CN115958287A - 一种激光辅助滚压改性工具系统及激光辅助滚压方法 - Google Patents

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CN115958287A CN202310044815.9A CN202310044815A CN115958287A CN 115958287 A CN115958287 A CN 115958287A CN 202310044815 A CN202310044815 A CN 202310044815A CN 115958287 A CN115958287 A CN 115958287A
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游开元
王伟
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Abstract

本发明公开了一种激光辅助滚压改性工具系统，包括具有材料体的激光辅助超精密滚压工具，以及激光器、激光控制系统和激光辅助超精密滚压刀架，激光器可输出连续或脉冲激光，并可实时调整激光器输出激光功率大小。激光辅助超精密滚压刀架与激光器通过光纤线缆连接，并将接收到的激光束传输至激光辅助超精密滚压工具的入射端。激光辅助超精密滚压工具对工件进行滚压，滚压过程中激光辅助超精密滚压工具的力信号及滚压区域工件温度被实时采集，并返回到激光控制系统并控制激光器输出额定功率激光束。本发明中的激光辅助超精密滚压工具可实现激光在线原位加热效果，精确控制激光热影响区域。

Description

一种激光辅助滚压改性工具系统及激光辅助滚压方法
技术领域
本发明属于表面改性处理、超精密加工制造技术领域，具体涉及一种激光辅助滚压改性工具系统及滚压方法。
背景技术
硬质合金、碳化硅陶瓷、微晶玻璃、硒化锌等多晶脆性材料近年来在光学工程、电子信息、通信遥感等领域取得了广泛的应用。由于脆性材料在机械加工时容易在材料表面残留裂纹等缺陷，对器件的超精密加工工艺方法提出了十分严峻的挑战。同时多晶材料在进行光学加工时，表面质量很大程度上会受到材料晶粒大小的影响，纳米尺度小晶粒工件的表面光洁度往往大幅优于微米尺度粗大晶粒工件的加工结果。虽然超精密磨削以及激光辅助超精密切削等方法可以有效提高多晶脆性材料的可加工性能及表面质量，但由于晶粒粗大带来的局部加工缺陷仍然会增加冗长的抛光工序时间和加工成本。因此在相同的加工条件下，工件表层晶粒细化成为了进一步稳定提升多晶脆性材料表面加工质量的关键。
表面滚压技术是一种应用广泛的材料表面晶粒细化处理方法，该方法主要利用特制滚压工具挤压工件表面，在给定预载力的条件下，通过伺服机构驱动滚压工具遍历工件，实现工件表层区域材料的晶粒细化，增强工件表层硬度并调控工件表面处于压应力状态，并且同时对于表面毛刺较多的工件还可实现光整效果。目前滚压技术常作为精密加工工件的后处理工序以提升工件机械性能。由于传统滚压方法滚压力较大，无法装载到超精密加工机床平台，并且超精密加工普遍要求达到纳米级光学表面质量，常规滚压后表面无法满足此要求，因此滚压技术较少应用于超精密加工场合。近年来，部分研究学者利用金刚石材料制作滚压工具，如专利CN202020290063所提供方案，通过精确控制滚压力大小研究了超精密滚压方法，并作为工件的前处理改性手段有效提升了软质金属材料的切削性能。遗憾的是，由于脆性材料普遍塑性较差，在常温条件下，滚压机械作用后工件表面及亚表面不可避免地会残留微观裂纹缺陷，无法达到理想改性效果。
