CN114932410A - 一种激光与超声磨削复合的加工刀柄及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光与超声磨削复合的加工刀柄及加工方法，包括刀柄主体、窗口片、换能器、变幅杆、聚焦透镜、激光加工头、刀具夹持装置和加工砂轮，刀柄主体内部设有激光传输通道，刀柄主体与机床主轴的下端连接，刀柄主体内部存在窗口片，刀柄上端设有换能器，与外部超声电源连接，刀柄的输出端为变幅杆，变幅杆的输出端连接激光加工头，激光加工头内部设置所述聚焦透镜，激光加工头的下部通过刀具夹持装置安装加工砂轮。本发明超声刀柄为中空，刀柄上增加激光加工头和光学器件，使得在加工过程中达到激光对材料的软化的效果，同步进行超声辅助磨削加工，降低加工的磨削力和减少磨削热的生成，提高加工效率，减少刀具的磨损，延长刀具使用寿命。

Description

一种激光与超声磨削复合的加工刀柄及加工方法

技术领域

本发明涉及多能场复合加工技术领域，尤其涉及一种激光与超声磨削复合的加工刀柄及加工方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，一些复合材料慢慢出现在生活的许多领域中。例如陶瓷基复合材料，陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，具有硬脆性，采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，能够提高材料的韧性，是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维的引入能阻止裂纹的扩展，减少加工时引入的损伤，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料目前已经应用于很多领域，如用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

超声辅助磨削加工技术，在普通磨削加工的基础上，引入超声系统，从而实现砂轮的高频振动，超声辅助磨削加工技术可以依靠砂轮高频振动，实现磨粒去除材料的过程，降低磨削力，减少磨削热的产生，并且可以减少砂轮的堵塞，但是加工效率低，加工范围受到限制；

采用激光加工的方法，通过激光加热产生的高温，从而在材料表面进行改性或者高温下材料的去除，可以加工硬度大和硬脆性材料，由于是非接触式加工，所以不存在加工工具磨损的问题，加工效率高，但是在加工过程中热影响严重，精细加工过程难以避免微裂纹。

因此可以用激光对陶瓷材料在加工前进行局部辅热，然后同步进行超声辅助磨削加工去除材料。激光加热产生的热量可以达到降低材料局部硬度及强度，提高材料的可加工性。激光辅热加工方式在陶瓷材料加工方面可以降低切削力，提高加工表面质量，还可以降低亚表面损伤和刀具磨损。

迄今为止，激光加工机床在各行各业中得到越来越广泛的应用，但是激光加工的机床大多为专用的激光加工机床，并不具备传统的切削、铣削和磨削的加工功能。超声辅助加工技术适合于硬脆性难加工材料。然而，激光和超声复合的多能场的磨削加工方式较少，同时集成到同一台的数控机床的案例很少。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种激光与超声磨削复合的加工刀柄及加工方法。该刀柄拆卸简易，通过与专用的激光与超声复合数控机床连接，根据加工需求，进行加工方式的切换，实现激光与超声磨削复合的加工的工艺，工艺简单靠谱，可以实现对工件的孔、槽、平面等的精密加工，从而得以解决上述背景技术中提出的问题。将该激光与超声复合加工磨削刀柄与多轴联动的数控机床相结合，即可以实现多能场的复合磨削加工，实现了集合激光、超声一体化的磨削加工机床。通过复合加工的工艺，从而实现陶瓷基复合材料的精密、低损伤加工，开启了高端数控加工机床的新途径，通过多能场的复合加工，将激光和超声的优势整合在一起，提出了复合材料和难加工脆性材料的加工的新思路，提高了生产效率，并且满足了工件精密加工的需求，减少了刀具的磨损，极大限度的满足企业和科研工作者的需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种激光与超声磨削复合的加工刀柄，包括刀柄主体、窗口片、换能器、变幅杆、聚焦透镜、激光加工头、刀具夹持装置和加工砂轮，所述刀柄主体内部设有激光传输通道，刀柄主体上端与机床主轴的下端连接，刀柄主体内部存在窗口片，刀柄上端设有换能器，其与外部超声电源连接，所述刀柄的输出端为变幅杆，变幅杆的输出端通过螺柱连接激光加工头，激光加工头内部设置所述聚焦透镜，激光加工头的下部通过刀具夹持装置安装加工砂轮。

