CN114985978B - 一种金刚石加工激光车床及加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石加工激光车床，包括机架、位移单元、物料处理机构、激光加工单元和控制系统，位移单元、物料处理机构和激光加工单元设置在机架台面上并与控制系统连接、受控制系统控制，激光加工单元连接位移单元，位移单元包括：带动激光加工单元水平横向移动的X轴位移单元、垂直移动的Z轴位移单元，水平垂直于X轴位移单元的方向上的Y轴位移单元，Y轴位移单元带动夹持加工工件并旋转加工工件的SP轴加工单元移动；A轴旋转单元，控制激光加工单元旋转；物料处理机构包括对准加工工件区域的排尘系统。本发明结构简单，操作方便，自动化程度高，能够实现低成本加工、少污染且保证被加工工件的平面度。

Description

一种金刚石加工激光车床及加工工艺

技术领域

本发明涉及到激光加工设备技术领域，特别涉及到一种激光车床加工工艺设备。

背景技术

PCD/PDC主要由金刚石合成，随着聚晶金刚石复合片在石油、煤炭、冶金、地质勘探等方面的广泛应用，以往那种简单的圆柱体形的聚晶金刚石复合片已经不能完全满足市场的需要， PDC(聚晶金刚石复合片)需要被加工成各种不同的形状。目前，国内外对聚晶金刚石复合片的传统加工方式主要有两种：—是机械磨削，即用高速旋转的金刚石砂轮磨削PDC需要加工的面：二是电火花线切割加工，由于 PCD（聚晶金刚石）材料的可磨性很差只有硬质合金的 1/1000。采用机械磨削的方法必然会消耗大量的金刚石砂轮，成本高昂加工效率也必然很低，难以适应当前激烈的竞争市场。同时聚晶金刚石复合片体积一般都比较小，在加工成异形PDC时，切削面又常常不平行或垂直复合片端面，而且磨削过程中还得克服较大的切削力，所以 PDC的装夹必然非常困难，难以保证加工精度。而现在为了克服上述两种传统的加工方式存在的弊端，现在越来越多的加工方式采用激光加工。

因为金刚石人工合成后，其表面含有较多的杂质，后期需要加工去除，加工时需要耗费掉大量的金刚石微粉，成本大幅度增加，传统技术通过金刚石研磨的方式去除加工需要耗费大量的金刚石微粉，加工成本非常高，并对环境造成一定的污染，成本高、有污染，且现有激光加工的处理方式，无法保证被加工工件的平面度，所以现阶段急迫需要新的加工方式代替。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决上述存在的技术问题，提供一种加工成本低、减少污染且能保证加工工件的平面度的一种金刚石加工激光车床。

本发明解决其技术问题所采用的的技术方案是：

一种金刚石加工激光车床，包括机架、位移单元、物料处理机构、激光加工单元和控制系统，位移单元、物料处理机构和激光加工单元设置在机架台面上并与控制系统连接、受控制系统控制，激光加工单元连接位移单元，位移单元包括：

X轴位移单元，X轴位移单元带动激光加工单元水平横向移动；

Y轴位移单元，Y轴位移单元设置在水平垂直于X轴位移单元的方向上，Y轴位移单元上还设有SP轴加工单元，并带动SP轴加工单元沿Y轴位移单元设置的方向移动；

SP轴加工单元用于夹持加工工件并旋转加工工件；

Z轴位移单元，Z轴位移单元带动激光加工单元垂直移动；

A轴旋转单元，A轴旋转单元控制激光加工单元旋转；

物料处理机构包括对准加工工件区域的排尘系统，排尘系统所设位置与SP轴加工单元及加工工件区域间隔开来；

激光加工单元包括激光发射单元、激光聚焦单元和工件冷却单元，激光聚焦单元调整激光的光束直径和聚焦镜片曲率半径优化后激光光束的焦深，再由激光发射单元发射，并通过工件冷却单元对激光发射单元进行降温。