近年来，激光辅助加工技术由于理想的加工效率、表面质量、以及刀具寿命，目前成为了难加工材料的主要加工方式之一，已结合传统车削、铣削、磨削等加工形式发展出了多种激光辅助加工方法。为满足器件超精密加工精度要求，出现了如CN202011549585.4所述方法在内的多种激光辅助超精密加工技术，并在脆性材料光学表面加工中得到了广泛应用。专利CN202011537346公布了一种用于减小零件回弹的激光辅助滚压成形方法、装置及系统，但该专利中激光和滚压工具完全分离，主要利用激光预先加热工件后再滚压成形，较大的热影响区域无法满足超精密加工应用需求，且该专利所提供方法主要应用于塑性较强的金属材料折弯成形加工，无法实现脆性材料的超精密表面改性处理。目前还未有研究人员针对激光辅助超精密滚压工艺方法、工具及装备展开研究。
综上所述，多晶脆性材料的光学表面加工质量受到材料晶粒度的严重制约影响，超精密滚压技术可以实现工件表层区域材料的局部改性，是实现材料表层晶粒细化的理想处理手段。然而受限于脆性材料机械性能，常规超精密滚压技术无法在脆性材料上取得理想的应用效果。激光辅助加工技术在提升脆性材料可加工性能方面展现了巨大的优势及应用潜力。现目前，亟需针对脆性材料开发新型、有效的激光辅助超精密滚压方法、工具及系统装置，以实现多晶脆性材料的表层晶粒细化改性处理。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种可实现脆性材料复杂面型工件的表面改性处理的激光辅助滚压改性工具、系统及激光辅助滚压方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种激光辅助滚压工具，包括滚压刀体及夹持基座，夹持基座与滚压刀体连接，夹持基座内部留有激光传输通道，材料压缩区域靠近滚压刀体与工件接触位置，滚压刀体界定靠近激光入射端为入射面，与工件作用表面为接触面，入射面可接收入射激光，并将激光传输导引至接触面，激光从接触面出射后辐照加热材料压缩区域，实现激光在线原位加热效果，界定激光辅助超精密滚压工具的滚压刀体的材料可为系统激光器出射激光波段下透光率大于50％的高透光率材料，高透光率材料由以下组成：金刚石、蓝宝石、硅、锗、晶体、玻璃复合物。
优选地，所述滚压刀体为球形或不规则多面体，其中滚压刀体为球形时，通过夹持基座夹持固定后，仅限制了平动自由度，可实现滚压工具与工件的滚动接触，此时接触区域材料呈现高压缩状态；滚压刀体为不规则多面体时，通过夹持基座夹持固定后，限制了平动及转动自由度，可实现滚压工具与工件的滑动面接触，此时接触区域材料呈现高压缩、高剪切叠加状态。
优选地，所述具有不规则多面体形状的滚压刀体包含：接触面、激光入射面、刀体底面、刀体侧面和刀体顶面。刀体与夹持基座可在刀体底面通过焊接方式固定，或通过刀具基座的机械机构夹紧刀体底面、刀体侧面和刀体顶面其中的一或多者，以实现刀体固定作用。与其中接触面应为最优曲率半径的球面，入射面可为平面或曲面，当入射面为平面时，仅引导激光入射，当入射面为曲面时，可实现进一步激光束聚焦或扩束效果，以实现预期激光调制功能。
特别地，滚压刀体接触面曲率半径Rtool可根据预设滚压压强P、滚压工具压入工件深度d及滚压力F计算得到，其关系为：
Figure BDA0004054837860000031
优选地，所述激光辅助滚压工具中出射激光光斑大小应完全覆盖激光辅助滚压工具接触面。特别地，当滚压刀体接触面为曲率半径Rtool的球形，且滚压工具压入工件深度为d时，激光光斑大小rlaser应满足：
Figure BDA0004054837860000032
优选地，所述滚压刀体与夹持基座之间为刚性连接或柔性连接，刚性连接时可选择性地通过夹持基座带动滚压刀体实现超声频率震动，从而利用超声冲击能量对工件表面进行高速撞击处理；柔性连接时，可通过滚压工具刀体与工具夹持基座之间的相对移动量，调整滚压加载力大小，实现滚压力过载保护。