进一步地，刀柄主体还设有外螺纹卡环，通过外螺纹卡环将所述窗口片进行压紧。

进一步地，所述刀具夹持装置包括锁紧螺母、弹簧夹头，加工砂轮安装在弹簧夹头内，在外部旋紧锁紧螺母，从而将加工砂轮安装在激光加工头下端。

进一步地，外部光学系统包括激光器和若干组用于将光线导入刀柄主体内的反射镜。

本发明还公开了一种激光与超声磨削复合的加工刀柄的加工方法，包括以下步骤：

步骤一：使用工作台将待加工的工件固定在其上并夹紧；

步骤二：将加工砂轮安装在刀柄上；

步骤三：移动工作台至主轴下端进行对刀操作；

步骤四：开启引导光源，调节光斑大小以及加工砂轮到工件表面的高度；

步骤五：打开超声电源，依次经过换能器、变幅杆，将高频振动传输到加工砂轮上；

步骤六：开启激光器，经过反射镜后激光垂直进入中空主轴后，进入到刀柄中，经聚焦透镜聚焦后，经过加工砂轮内部，到达工件表面；

步骤七：通过机加工程序控制主轴对待加工工件进行激光与超声磨削复合的加工；

步骤八：加工结束后，关闭激光器、超声电源，将工件从工作台卸下。

进一步地，制孔加工的过程中，激光光束与超声振动的加工砂轮超声振动的加工轨迹包括同心圆进给形式和螺旋进给的形式；或是为激光光束加工工件中心区域，两侧区域使用超声振动的加工砂轮超声振动磨削去除，实现垂直进给去除；同时加工不仅限于制孔工艺，也包括进行加工平面、凹槽。

进一步地，刀柄包括圆刀柄、键槽刀柄、矩形和六方孔型刀柄。

进一步地，刀柄的中心线与Z轴重合。

进一步地，激光器包括长脉冲激光器、短脉冲激光器和超短脉冲激光器。

进一步地，激光加工头包括激光切割头、激光焊接头和激光熔覆头。

本发明具有以下优点：

本发明结构提供一种带有激光与超声磨削复合的加工的刀柄，通过改造超声刀柄，将超声刀柄变为中空，在刀柄上增加激光加工头和光学器件等，使得在加工过程中激光对材料的软化，同步进行超声磨削加工，可以大幅度降低加工的磨削力和减少磨削热的生成，提高加工效率，减少了刀具的磨损，延长了刀具的使用寿命。

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是本发明复合刀柄结构示意图。

图2是刀具夹持装置的结构示意图。

图3是本发明激光与超声辅助磨削加工设备示意图。

图4是激光与超声复合磨削垂直制孔的示意图。

图5是激光与超声复合磨削螺旋制孔和同心圆制孔的示意图。

图6是激光与超声复合磨削平面的示意图。

图中：1、刀柄主体；2、外螺纹卡环；3、窗口片；4、换能器；5、变幅杆；6、聚焦透镜；7、激光加工头；8、刀具夹持装置；81、锁紧螺母；82、弹簧夹头；9、加工砂轮；10、外部超声电源；11、工作台；12、将待加工的工件；13、机床主轴；14、第3反射镜；15、第2反射镜；16、激光器；17、第1反射镜。

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所示，本发明实施例公开了一种激光与超声磨削复合的加工刀柄，该刀柄包括刀柄主体1、外螺纹卡环2、窗口片3、换能器4、变幅杆5、聚焦透镜6、激光加工头7、刀具夹持装置8、加工砂轮9。机床主轴13和刀柄按照垂直设置，中心线重合，刀柄上端与机床主轴13的下端连接，刀柄主体1内部存在窗口片3，通过外螺纹卡环2进行压紧，防止外部灰尘进入刀柄内部，从而影响聚焦透镜6的使用；刀柄上端存在换能器4与外部超声电源10连接，便于实现能量的传输；变幅杆5下端通过螺柱连接激光加工头7，激光加工头7内部通过内外螺纹的连接方式固定聚焦透镜6，激光加工头7的下部通过刀具夹持装置8安装加工砂轮9。外部存在光学系统，包括激光器和三个反射镜。刀柄的整体设计为中空，内部存在光路引入的空间，激光束通过机床的中空主轴进入设计的中空的超声刀柄中，经由透镜聚焦后，到达砂轮下端的工件表面上。这种加工方式实现了激光和超声磨削的多能场复合加工的加工工艺。

如图2所示，刀具装夹装置8包括锁紧螺母81、弹簧夹头82，加工砂轮9安装在弹簧夹头82内，在外部旋紧锁紧螺母81，从而将加工砂轮9安装在激光加工头7下端；

如图3所示，激光与超声磨削复合的加工刀柄外部存在光学系统，包括激光器16、第1反射镜15、第2反射镜16、第3反射镜17。所述的激光与超声磨削复合的加工刀柄的加工方法，包括以下步骤：

步骤一：使用工作台11将待加工的工件12固定在上面,并夹紧；

步骤二：将加工砂轮9安装在刀柄上；

步骤三：移动工作台11至主轴13下端进行对刀操作；

步骤四：开启引导光源，调节光斑大小以及加工砂轮9到工件12表面的高度；

步骤五：打开超声电源10，依次经过换能器4、变幅杆5，将高频振动传输到加工砂轮9上；

步骤六：开启激光器16，经过第1反射镜17、第2反射镜15、第3反射镜14，激光垂直进入中空主轴13后，进入到刀柄中，经聚焦透镜6聚焦后，经过加工砂轮9内部，到达工件12表面；