作为本发明的一种优选方案，Z轴位移单元上还设有测量单元，Z轴位移单元带动A轴旋转单元、激光加工单元和测量单元沿垂直于X轴位移单元的方向运动。

作为本发明的一种优选方案， X轴位移单元带动Z轴位移单元、A轴旋转单元、激光加工单元和测量单元沿水平横向移动。

作为本发明的一种优选方案，Y轴位移单元带动SP轴加工单元沿垂直于X轴位移单元的水平纵向移动。

作为本发明的一种优选方案，A轴旋转单元带动激光加工单元向SP轴加工单元所在方向旋转。

作为本发明的一种优选方案，物料处理机构还包括料盘和机械手上料单元，料盘设置在排尘系统的上方，机械手上料单元设置在料盘上；排尘系统包括排尘通道和外部集尘器，排尘通道一侧开口对准SP轴加工单元，另一侧联结外部集尘器，将加工产生的粉尘回收。

作为本发明的一种优选方案，控制系统设置在机架上，包括触摸和显示为一体的显示屏及控制车床各个部件的数控系统。

一种激光车床加工工艺，包括以下几个步骤；

S1:通过控制系统移动机械手上料单元至料盘位置，夹紧工件移动到SP轴加工单元处安装加工工件，测量单元测量到工件位置发送信号给控制系统，X轴位移单元、Y轴移动单元和Z轴移动单元同步调整好激光加工单元预备加工；

S2:打开激光发射单元，使用激光聚焦单元缩小激光发射单元的激光光束直径至50μm，激光聚焦单元的聚焦镜片曲率半径优化后激光光束的焦深3-5mm；

S3：A轴旋转单元旋转激光光束，使激光光束聚焦光斑椭圆化，使加工工件单位面积激光能量分配均匀化；

S4：SP轴加工单元夹持加工工件旋转，X轴位移单元带动激光加工单元沿着水平横向方向运动，加工工件和激光光束通过控制系统配合，控制系统线性调节激光光束的功率参数：脉宽、频率和功率，自加工工件内部向外部加工，保证去除效率的一致性，并通过调控SP轴加工单元转速变化从而保持均匀的线速度；

S5：加工工件配合激光光束对其平面进行旋转切割打磨，直至平面度达到≤0.03mm，去除效率达到≥200mm³。

S6：机械手上料单元取出加工好的工件放置在料盘上，并夹持未加工工件进入循环加工。

本发明的有益效果是：

1、 利用激光加工单元光学优化，规避激光焦深，辅助旋转切割工艺，可以使加工后的工件平面度保证≤0.03mm，去除效率达到≥200mm³，降低成本，减少污染，提高成品质量。

2、 设置排尘系统，对准加工工件，集中收集加工工件中产生的粉尘，减少粉尘污染，防止影响加工质量。

附图说明

图1为实施例中一种金刚石加工激光车床的结构示意图；

图2为实施例中激光车床右下视角立体视图；

图3为实施例中激光车床侧视图；

图4为实施例中激光车床左下视角立体视图；

图5为实施例中数控系统位置示意图。

上述附图标记：

1、X轴位移单元；2、Y轴位移单元；3、Z轴位移单元；4、A轴旋转单元；5、激光聚焦单元；6、激光发射单元；7、测量单元；8、SP轴加工单元；9、机械手上料单元；10、料盘；11、排尘通道；12、数控系统。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，一种金刚石加工激光车床，包括机架、位移单元、测量单元7、物料处理机构、激光加工单元和控制系统，位移单元、测量单元7、机械手上料单元9、料盘10和激光加工单元设置在机架台面上并与控制系统连接受控制系统控制；激光加工单元连接位移单元，位移单元包括：控制激光加工单元水平横向移动的X轴位移单元1、控制SP轴加工单元8沿垂直于X轴位移单元的水平纵向移动的Y轴位移单元2、控制激光加工单元垂直移动的Z轴位移单元3，夹持加工工件并旋转的SP轴加工单元8、控制激光加工单元旋转的A轴旋转单元4；激光加工单元包括激光发射单元6、激光聚焦单元5和工件冷却单元。激光发射单元6嵌合在激光聚焦单元5中，经过激光聚焦单元5缩小激光发射单元6的激光光束直径至50μm，激光聚焦单元5的聚焦镜片曲率半径优化后激光光束的焦深为3mm；激光聚焦单元5和激光发射单元6设置在A轴旋转单元4上，A轴旋转单元4设置在Z轴位移单元3上，Z轴位移单元3设置在X轴位移单元1上，与X轴的水平方向相垂直的方向上设置Y轴位移单元2，Y轴位移单元2上设有SP轴加工单元8；物料处理机构包括对准加工工件区域的排尘系统，排尘系统所设位置与SP轴加工单元及加工工件区域间隔开来。