本发明还公开了一种激光辅助滚压系统，包括具有材料体的激光辅助滚压工具，以及激光器、激光控制系统和激光辅助超精密滚压刀架，激光器可输出连续或脉冲激光，并可通过电压或电流参数值调整激光器输出激光功率大小；激光辅助超精密滚压刀架与激光器通过光纤线缆连接，并将接收到的激光束传输至激光辅助超精密滚压工具的入射端；激光辅助超精密滚压工具对工件进行滚压，滚压过程中激光辅助超精密滚压工具的力信号及滚压区域工件温度被实时采集，并返回到激光控制系统并控制激光器输出额定功率激光束。
优选地，所述激光控制系统可控制激光器输出恒定的功率值，也可匹配内部时钟实现激光器功率值的时变自定义输出，激光控制系统可基于ARM(Advanced RSICMachines)微处理器，或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)硬件开发而成；激光控制系统包含命令采集单元、信号处理单元和输出控制单元，命令采集单元可基于触控板、实体按键等硬件实现人机交互功能，实现激光器控制命令的输入采集，并通过函数或表格来灵活定义激光器输出功率随时间的变化关系，命令采集单元接收到输入命令后，利用信号处理单元基于激光器控制逻辑进行信号处理，并将处理后的信号输入至输出控制单元，经过内部升压板连接到激光器，通过激光器控制端口实现激光器的开关及功率控制；激光控制系统还包含内部软件架构，主要实现控制命令输入转换、信号调制输出功能，软件功能需搭配命令采集单元及控制单元硬件实现，基于命令采集单元所反馈信号指令，根据激光器预定义的电平时序控制逻辑，调用控制单元处理，将输入指令转换为相对应的数字信号，可直接实现激光器的开关功能；同时控制软件可调制输出数字信号大小，直接或通过数模信号转换器控制内部升压板输出电压大小，从而实现激光器输出功率大小的精确调整；软件可以控制激光器输出恒定激光功率，也可根据输出控制单元内部时钟信号或外部状态监测器件反馈信号，灵活调整升压板输出电压大小，从而实现激光器输出功率自定义控制功能，状态监测器件集成在激光辅助超精密滚压刀架中。
优选地，所述激光辅助超精密滚压刀架上安装有壳体、激光聚焦透镜、激光准直单元、光学调整台和状态监测器件，激光辅助超精密滚压刀架在壳体前端通过光纤线缆与激光器相连，接收激光器发射激光光束，利用壳体内部激光准直单元、激光聚焦透镜处理后输出聚焦激光束，根据光斑位置及系统焦距，利用光学调整台使得激光束从激光辅助超精密滚压工具刀体入射端指定位置入射，穿过刀体后辐照至工件与激光辅助超精密滚压工具刀体接触区域。
优选地，所述激光辅助超精密滚压刀架出射激光光斑直径可通过光线追迹仿真计算得到，也可通过系统准直聚焦单元光学参数计算得到：
Figure BDA0004054837860000041
rlaser＝Rf+L·tanθlaser
其中θlaser表示激光束发散角，λ为激光波长，高斯光束束腰半径Rf。在离焦距离L位置处可计算得到激光光斑离焦半径rlaser。
优选地，所述状态监测器件需搭配激光控制系统使用，状态监测器件可以在线采集、监测机床加工状态，并与激光控制系统内部时钟信号进行时序匹配，实现激光功率与加工状态的联合调整控制。
本发明还公开了一种基于激光辅助滚压改性工具系统的激光辅助滚压方法，包括以下步骤：
S1、激光通过准直聚焦处理后，从激光辅助超精密滚压工具指定位置入射；
S2、激光穿过透光性良好的激光辅助超精密滚压刀体后，从滚压刀体接触点位置出射；
S3、持续辐照加热滚压刀体与工件接触区域，实现滚压区域材料的在线加热及高温滚压改性处理。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的一种激光辅助滚压改性工具系统及激光辅助滚压方法，其中的激光辅助超精密滚压工具可实现激光在线原位加热效果，精确控制激光热影响区域，并可灵活调控滚压刀体施加的压缩、剪切、冲击状态。
