CN115609141A - 一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法。本发明首先进行激光单道烧蚀实验确定激光参数；其次进行激光烧蚀织构实验确定粗/精加工织构的激光和超声辅助磨削参数；最后根据难加工材料的加工要求，选择合适的加工参数进行激光烧蚀表面织构‑超声辅助磨削粗/精加工。本发明系统地提出了激光烧蚀表面织构‑超声辅助磨削的加工参数确定方法，将激光加工与超声辅助磨削高度结合，实现了难加工材料的高质高效加工，同时减少了刀具的磨损，降低了加工成本。

Description

一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法

技术领域

本发明涉及多能场复合的特种加工领域，尤其涉及一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法。

背景技术

难加工材料包括高性能合金、陶瓷材料以及复合材料等，具有机械强度高、耐高温、抗氧化性强、热稳定性能好、热导率大、耐磨损性能好、抗热震性能好等优良的力学性能和热性能，广泛地应用于微电子机械系统、航空航天、国防军工、核能等领域，尤其在应对高温，强辐射和强振动冲击等恶劣环境方面表现突出。但是，难加工材料的硬度一般较高，目前主要采用磨削方式加工，存在加工质量不稳定、材料去除率低、刀具磨损严重等问题。因此，需要多道工序和频繁地修整砂轮，导致加工效率低、成本高，进而限制了难加工材料在各自领域的推广和应用。

激光烧蚀表面织构技术是激光作用在材料表面，通过激光的高温作用，对材料表面进行烧蚀出特定的结构(详见中国专利CN113500298A和CN113461417A)，但是难以确保加工的表面质量。超声辅助磨削技术是在传统磨削中引入超声高频振动(详见中国专利CN108637801A)，实现对材料的断续切削，具有减少加工损伤、改善表面质量、提高材料性能等优点，但是在加工过程中依然存在砂轮磨损大和加工效率低等问题。

目前，亟需兼顾加工效率和表面质量的创新加工方法，本发明专利提出一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法。激光烧蚀表面织构主要实现高的加工效率，超声辅助磨削主要实现高的加工质量，两者高度结合，在保证加工质量的同时，可以进一步降低砂轮磨损，提高材料去除率和刀具寿命。作为一种新型高质高效低损伤的加工工艺，目前对于这种新工艺的研究较少，尚无系统地研究多加工参数对加工结果的映射关系以及满足复合加工要求的复合加工工艺。

发明内容

为解决以上所述难加工材料加工和复合加工方法的不足，本发明提供了一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，该方法首先利用激光烧蚀表面织构提前去除材料并且改变了材料可加工性，接着进行超声辅助磨削，能够有效提高加工效率和加工质量。该方法属于复合加工技术的高度结合，需充分考虑工艺参数较多的情况，提供了一套较为系统的选择工艺参数的方法，为难加工材料的复合加工技术研究提供了一种参考。本发明采用的技术手段如下：

一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，包括以下步骤：

步骤一：使用夹具将待加工工件安装在工作台上面，定位并夹紧；

步骤二：开启激光器，基于不同的激光参数进行激光单道烧蚀实验，对不同的激光参数烧蚀后的工件上的单道织构进行检测分析，得到激光参数变化对烧蚀结构的影响规律，针对不同的加工要求选择合适的激光加工参数；

步骤三：基于步骤二不同的激光加工参数进行的激光单道烧蚀实验数据，针对粗/精加工微织构超声辅助磨削，选择不同的激光加工参数进行正交实验，建立粗/精加工参数与磨削力、表面粗糙度的映射关系，根据评价指标采用优化方法选择合适的粗/精加工参数；

步骤四：根据工件的实际加工余量，设计粗加工和精加工工序，依次进行激光烧蚀表面织构-超声辅助磨削粗/精加工；

步骤五：完成加工，将工件从工作台上卸掉。

进一步地，所述不同的激光加工参数包括激光功率P、光斑重叠率R_p。

进一步地，该方法基于如下装置进行加工，具体包括控制系统，多轴控制器，工件，工作台，激光烧蚀织构单元和超声辅助磨削单元，激光烧蚀织构单元包括激光器、激光控制器、激光传输装置以及振镜模组，超声辅助磨削单元包括砂轮、超声刀柄、机床主轴以及超声电源，所述控制系统分别与激光控制器、振镜模组、多轴控制器、机床主轴相连，所述多轴控制器与工作台相连，所述工件放置在工作台上，所述机床主轴的底端通过超声刀柄与砂轮相连，所述机床主轴的输入端与超声电源相连，所述激光控制器与激光器相连，所述激光器的输出端通过激光传输装置与振镜模组相连，之后，其发射的激光传输至工件表面。