步骤七：通过机加工程序控制主轴13对待加工工件12进行激光与超声磨削复合的加工；

步骤八：加工结束后，关闭激光器16、超声电源10，将工件12从工作台11卸下；

由于激光辅助超声刀柄的多功能性，可以根据实际加工需求，可以进行加工方法的选择，当采用激光与超声磨削复合的加工时，用激光对材料进行软化，然后同步进行超声磨削加工。

如图4所示为本实施例中的激光与超声复合磨削垂直制孔工艺，激光光束加工待加工工件12中心区域，光斑两侧区域使用超声振动的加工砂轮9磨削去除，从而实现直接垂直制孔的加工工艺；

如图5所示为本实施例中的激光与超声复合磨削同心圆与螺旋制孔工艺，激光器16产生的光束经过聚焦透镜6后与超声振动的加工砂轮9的复合加工的轨迹可以为同心圆进给由内到外加工的形式或者螺旋进给的形式，进行同步加工去除材料；

如图6所示为本实施例中的激光与超声复合磨削，激光在待加工区域加热软化，同时超声磨削去除软化材料，从而实现平面或者凹槽的加工；

激光与超声磨削复合的加工刀柄，该刀柄的设计按照标准刀柄，刀柄上端可以为圆刀柄、键槽刀柄、矩形或六方孔型刀柄，根据实际数控机床和加工的需求进行刀柄的选型。刀柄的中心线与Z轴重合。从而实现了激光和超声的复合磨削加工方法，用于磨削制孔、磨削平面、磨削凹槽等特征加工。

激光器16可以是长脉冲激光器、短脉冲激光器或超短脉冲激光器。激光加工头7可以是激光切割头、激光焊接头或激光熔覆头。

本发明的刀柄本体适合于激光与超声复合的数控机床，为专用刀具，实现激光与超声复合磨削的加工，加工范围广泛。多轴数控机床可以是三轴或五轴的数控机床。

本发明所用的为长脉冲激光器，但不一定仅限于此，对于纳秒、皮秒或飞秒的超快短脉冲激光器，都适合本发明。本发明使用的是激光切割头，对于激光焊接头、激光熔覆头都适合本发明。

本发明通过改造普通的超声刀柄的结构，使得普通的超声刀柄内部拥有激光的导向光路，其结构简单，成本低廉，带有激光与超声复合磨削的刀柄，可以软化材料，降低磨削力，有效提高加工的效率，延长刀具的使用寿命，减少材料的浪费。

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)

1.一种激光与超声磨削复合的加工刀柄，其特征在于，包括刀柄主体、窗口片、换能器、变幅杆、聚焦透镜、激光加工头、刀具夹持装置和加工砂轮，所述刀柄主体内部设有激光传输通道，刀柄主体上端与机床主轴的下端连接，刀柄主体内部存在窗口片，刀柄上端设有换能器，其与外部超声电源连接，所述刀柄的输出端为变幅杆，变幅杆的输出端通过螺柱连接激光加工头，激光加工头内部设置所述聚焦透镜，激光加工头的下部通过刀具夹持装置安装加工砂轮。

2.根据权利要求1所述的激光与超声磨削复合的加工刀柄，其特征在于，刀柄主体还设有外螺纹卡环，通过外螺纹卡环将所述窗口片进行压紧。

3.根据权利要求1所述的激光与超声磨削复合的加工刀柄，其特征在于，所述刀具夹持装置包括锁紧螺母、弹簧夹头，加工砂轮安装在弹簧夹头内，在外部旋紧锁紧螺母，从而将加工砂轮安装在激光加工头下端。

4.根据权利要求1所述的激光与超声磨削复合的加工刀柄，其特征在于，外部光学系统包括激光器和若干组用于将光线导入刀柄主体内的反射镜。

5.一种采用权利要求1～4任一项所述激光与超声磨削复合的加工刀柄的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用工作台将待加工的工件固定在其上并夹紧；

步骤二：将加工砂轮安装在刀柄上；

步骤三：移动工作台至主轴下端进行对刀操作；

步骤四：开启引导光源，调节光斑大小以及加工砂轮到工件表面的高度；

步骤五：打开超声电源，依次经过换能器、变幅杆，将高频振动传输到加工砂轮上；

步骤六：开启激光器，经过反射镜后激光垂直进入中空主轴后，进入到刀柄中，经聚焦透镜聚焦后，经过加工砂轮内部，到达工件表面；

步骤七：通过机加工程序控制主轴对待加工工件进行激光与超声磨削复合的加工；

步骤八：加工结束后，关闭激光器、超声电源，将工件从工作台卸下。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，制孔加工的过程中，激光光束与超声振动的加工砂轮超声振动的加工轨迹包括同心圆进给形式和螺旋进给的形式；或是为激光光束加工工件中心区域，两侧区域使用超声振动的加工砂轮超声振动磨削去除，实现垂直进给去除；同时加工不仅限于制孔工艺，也包括进行加工平面、凹槽。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，刀柄包括圆刀柄、键槽刀柄、矩形和六方孔型刀柄。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，刀柄的中心线与Z轴重合。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，激光器包括长脉冲激光器、短脉冲激光器和超短脉冲激光器。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，激光加工头包括激光切割头、激光焊接头和激光熔覆头。

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