2、本发明所述激光辅助超精密滚压系统可精准控制激光器功率变化，根据输入信号对激光器输出功率进行时变自定义控制，以提升激光改性效果的稳定性。
3、本发明所述激光辅助超精密滚压系统可以监测激光辅助超精密滚压过程状态变化，实时控制激光功率大小、补偿滚压路径，保证激光辅助滚压改性效果的均一性、一致性。
4、本发明所述激光辅助超精密滚压方法可以有效提升脆性材料可加工性能、降低滚压力，在避免表面/亚表面裂纹缺陷前提下，实现多晶材料晶粒细化改性处理及表面压应力状态调控。
5、本发明中的激光辅助超精密滚压系统具有以下优势：一方面，激光辅助超精密滚压系统刀架耦合激光光学系统，可实现滚压作用区域材料的激光在线原位加热，从而进一步提升滚压改性效果。另一方面，针对不同工件面型的滚压改性应用场景，激光辅助超精密滚压系统可通过状态监测器件采集滚压过程中温度、滚压力等信号，以指导激光功率大小实时调整、滚压路径原位补偿功能，提升滚压改性效果一致性，避免出现局部的激光过热烧蚀、滚压力过载及空载现象。
附图说明
图1是本发明一种激光辅助滚压改性工具系统中激光辅助超精密滚压工具的结构示意图；
图2是本发明一种不规则多面体的激光辅助超精密滚压工具的结构示意图；
图3是本发明一种激光辅助滚压改性工具系统的原理示意图；
图4是本发明激光控制系统自定义功率输出功率值示意图；
图5是本发明激光辅助超精密滚压刀架的原理示意图；
图6是本发明一种激光辅助滚压改性工具系统的滚压方法过程示意图；
图7是本发明激光辅助超精密滚压方法改性效果前后对比示意图。
附图标记说明：001、滚压刀体；002、夹持基座；003、激光器；004、激光控制系统；005、激光辅助超精密滚压刀架；006、工件；007、状态监测器件；008、微调旋钮；009、壳体；010、激光聚焦透镜；011、激光准直单元；012、光学调整台；013、光纤线缆；021、接触面；022、入射面；023、刀体底面；024、刀体侧面；025、刀体顶面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图7所示，本发明提供的一种激光辅助滚压工具，包括滚压刀体001及夹持基座002，夹持基座002与滚压刀体001连接，夹持基座002内部留有激光传输通道，材料压缩区域靠近滚压刀体001与工件接触位置，滚压刀体001界定靠近激光入射端为入射面022，与工件作用表面为接触面021，入射面022可接收入射激光，并将激光传输导引至接触面021，激光从接触面021出射后辐照加热材料压缩区域，实现激光在线原位加热效果，界定激光辅助超精密滚压工具的滚压刀体的材料可为激光器出射激光波段下透光率大于50％的高透光率材料，高透光率材料由以下组成：金刚石、蓝宝石、硅、锗、晶体、玻璃复合物。
滚压刀体001为球形或不规则多面体，其中滚压刀体001为球形时，通过夹持基座夹持固定后，仅限制了平动自由度，可实现滚压工具与工件的滚动接触，此时接触区域材料呈现高压缩状态。滚压刀体001为不规则多面体时，通过夹持基座夹持固定后，限制了平动及转动自由度，可实现滚压工具与工件的滑动面接触，此时接触区域材料呈现高压缩、高剪切叠加状态。
在本实施例中，滚压刀体001为不规则多面体，其结构如图2所示，刀体001在刀体底面023处通过焊膏经过高温焊接后与夹持基座002固定。在激光辅助滚压过程中，激光经过准直聚焦后由入射面022进入刀体001，并由接触面021出射，辐照加热滚压接触区域材料。其中预设滚压力1N，滚压刀体压入深度1μm，理想滚压压强为79.62Mpa，计算得到滚压刀体001的接触面021曲率半径应为1mm。
在本实施例中，从激光辅助滚压工具中出射激光光斑大小应完全覆盖激光辅助滚压工具接触面。特别地，当滚压刀体接触面为曲率半径Rtool的球形，且滚压工具压入工件深度为d时，激光光斑大小rlaser应满足：