进一步地，所述激光器包括连续激光器、长脉冲激光器、短脉冲激光器和超短脉冲激光器；所述激光传输装置包括反射镜光路传输单元或光纤传输单元。

进一步地，根据加工质量和加工效率为评价标准，由合适的烧蚀深度H_a、烧蚀宽度D_a和残留高度H_r选定包括激光功率P、光斑重叠率R_p的激光参数。

进一步地，步骤三中，粗/精加工微织构超声辅助磨削及参数确定流程中，进行包括织构行间距d_d、行重叠率R_d、超声辅助磨削粗/精加工切深a_ph/a_pl、超声振幅A和粗/精加工进给速度v_uh/v_ul的多参数的正交实验，确定各参数对磨削力F、残留深度h_rh和表面粗糙度S_a的映射关系及权重指数，根据具体评价指标，确定合适的激光参数和超声辅助磨削参数。

进一步地，步骤四中，粗加工和精加工工序具体为：

根据确定的粗加工参数先进行激光烧蚀粗表面织构，移动工作台至超声辅助磨削单元，进行超声辅助磨削粗加工；所述确定的粗加工参数包括粗加工进给速度v_uhc、粗加工切深a_phc和粗加工振幅A_hc；

在粗加工后，根据确定的精加工参数，进行激光烧蚀粗表面织构，移动工作台至超声辅助磨削单元，进行超声辅助磨削精加工；所述确定的精加工参数精加工进给速度v_ulc、精加工切深a_plc和精加工振幅A_lc。

进一步地，步骤四中，粗加工和精加工工序过程中，砂轮与表面织构的夹角α范围为0°～90°，根据粗加工的加工效率和精加工的加工质量确定合适的夹角。

进一步地，所述待加工工件的材料为难加工材料，高性能合金材料(钛合金、钨合金等)、陶瓷材料(碳化硅陶瓷、氮化铝陶瓷等)以及复合材料(颗粒增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等)等。

进一步地，激光表面织构的形状，包括圆形、椭圆形、多边形(三角形、菱形)、V字形。

本发明具有以下优点：

1、本发明提供了一种新颖的加工难加工材料的方法，利用激光烧蚀表面织构先去除一部分材料，同时激光作用改变了材料的可加工性(降低了硬度和断裂韧性)，当进行超声磨削时可以降低磨削力、刀具磨损、亚表面损伤并提高加工质量，另外表面织构和超声辅助磨削均可以在一定程度增加加工深度；

2、本发明实现了激光烧蚀表面织构和超声辅助磨削的复合加工控制，根据实际加工余量要求，设计粗加工和精加工工序，在满足加工质量的前提下，实现最大效率的加工，本方法操作简单便捷，可有效提高加工效率并降低加工成本。

3、本发明基于激光单道烧蚀和粗/精加工微织构超声辅助磨削实验研究，提供了一整套较为详尽的多工艺参数确定方案，真正意义上实现了高质高效的精密加工，为难加工材料的复合加工提供了一种有效方案。

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为本发明提供的难加工材料激光烧蚀表面织构-超声辅助磨削方法流程图；

图2为本发明提供的激光-超声辅助磨削平台示意图；

图3为本发明提供的激光烧蚀单道织构表面和截面示意图；

图4为本发明提供的激光烧蚀单道织构时参数变化对烧蚀结构的影响：(a)不同激光功率下烧蚀深度Ha、(b)烧蚀宽度Da以及(c)光斑重叠率Rp对残留率Rh的变化图；

图5为本发明提供的粗/精加工织构实验示意图及参数确定流程图：(a)和(c)分别为粗/精加工织构示意图、(b)和(d)分别为粗/精加工织构参数确定流程；

图6为本发明提供的难加工材料激光烧蚀表面织构-超声辅助磨削粗加工(a)和精加工(b)示意图；

图7为本发明提供的超声辅助磨削与表面织构相对位置示意图；

图8为本发明提供的激光烧蚀表面织构的织构形状，其中(a)为圆形织构、(b)为椭圆形织构、(c)为三角形织构、(d)为多边形织构、(e)为V字形织构、(f)为菱形织构；

图中：1、激光器；2、激光控制器；3、激光传输装置；4、振镜模组；5、控制系统；6、多轴控制器；7、工件；701、单道织构；702、粗加工织构；703、精加工织构；8、工作台；9、砂轮；10、超声刀柄；11、机床主轴；12、超声电源。

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，本发明实施例公开一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法的流程图，该加工方法流程包括下列步骤：

步骤一：使用夹具将待加工工件7安装在工作台8上面，定位并夹紧；

步骤二：开启激光器1，控制系统5控制激光控制器2和振镜模组4，基于不同的激光参数进行激光单道烧蚀实验，对不同的激光参数烧蚀后的工件7上的单道织构701进行检测分析，得到激光参数变化对烧蚀结构的影响规律，针对不同的加工要求选择合适的激光加工参数，具体包括选择合适的激光功率P、光斑重叠率R_p等激光加工参数；