在本实施例中，X轴位移单元1带动Z轴位移单元3、A轴旋转单元4、激光加工单元和测量单元7沿水平横向移动，具体来说，X轴位移单元1水平横向放置，在机架上，X轴位移单元1内设有滑轨，Z轴位移单元3嵌合在滑轨上沿着滑轨的方向水平横向移动，同时Z轴位移单元3上设置的A轴旋转单元4、激光发射单元6、激光聚焦单元5和测量单元7也随着Z轴位移大院在滑轨上沿着滑轨的方向水平移动。

在本实施例中，Y轴位移单元2带动SP轴加工单元8沿垂直于X轴位移单元的水平纵向移动。SP轴加工单元8，具体来说，Y轴位移单元2安装在机架上，其顶部两侧设有向外延伸的轨道，SP轴加工单元8的底部设有与轨道相匹配的夹轨，SP轴加工单元8在Y轴位移单元2上沿着与X轴位移单元1相垂直的水平纵向移动。

在本实施例中，Z轴位移单元3带动A轴旋转单元4、激光加工单元和测量单元7沿垂直方向运动，具体来说，Z轴位移单元3垂直设置在X轴位移单元1上，包括垂直设置的限位板，Z轴位移单元3在限位板上带动A轴旋转单元4、激光加工单元和测量单元7沿垂直于X轴位移单元1移动方向进行垂直运动。

在本实施例中，SP轴加工单元8带动加工工件进行旋转，具体来说SP轴加工单元8上设有夹持工件的夹持部，夹持部为可旋转的空心圆柱体，空心圆柱体内放置加工工件，加工时自身的旋转带动加工工件旋转。

在本实施例中，A轴旋转单元4带动激光加工单元和工件冷却单元向SP轴加工单元8所在方向进行旋转运动，具体来说，工件冷却单元为水冷管，水冷管设置在A轴旋转单元4上、激光加工单元的水平后方，用于给激光加工单元降温，A轴旋转单元4设置在Z轴位移单元3，为可旋转式圆盘结构。

在本实施例中，物料处理机构还包括料盘10和机械手上料单元9，料盘10设置在排尘系统的上方，机械手上料单元9设置在料盘10上；排尘系统包括排尘通道11和外部集尘器，排尘通道11一侧开口对准SP轴加工单元，另一侧联结外部集尘器，将加工产生的粉尘集中回收。

在本实施例中，Z轴位移单元3带动测量单元7垂直运动，测量单元7为激光测距仪，激光测距仪的探测针位置和待加工工件保持在同一垂直方向上，测量单元7检测到加工工件后发出感应信号，控制系统接收信号并记录信号数据，控制系统包括触摸和显示为一体的显示屏及控制车床各个部件的数控系统12，显示屏和数控系统12为常规技术，设置在机架上。

本发明一种金刚石加工激光车床的工作方法即加工工艺是：通过控制系统移动机械手上料单元9至料盘10位置，夹紧工件移动到SP轴加工单元8处安装加工工件，激光测距仪测量到工件位置发送信号给控制系统，X轴位移单元1、Y轴移动单元和Z轴移动单元同步调整好激光加工单元预备加工，然后打开激光发射单元6，使用激光聚焦单元5缩小激光发射单元6的激光光束直径至50μm，激光聚焦单元5的聚焦镜片曲率半径优化后激光光束的焦深3mm，接着A轴旋转单元4旋转激光光束，使激光光束聚焦光斑椭圆化，使加工工件单位面积激光能量分配均匀化，再用SP轴加工单元8夹持加工工件旋转，X轴位移单元1带动激光加工单元沿着水平横向方向运动，加工工件和激光光束通过控制系统配合，控制系统线性调节激光光束的功率参数：脉宽、频率和功率，自加工工件内部向外部加工，保证去除效率的一致性，并通过调控SP轴加工单元8转速变化从而保持均匀的线速度，加工工件配合激光光束对其平面进行旋转切割打磨，直至平面度达到≤0.03mm，去除效率达到≥200mm³，加工过程中，水冷管持续给激光加工单元降温，最后机械手上料单元9取出加工好的工件放置在料盘10上，并夹持未加工工件进入循环加工，在加工工件的过程中，排尘系统的排尘通道11对准加工工件区域，并开始抽取漂浮在加工工件区域的粉尘，加工工件的粉尘通过排尘通道11统一进入外部集尘器。