Figure BDA0004054837860000061
滚压刀体001采用球形或不规则多面体根据实际使用需求进行选择，从而增加本发明的实用性。
滚压刀体001与夹持基座002之间为刚性连接或柔性连接，刚性连接时可选择性地通过夹持基座002带动滚压刀体001实现超声频率震动，从而利用超声冲击能量对工件表面进行高速撞击处理.柔性连接时，可通过滚压工具刀体001与工具夹持基座002之间的相对移动量，调整滚压加载力大小，实现滚压力过载保护。
在实际使用过程中，根据实际使用需要，滚压刀体001与夹持基座002选择为刚性连接或柔性连接，从而使得滚压刀体001能够满足实际需求。
在本实施例中，其中滚压刀体001由金刚石材料制成，通过研磨抛光处理为表面光滑的直径1mm球形。金刚石滚压刀体001由工具夹持基座002夹持固定，装配固定后金刚石滚压刀体001可以绕自身轴心发生转动。工具夹持基座002由线膨胀系数极小的殷钢材料制成，中心处留有0.8mm直径的通孔，以尽量避免激光束与夹持基座002发生干涉，消除热变形误差干扰。夹持基座002在中心轴向方向内嵌了弹簧阻尼柔性连接机构，提供滚压力过载保护功能。
本发明还公开了一种激光辅助滚压系统，包括具有材料体的激光辅助超精密滚压工具，以及激光器003、激光控制系统004和激光辅助超精密滚压刀架005，激光器003可输出连续或脉冲激光，并可通过电压或电流参数值调整激光器输出激光功率大小。激光辅助超精密滚压刀架005与激光器003通过光纤线缆013连接，并将接收到的激光束传输至激光辅助超精密滚压工具的入射端。激光辅助超精密滚压工具对工件006进行滚压，滚压过程中激光辅助超精密滚压工具的力信号及滚压区域工件温度被实时采集，并返回到激光控制系统004并控制激光器003输出额定功率激光束。
在本实施例中，具有材料体的激光辅助超精密滚压工具即就是激光辅助滚压工具。
激光控制系统004可控制激光器003输出恒定的功率值，也可匹配内部时钟实现激光器003功率值的时变自定义输出，激光控制系统004可基于ARM(Advanced RSICMachines)微处理器，或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)硬件开发而成。激光控制系统004包含命令采集单元、信号处理单元和输出控制单元，命令采集单元可基于触控板、实体按键等硬件实现人机交互功能，实现激光器控制命令的输入采集，并通过函数或表格来灵活定义激光器输出功率随时间的变化关系，命令采集单元接收到输入命令后，利用信号处理单元基于激光器控制逻辑进行信号处理，并将处理后的信号输入至输出控制单元，经过内部升压板连接到激光器，通过激光器控制端口实现激光器的开关及功率控制。激光控制系统004还包含内部软件架构，主要实现控制命令输入转换、信号调制输出功能，软件功能需搭配命令采集单元及控制单元硬件实现，基于命令采集单元所反馈信号指令，根据激光器预定义的电平时序控制逻辑，调用控制单元处理，将输入指令转换为相对应的数字信号，可直接实现激光器的开关功能。同时控制软件可调制输出数字信号大小，直接或通过数模信号转换器控制内部升压板输出电压大小，从而实现激光器输出功率大小的精确调整。软件可以控制激光器输出恒定激光功率，也可根据输出控制单元内部时钟信号或外部状态监测器件反馈信号，灵活调整升压板输出电压大小，从而实现激光器003输出功率自定义控制功能，状态监测器件集成在激光辅助超精密滚压刀架005中。