步骤三：夹持砂轮9的超声刀柄10安装到机床主轴11上面，控制系统5控制多轴控制器6移动工作台8至超声辅助磨削单元，开启超声电源12，高速旋转的砂轮9实现高频振动，振动频率为20-30KHz，振幅为3-10μm；基于步骤二不同激光功率和光斑重叠率进行的激光单道烧蚀实验数据，针对粗/精加工微织构超声辅助磨削，选择不同激光功率P和光斑重叠率R_p进行正交实验，对工件7上的粗表面织构702、细表面织构703以及超声辅助磨削后的表面进行检测分析，建立粗/精加工参数与磨削力、表面粗糙度等的映射关系，根据评价指标采用优化方法选择合适的粗/精加工参数；

步骤四：根据工件7的实际加工余量，设计粗加工和精加工工序，依次通过合适的参数进行激光烧蚀表面织构-超声辅助磨削粗/精加工；

步骤五：完成加工，关闭超声电源12、激光器1等，将工件7从工作台8上卸掉；

如图2所示为激光-超声辅助磨削平台示意图，加工平台包括激光器1、激光控制器2、激光传输装置3以及振镜模组4等激光烧蚀织构单元，控制系统5，多轴控制器6，工件7，工作台8，砂轮9、超声刀柄10、机床主轴11以及超声电源12等超声辅助磨削单元构成。先基于激光烧蚀织构单元，进行激光单道烧蚀实验，接着基于激光烧蚀织构单元和超声辅助磨削单元，进行粗/精加工微织构超声辅助磨削正交实验，最后进行激光烧蚀表面织构-超声辅助磨削粗/精加工。

如图3(a)、(b)所示为激光烧蚀单道织构示意图，基于固定的光斑直径D，进行不同激光功率P和扫描速度V_l的单道织构701烧蚀实验，通过3D共聚焦显微镜测量烧蚀槽三维形貌，具体分析维度包括统计分析烧蚀槽的形状尺寸，如烧蚀深度H_a、烧蚀宽度D_a和残留高度H_r等，图中Dv表示两个光斑之间的距离。

如图4所示为激光烧蚀单道织构时参数变化对烧蚀结构的影响规律图：(a)不同激光功率下烧蚀深度H_a、(b)烧蚀宽度D_a以及(c)光斑重叠率R_p对残留率R_h的变化图。随着激光功率(或能量密度)的增加，烧蚀深度H_a和烧蚀宽度D_a增加，残留率R_h(R_h＝H_r/H_a)随着光斑重叠率R_p(R_p＝(D-V_l/f)/D×100％)增大而减小，其中f为激光的频率。根据加工质量(热影响区、重铸层、微裂纹和氧化区)和加工效率，在低烧蚀深度H_al和高烧蚀深度H_ah之间选择合适的烧蚀深度(H_alc和H_ahc)，在低烧蚀直径D_al和高烧蚀直径D_ah之间选择合适的烧蚀直径(D_alc和D_ahc)，在残留率R_h低于0.01时，选择合适的光斑重叠率R_p。根据上述烧蚀槽参数，分别确定合适的烧蚀粗表面织构702和细表面织构703的激光参数。

如图5所示为粗/精加工织构实验示意图及参数确定流程图：(a)和(c)分别为粗/精加工织构示意图、(b)和(d)分别为粗/精加工织构参数确定流程。对于粗加工织构实验及参数确定：进行粗加工多参数(织构行间距d_d、超声辅助磨削粗加工深度a_ph、超声振幅A和粗加工进给速度v_uh)正交实验，确定各参数对磨削力F、残留深度h_rh和表面粗糙度S_a的映射关系及权重指数，根据加工效率为主的评价指标，确定合适的粗加工参数(粗加工进给速度v_uhc、粗加工切深a_phc和粗加工振幅A_hc等)；对于精加工织构实验及参数确定：进行精加工多参数(行重叠率R_d、超声辅助磨削精加工深度a_pl、超声振幅A和精加工进给速度v_ul)正交实验，本发明中光斑重叠率是针对单道织构，行重叠率是多道织构，相邻两道织构的重叠率；其中超声辅助磨削精加工深度a_pl由细表面织构703的残留高度h_rl＝d_dl/2×tan(90-θ)决定(其中，d_dl为细表面织构703的行间距、θ为细表面织构703的烧蚀槽型半角)；确定各参数对磨削力F和表面粗糙度S_a的映射关系及权重指数，根据加工质量为主的评价指标，确定合适的精加工参数(精加工进给速度v_ulc、精加工切深a_plc和精加工振幅A_lc等)。