另外还存在其他的优选实施例，例如通过聚焦镜片曲率半径优化后，将激光焦深控制为4mm，5mm，再依照上述记载的方法仍可以达到加工产品表面平整度≤0.03mm.去除效率≥200mm³的效果。

说明书中记载的实施例其有益效果为：

本发明通过激光聚焦单元的镜头优化，增加激光的光束直径和镜片的曲率半径优化，达到焦深优化的目的，使焦深可以控制到3-5毫米。配合激光加工单元的偏转角度，使激光聚焦的光斑椭圆化，能量分配均匀化，再通过系统线性调节激光功率参数，脉宽、频率、功率；从中心内部向外部加工，保证去除效率的一致性，并通过SP轴加工单元调整转速进而变化线速度，最终能够达到加工产品表面平整度≤0.03mm.去除效率≥200mm³，而且通过设置排尘系统，对准加工工件，集中收集加工工件中产生的粉尘，减少粉尘污染，防止影响加工质量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种利用金刚石加工激光车床的激光加工方法，金刚石加工激光车床包括机架、位移单元、物料处理机构、激光加工单元和控制系统，位移单元、物料处理机构和激光加工单元设置在机架台面上并与控制系统连接、受控制系统控制，其特征在于，

激光加工单元连接位移单元，位移单元包括：

X轴位移单元，X轴位移单元带动激光加工单元水平横向移动；

Y轴位移单元，Y轴位移单元设置在水平垂直于X轴位移单元的方向上，Y轴位移单元上还设有SP轴加工单元，并带动SP轴加工单元沿Y轴位移单元设置的方向移动；

SP轴加工单元用于夹持加工工件并旋转加工工件；

Z轴位移单元，Z轴位移单元带动激光加工单元垂直移动；A轴旋转单元，A轴旋转单元控制激光加工单元旋转；

所述Z轴位移单元上还设有测量单元，Z轴位移单元带动A轴旋转单元、激光加工单元和测量单元沿垂直于X轴位移单元的方向运动；

所述X轴位移单元带动Z轴位移单元、A轴旋转单元、激光加工单元和测量单元沿水平横向移动；

所述测量单元垂直设置在加工工件区域上方，测量单元在检测到加工工件发出感应信号，控制系统接收信号并记录数据；

物料处理机构包括对准加工工件区域的排尘系统，排尘系统所设位置与SP轴加工单元及加工工件区域间隔开来；

所述物料处理机构还包括料盘和机械手上料单元，料盘设置在排尘系统的上方，机械手上料单元设置在料盘上；排尘系统包括排尘通道和外部集尘器，排尘通道一侧开口对准SP轴加工单元，另一侧连接外部集尘器，将加工产生的粉尘回收；

所述Y轴位移单元带动SP轴加工单元沿垂直于X轴位移单元的水平纵向移动；

所述A轴旋转单元带动激光加工单元向SP轴加工单元所在方向旋转；

所述控制系统设置在机架上，包括触摸和显示为一体的显示屏及控制车床各个部件的数控系统；

所述利用金刚石加工激光车床的激光加工方法包括以下几个步骤：

S1：通过控制系统移动机械手上料单元至料盘位置，夹紧工件移动到SP轴加工单元处安装加工工件，测量单元测量到工件位置发送信号给控制系统，X轴位移单元、Y轴位移单元和Z轴位移单元同步调整好激光加工单元预备加工；

S2：打开激光发射单元，使用激光聚焦单元缩小激光发射单元的激光光束直径至50μm，激光聚焦单元的聚焦镜片曲率半径优化后激光光束的焦深3-5mm；

S3：A轴旋转单元旋转激光光束，使激光光束聚焦光斑椭圆化，使加工工件单位面积激光能量分配均匀化；

S4：SP轴加工单元夹持加工工件旋转，X轴位移单元带动激光加工单元沿着水平横向方向运动，加工工件和激光光束通过控制系统配合，控制系统线性调节激光光束的功率参数：脉宽、频率和功率，自加工工件内部向外部加工，保证去除效率的一致性，并通过调控SP轴加工单元转速变化从而保持均匀的线速度；

S5：加工工件配合激光光束对其平面进行旋转切割打磨，直至平面度达到≤0.03mm，去除效率达到≥200mm³；

S6：机械手上料单元取出加工好的工件放置在料盘上，并夹持未加工工件进入循环加工。