滚压过程中激光辅助超精密滚压工具的力信号及滚压区域的工件006的温度被实时采集，并返回到激光控制系统004，指导激光器003输出额定功率激光束。本实施例选择7英寸的液晶触控屏作为控制系统004的命令采集单元，实现了激光器003控制信号的灵活、准确输入。基于触控屏的显示及触控功能，开发了图形用户界面(Graphical UserInterface，GUI)，同时选用集成了高性能ARM架构和FPGA架构的赛灵思公司Zynq芯片作为控制单元的核心元件。控制单元利用复位信号实现了激光器003的开关功能，并通过AXI_GPIO接口控制数模转换模块及升压板。控制单元最终通过调制输出0-10V的模拟信号控制激光器003输出功率在0-100％范围内变化。控制单元利用全局时钟信号对电平进行逻辑的定义和调整，进而实现激光器功率的自定义控制。在本实施例激光控制系统004中，可通过GUI界面定义不同时间节点的功率值大小，时间节点间的激光功率将由控制单元自动线性插补得到。
基于本实施例激光器控制系统004，定义了300s时间内的7个激光器003输出阶段，最终激光器输出的功率值如图3所示，从左到右依次通过虚线划定为阶段1到阶段7。实验结果成功表明，利用实施例激光器控制系统可以实现激光器开关、功率线性上升/下降，非线性下降及恒定不变等多种输出状态控制。其中激光器003功率非线性下降输出在激光辅助超精密端面滚压中具有较大的应用价值，可以有效地避免螺旋加热过程中工件中心的激光灼烧缺陷。
如图4所示，激光辅助超精密滚压刀架005上安装有壳体009、激光聚焦透镜010、激光准直单元011、光学调整台012和状态监测器件007，激光辅助超精密滚压刀架在壳体前端通过光纤线缆013与激光器相连，接收激光器发射激光光束，利用壳体009内部的激光准直单元011、激光聚焦透镜010处理后输出聚焦激光束，根据光斑位置及系统焦距，利用光学调整台使得激光束从激光辅助超精密滚压工具刀体入射端指定位置入射，穿过刀体后辐照至工件与激光辅助超精密滚压工具刀体接触区域。
在本实施例中，激光辅助超精密滚压刀架出射激光光斑直径可通过光线追迹仿真计算得到，也可通过系统准直聚焦单元光学参数计算得到：
Figure BDA0004054837860000081
rlaser＝Rf+L·tanθlaser
其中θlaser表示激光束发散角，λ为激光波长，高斯光束束腰半径Rf。在离焦距离L位置处可计算得到激光光斑离焦半径rlaser。
状态监测器件007需搭配激光控制系统使用，状态监测器件007可以在线采集、监测机床加工状态，并与激光控制系统内部时钟信号进行时序匹配，实现激光功率与加工状态的联合调整控制。状态监测器件007基于温度传感器开发组成，通过实时测量激光辅助滚压工具与工件作用区域局部温度，指导激光控制系统输出信号，使得滚压作用区域材料温度恒定。
在实际使用过程中，状态监测器件007还可以基于运动控制卡(ProgrammableMulti－Axes Controller,PMAC)开发组成或基于力传感器开发组成，基于运动控制卡(Programmable Multi－Axes Controller,PMAC)开发组成的状态监测器件007通过读取运动控制卡信号，推算激光辅助超精密滚压工具相对于工件的运动速度大小及位置，指导激光控制系统输出，使得滚压作用区域材料温度恒定。基于力传感器开发组成的状态监测器件007，通过读取激光辅助滚压过程中滚压工具所承受力大小，一方面可以指导激光控制系统输出，另一方面可以指导机床滚压驱动路径补偿，使得作用区域滚压力恒定。
