提高难加工材料的车削加工质量。

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改性辅助车削的复合加工装置的结构示意图；

图2为图1中部分结构的放大示意图；

图3为本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置部分结构的剖切示意图；

图4为本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置的工作示意图。

其中，1为激光发生器，2为传导光纤，3为激光镜头，4为气体喷出机构，5为承载架，501为水平架，502为竖直架，6为车刀，601为刀身，602为刀片，603为出射块，7为壳体，701为激光通道，8为光学元件，801为扩束镜，802为DOE衍射镜，803为聚焦透镜，9为丝杠导轨，10为滑块，11为水平微调机构，12为竖直微调机构，13为气源，14为软管，15为待加工工件，16为激光束。

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改性辅助车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，提高难加工材料的车削加工质量，同时延长刀具使用寿命。

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改性辅助车削的复合加工装置的结构示意图，图2为图1中部分结构的放大示意图，图3为本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置部分结构的剖切示意图，图4为本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置的工作示意图。

本发明提供一种激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，包括改性单元和车削单元，其中，改性单元包括激光诱导组件和气氛组件，激光诱导组件包括激光发生器1、传导光纤2以及激光镜头3，传导光纤2连接激光发生器1与激光镜头3，传导光纤2能够传输激光发生器1发出的激光束16，激光镜头3能够使激光束16聚焦；气氛组件包括气体喷出机构4，气体喷出机构4能够与气体来源相连通，气体喷出机构4能够喷出氧气；车削单元包括承载架5和车刀6，激光镜头3、气体喷出机构4以及车刀6均固定于承载架5上，激光镜头3与承载架5的连接位置能够调整，沿车刀6的加工方向，聚焦后的激光束16的光斑位于车刀6的前方，气体喷出机构4的气体出口朝向聚焦后的激光束16以及待加工工件15设置。

本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，工作时，激光诱导组件中的激光发生器1发出激光束16，由传导光纤2传输至激光镜头3，经激光镜头3聚焦后，激光束16的光斑位于待加工工件15上，且激光束16的光斑位于车刀6的前方，气氛组件中的气体喷出机构4向激光光斑处以及待加工工件15输送氧气，使得待加工工件15在富氧环境中经激光束16辐照，诱导待加工工件15表面发生氧化反应，生成疏松多孔氧化层，随后利用车刀6去除氧化层进行车削加工，承载架5带动车刀6以及激光镜头3进给，确保激光诱导改性辅助车削加工。本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，利用激光束16在待加工工件15表面生成氧化层，降低难加工材料车削加工难度，提高加工质量，同时减少了刀具损坏，延长了刀具使用寿命。

其中，激光镜头3包括壳体7和光学元件8，壳体7与承载架5相连，壳体7具有激光通道701，传导光纤2与激光通道701相连通，光学元件8设置于激光通道701内，光学元件8包括依次设置的扩束镜801、DOE衍射镜802以及聚焦透镜803，由传导光纤2传输的激光束16进入激光通道701后，经扩束镜801改变激光束16直径，DOE衍射镜802改变激光束16轮廓后，最终由聚焦透镜803聚焦，聚焦后激光束16的光斑位于待加工工件15上，以确保待加工区域形成氧化层，为后续的车削加工提供便利。

还需要说明的是，扩束镜801、DOE衍射镜802以及聚焦透镜803分别与壳体7可拆卸连接，方便拆装更换，以及在不同工况时调整光学元件8的种类，提高装置的灵活适应性。

具体地，车刀6包括刀身601和刀片602，刀片602与刀身601相连，刀身601固定于承载架5上，刀身601为空心结构，刀身601的空心处与激光通道701相连通，刀身601具有出射口，聚焦后的激光束16能够由出射口射出，沿车刀6的加工方向，出射口位于刀片602的切削刃的前方。在车刀6进给过程中，激光束16需同步进给，以保证在车刀6车削之前使待加工工件15生成氧化层，刀身601设置为空心结构，且刀身601与激光通道701相连通，使得激光束16能够与车刀6同轴设置，进一步提高车削加工质量，刀身601设置出射口，聚焦后的激光束16由出射口出射并照射于待加工工件15上，沿车刀6加工方向，刀片602位于出射口之后，由刀片602的切削刃去除待加工工件15生成的氧化层。

在本发明的其他具体实施方式中，出射口设置出射块603，出射块603与刀身601相连，出射块603由透明材质制成，确保激光束16穿过出射块603照射于待加工工件15上，且车刀6设置出射块603能够有效避免车削屑进入刀身601内，保护车刀6。

更具体地，承载架5为L状结构，承载架5包括水平架501和竖直架502，水平架501平行于水平面设置，竖直架502平行于竖直面设置，水平架501与竖直架502相连，激光镜头3可滑动地与水平架501相连，激光镜头3相对于水平架501往复滑动能够改变激光镜头3与车刀6之间的间距，且激光镜头3的高度能够调节，车刀6与竖直架502相连。激光镜头3相对于水平架501往复滑动，改变激光镜头3与待加工工件15之间的距离，配合高度的调整，完成对焦，提高激光诱导组件的工作可靠性。

为了提高激光镜头3的往复运动精确度，水平架501上设置有丝杠导轨9和滑块10，丝杠导轨9可转动地与水平架501相连，滑块10与丝杠导轨9螺纹连接，激光镜头3与滑块10相连，滑块10能够带动激光镜头3往复滑动，丝杠导轨9提高了滑块10的往复运动精确度，进而保证激光镜头3的工作可靠性。在本发明的其他具体实施方式中，还可以利用齿轮齿条等结构实现激光镜头3的往复滑动。