如图6(a)、(b)所示为难加工材料激光烧蚀表面织构-超声辅助磨削粗/精加工示意图，根据粗加工参数先进行激光烧蚀粗表面织构702，移动工作台8至超声辅助磨削单元，进行超声辅助磨削粗加工；同理，根据精加工参数，精加工也按照这个工序进行加工，最终实现工件7的高质高效加工。

如图7所示为超声辅助磨削与表面织构相对位置示意图，在图7所示的粗加工和精加工过程中，可以根据粗加工的加工效率和精加工的加工质量，确定合适的砂轮与表面织构夹角α。

如图8(a)～(f)所示为激光烧蚀表面织构的织构形状，通过控制振镜模组4烧蚀材料产生表面织构，织构形状可以为圆形、椭圆形、三角形、多边形、V字形以及菱形等，其中织构可以为重叠的和不重叠的单道织构701两种方式。

本发明提供了一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，是将激光烧蚀表面织构的加工效率和超声辅助磨削的加工质量高度结合的一种新型高质高效低损伤加工方法，这种加工方法可以在保证加工质量的前提下，实现难加工材料的效率低成本精密加工。

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)

1.一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用夹具将待加工工件安装在工作台上面，定位并夹紧；

步骤二：开启激光器，基于不同的激光参数进行激光单道烧蚀实验，对不同的激光参数烧蚀后的工件上的单道织构进行检测分析，得到激光参数变化对烧蚀结构的影响规律，针对不同的加工要求选择合适的激光加工参数；

步骤三：基于步骤二不同的激光加工参数进行的激光单道烧蚀实验数据，针对粗/精加工微织构超声辅助磨削，选择不同的激光加工参数进行正交实验，建立粗/精加工参数与磨削力、表面粗糙度的映射关系，根据评价指标采用优化方法选择合适的粗/精加工参数；

步骤四：根据工件的实际加工余量，设计粗加工和精加工工序，依次进行激光烧蚀表面织构-超声辅助磨削粗/精加工；

步骤五：完成加工，将工件从工作台上卸掉。

2.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，所述不同的激光加工参数包括激光功率P、光斑重叠率R_p。

3.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，该方法基于如下装置进行加工，具体包括控制系统，多轴控制器，工件，工作台，激光烧蚀织构单元和超声辅助磨削单元，激光烧蚀织构单元包括激光器、激光控制器、激光传输装置以及振镜模组，超声辅助磨削单元包括砂轮、超声刀柄、机床主轴以及超声电源，所述控制系统分别与激光控制器、振镜模组、多轴控制器、机床主轴相连，所述多轴控制器与工作台相连，所述工件放置在工作台上，所述机床主轴的底端通过超声刀柄与砂轮相连，所述机床主轴的输入端与超声电源相连，所述激光控制器与激光器相连，所述激光器的输出端通过激光传输装置与振镜模组相连，之后，其发射的激光传输至工件表面。

4.根据权利要求3所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，所述激光器包括连续激光器、长脉冲激光器、短脉冲激光器和超短脉冲激光器；所述激光传输装置包括反射镜光路传输单元或光纤传输单元。

5.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，根据加工质量和加工效率为评价标准，由合适的烧蚀深度H_a、烧蚀宽度D_a和残留高度H_r选定包括激光功率P、光斑重叠率R_p的激光参数。

6.根据权利要求5所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，步骤三中，粗/精加工微织构超声辅助磨削及参数确定流程中，进行包括织构行间距d_d、行重叠率R_d、超声辅助磨削粗/精加工切深a_ph/a_pl、超声振幅A和粗/精加工进给速度v_uh/v_ul的多参数的正交实验，确定各参数对磨削力F、残留深度h_rh和表面粗糙度S_a的映射关系及权重指数，根据具体评价指标，确定合适的激光参数和超声辅助磨削参数。

7.根据权利要求6所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，步骤四中，粗加工和精加工工序具体为：

根据确定的粗加工参数先进行激光烧蚀粗表面织构，移动工作台至超声辅助磨削单元，进行超声辅助磨削粗加工；所述确定的粗加工参数包括粗加工进给速度v_uhc、粗加工切深a_phc和粗加工振幅A_hc；

在粗加工后，根据确定的精加工参数，进行激光烧蚀粗表面织构，移动工作台至超声辅助磨削单元，进行超声辅助磨削精加工；所述确定的精加工参数精加工进给速度v_ulc、精加工切深a_plc和精加工振幅A_lc。

8.根据权利要求1或7所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，步骤四中，粗加工和精加工工序过程中，砂轮与表面织构的夹角α范围为0°～90°，根据粗加工的加工效率和精加工的加工质量确定合适的夹角。

9.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，所述待加工工件的材料为难加工材料，包括高性能合金材料，陶瓷材料以及复合材料。

10.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，激光表面织构的形状，包括圆形、椭圆形、多边形、V字形。

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