如图4所示，壳体009为刀架壳体，壳体009前端连接激光器003，通过光纤线缆013将激光束传输至内部激光准直单元011。调制后的准直激光穿过激光聚焦透镜010后，将在焦距120mm位置处汇聚为170μm直径大小的高斯激光光斑。根据光学系统焦距设计激光辅助超精密滚压工具及连接机构几何尺寸，使得激光辅助超精密滚压工具出射端恰好位于焦平面附近。同时为了灵活调整激光出射光斑与激光辅助超精密滚压工具的相对位置关系，以实现不同激光光斑大小及不同激光加热效果，在激光辅助超精密滚压刀架005中还提供了xyz三向的光学调整台012，可带动系统内准直及聚焦光学系统进行空间精确定位。针对不同的主轴高度及工件面形，激光辅助超精密滚压刀架005提供了y向高度的微调旋钮008，通过微调旋钮008可在83.5-91.5mm的范围内精确调整激光辅助滚压工具头中心高度。此外，为了实现滚压过程状态的在线监测，实施例中激光辅助超精密滚压刀架005集成了状态监测器件007，可同时实现滚压力信号与滚压区域温度的在线实时测量采集，采集到的信号可通过总线反馈至激光控制系统004的信号处理单元。具体来说，滚压力信号通过与激光辅助超精密滚压工具固定连接的压力传感器测量得到，实时捕捉滚压过程中xyz三向的高频力信号。而工件006滚压区域的材料温度则是通过红外测温传感器测得，其特殊之处在于，红外测温信号光路与激光器003发出的激光束同轴共路，穿过透明的金刚石滚压刀体，测得滚压表面30μm材料温度平均数值。
相较于传统滚压系统，本发明中的激光辅助超精密滚压系统具有以下优势：一方面，激光辅助超精密滚压系统刀架耦合激光光学系统，可实现滚压作用区域材料的激光在线原位加热，从而进一步提升滚压改性效果。另一方面，针对不同工件面型的滚压改性应用场景，激光辅助超精密滚压系统可通过状态监测器件采集滚压过程中温度、滚压力等信号，以指导激光功率大小实时调整、滚压路径原位补偿功能，提升滚压改性效果一致性，避免出现局部的激光过热烧蚀、滚压力过载及空载现象。利用系统集成的温度测量及滚压力测量反馈，实时调整控制激光器输出功率，保证滚压效果均匀性角度。
本发明还公开了一种激光辅助滚压改性工具系统的激光辅助滚压方法，包括以下步骤：
S1、激光通过准直聚焦处理后，从激光辅助超精密滚压工具指定位置入射。
S2、激光穿过透光性良好的激光辅助超精密滚压刀体001后，从滚压刀体接触点位置出射。
S3、持续辐照加热滚压刀体与工件接触区域，实现滚压区域材料的在线加热及原位改性处理。
本实施例中，激光辅助超精密滚压工具及激光辅助超精密滚压系统可实现激光辅助超精密滚压加工方法，该方法示意图如图5所示。本实施例中滚压改性处理的工件006的材料为无结合剂碳化钨，该材料由多晶碳化钨晶粒烧结而成，晶粒平均特征尺寸为200nm。滚压处理时碳化钨工件固定在超精密机床主轴上并随主轴旋转，利用机床导轨驱动滚压工具头001遍历工件端面，实现工件表层改性处理。设定工件006的表面垂直方向为Z向，激光辅助滚压头中心高度方向为y向。为了保持滚压头相对工件表面轮廓的恒定Z向进给量，滚压前先调整y向高度微调旋钮008使得激光辅助滚压头中心高度与工件中心高度一致，再通过传统对刀方式确定滚压工具在机床坐标系下的空间坐标位置。当滚压工具与工件表面贴近时，沿着z向缓慢进刀，记录滚压法向力信号变化。固定z向进给量使得滚压法向力为10N，并输出激光功率10W，驱动滚压头以恒定转速便历工件端面，记录滚压过程中滚压力信号，并根据滚压力信号波动补偿滚压路径。利用补偿后滚压路径，可以尽量保持滚压法向力恒定。另一方面，在滚压过程中，利用红外测温仪透过金刚石滚压工具测量滚压表面30μm材料温度的平均数值，如测量温度与设定温度偏差量>1％，则实时控制激光器输出功率变化，以实现滚压区域激光加热温度的恒定控制。利用激光在线加热辅助滚压方案对无结合剂多晶碳化钨材料进行表面处理改性后，多晶材料的亚表面晶粒完整性演化如图6所示。激光在线加热条件下，晶粒强度被大幅削弱，使得晶粒内部更易发生位错激发、层错等塑性微观变形，使得材料表层大尺寸晶粒在滚压力作用后发生晶粒破碎，形成表面纳米晶粒细化层。同时工件表面也在滚压工具挤压下被调控为压应力状态，有助于抑制后续加工过程中裂纹等缺陷的产生。
本发明还公开了一种激光辅助滚压改性工具系统的滚压方法，利用激光在线原位加热方式可有效提升工件材料塑性，强化滚压过程中晶体内部位错激发密度，旨在不引入表面/亚表面微观裂纹的条件下，细化表层晶粒，调控工件表层压应力状态。