除此之外，激光镜头3与滑块10之间还设置水平微调机构11和竖直微调机构12，水平微调机构11连接滑块10与竖直微调机构12，激光镜头3与竖直微调机构12相连，水平微调机构11能够带动竖直微调机构12沿水平方向往复滑动，竖直微调机构12能够带动激光镜头3沿竖直方向往复滑动，实际工作中，可利用滑块10带动激光镜头3往复滑动实现粗调焦，然后利用水平微调机构11和竖直微调机构12带动激光镜头3实现精准调焦，提高激光诱导组件的精确度。

进一步地，气氛组件还包括气源13，气源13利用软管14与气体喷出机构4相连通，在本具体实施方式中，气体喷出机构4喷出的气体为氧气，使得待加工工件15处于富氧环境中，生成氧化层，在实际生产中，还可以根据具体工况选择其他的工作气体，保证加工的顺利进行。还需要说明的是，气体喷出机构4可转动地设置于承载架5上，可以方便地调整气体喷出机构4的出气口的角度，进一步提高装置的可控程度。

更进一步地，本发明还提供一种沿加工方向，加工激光的光斑位于车刀6的前方，并照射于待加工工件15上，待加工工件15处于富氧环境中，加工激光辐照待加工工件15后，车刀6对待加工工件15的辐照区域进行车削加工。本发明的激光诱导改性辅助车削的复合加工方法，适用于陶瓷、硬质合金、钛合金、高温合金等难加工材料，使用激光束16辐照待加工工件15，在辅助气体环境下，诱导工件材料表面发生氧化变质反应，生成疏松多孔氧化层，随后用车刀6快速去除，提高难加工材料的车削加工质量，减少刀具损坏，延长刀具使用寿命。

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 (8)

1.一种激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，其特征在于，包括：

改性单元，所述改性单元包括激光诱导组件和气氛组件，所述激光诱导组件包括激光发生器、传导光纤以及激光镜头，所述传导光纤连接所述激光发生器与所述激光镜头，所述传导光纤能够传输所述激光发生器发出的激光束，所述激光镜头能够使所述激光束聚焦；所述气氛组件包括气体喷出机构，所述气体喷出机构能够与气体来源相连通，所述气体喷出机构能够喷出氧气；

车削单元，所述车削单元包括承载架和车刀，所述激光镜头、所述气体喷出机构以及所述车刀均固定于所述承载架上，所述激光镜头与所述承载架的连接位置能够调整，沿所述车刀的加工方向，聚焦后的所述激光束的光斑位于所述车刀的前方，所述气体喷出机构的气体出口朝向所述聚焦后的所述激光束以及待加工工件设置；

所述激光镜头包括壳体和光学元件，所述壳体与所述承载架相连，所述壳体具有激光通道，所述传导光纤与所述激光通道相连通，所述光学元件设置于所述激光通道内，所述光学元件包括依次设置的扩束镜、DOE衍射镜以及聚焦透镜；

所述车刀包括刀身和刀片，所述刀片与所述刀身相连，所述刀身固定于所述承载架上，所述刀身为空心结构，所述刀身与所述激光通道相连通，所述刀身具有出射口，聚焦后的所述激光束能够由所述出射口射出，沿所述车刀的加工方向，所述出射口位于所述刀片的切削刃的前方。

2.根据权利要求1所述的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，其特征在于：所述扩束镜、所述DOE衍射镜以及所述聚焦透镜分别与所述壳体可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，其特征在于：所述出射口设置出射块，所述出射块与所述刀身相连，所述出射块由透明材质制成。

4.根据权利要求1所述的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，其特征在于：所述承载架为L状结构，所述承载架包括水平架和竖直架，所述水平架平行于水平面设置，所述竖直架平行于竖直面设置，所述水平架与所述竖直架相连，所述激光镜头可滑动地与所述水平架相连，所述激光镜头相对于所述水平架往复滑动能够改变所述激光镜头与所述车刀之间的间距，且所述激光镜头的高度能够调节，所述车刀与所述竖直架相连。

5.根据权利要求4所述的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，其特征在于：所述水平架上设置有丝杠导轨和滑块，所述丝杠导轨可转动地与所述水平架相连，所述滑块与所述丝杠导轨螺纹连接，所述激光镜头与所述滑块相连。

6.根据权利要求5所述的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，其特征在于：所述激光镜头与所述滑块之间还设置水平微调机构和竖直微调机构，所述水平微调机构连接所述滑块与所述竖直微调机构，所述激光镜头与所述竖直微调机构相连，所述水平微调机构能够带动所述竖直微调机构沿水平方向往复滑动，所述竖直微调机构能够带动所述激光镜头沿竖直方向往复滑动。

7.根据权利要求1所述的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，其特征在于：所述气氛组件还包括气源，所述气源利用软管与所述气体喷出机构相连通；所述气体喷出机构可转动地设置于所述承载架上。

8.一种激光诱导改性辅助车削的复合加工方法，其特征在于：利用权利要求1-7任一项所述的激光诱导改性辅助车削的复合加工装置，沿加工方向，加工激光的光斑位于车刀的前方，并照射于待加工工件上，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，所述车刀对所述待加工工件的辐照区域进行车削加工。