本发明公开的激光辅助滚压改性工具系统的滚压方法，使激光通过准直聚焦处理后，从激光辅助超精密滚压工具指定位置入射，穿过透光性良好的激光辅助超精密滚压工具刀体后，从滚压刀体接触点位置出射，持续辐照加热滚压刀体与工件接触区域，实现滚压区域材料的在线加热及原位改性处理。
本发明的方法与传统滚压加工方法不同之处在于，激光辅助超精密滚压方法利用激光在线加热方式改性滚压区域材料，有效提高了滚压区域材料塑性及流动特性，强化了滚压过程中材料的晶粒细化及表层组织相变。针对脆性材料，可以有效地避免在滚压机械力作用下，材料表面及亚表面易萌生的裂纹缺陷。本发明的方法与现有激光辅助超精密切削加工方式的不同之处在于，激光辅助超精密滚压方法不属于减材加工范畴，本发明的方法旨在实现工作材料的表层改性处理，以提升材料的可加工性能，主要用作减材加工工艺前处理手段使用。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光辅助滚压工具，其特征在于：包括滚压刀体(001)及夹持基座(002)，夹持基座(002)与滚压刀体(001)连接，夹持基座(002)内部留有激光传输通道，材料压缩区域靠近滚压刀体(001)与工件(006)接触位置，滚压刀体(001)界定靠近激光入射端为入射面，与工件(006)作用表面为接触面，入射面可接收入射激光，并将激光传输导引至接触面，激光从接触面出射后辐照加热材料压缩区域，实现激光在线原位加热效果，界定激光辅助超精密滚压工具的滚压刀体(001)的材料可为系统激光器出射激光波段下透光率大于50％的高透光率材料，高透光率材料由以下组成：金刚石、蓝宝石、硅、锗、晶体、玻璃复合物。
2.根据权利要求1所述的一种激光辅助滚压工具，其特征在于：所述滚压刀体(001)为球形或不规则多面体，其中滚压刀体(001)为球形时，通过夹持基座(002)夹持固定后，仅限制了平动自由度，可实现滚压工具与工件(006)的滚动接触，此时接触区域材料呈现高压缩状态；滚压刀体(001)为不规则多面体时，通过夹持基座(002)夹持固定后，限制了平动及转动自由度，可实现滚压工具与工件(006)的滑动面接触，滚压刀体(001)接触面可以为曲面或平面，此时接触区域材料呈现高压缩、高剪切叠加状态。
3.根据权利要求1所述的一种激光辅助滚压工具，其特征在于：所述滚压刀体(001)与夹持基座(002)之间为刚性连接或柔性连接，刚性连接时可选择性地通过夹持基座(002)带动滚压刀体(001)实现超声频率震动，从而利用超声冲击能量对工件(006)表面进行高速撞击处理；柔性连接时，可通过滚压工具刀体与工具夹持基座(002)之间的相对移动量，调整滚压加载力大小，实现滚压力过载保护。
4.一种激光辅助滚压系统，其特征在于：包括具有材料体的激光辅助滚压工具，以及激光器(003)、激光控制系统(004)和激光辅助超精密滚压刀架(005)，激光器(003)可输出连续或脉冲激光，并可通过电压或电流参数值调整激光器(003)输出激光功率大小；激光辅助超精密滚压刀架(005)与激光器(003)通过光纤线缆(013)连接，并将接收到的激光束传输至激光辅助超精密滚压工具的入射端；激光辅助超精密滚压工具对工件(006)进行滚压，滚压过程中激光辅助超精密滚压工具的力信号及滚压区域工件(006)温度被实时采集，并返回到激光控制系统(004)并控制激光器(003)输出额定功率激光束。
5.根据权利要求4所述的一种激光辅助滚压系统，其特征在于：所述激光控制系统(004)可控制激光器(003)输出恒定的功率值，也可匹配内部时钟实现激光器(003)功率值的时变自定义输出，激光控制系统(004)可基于ARM(Advanced RSIC Machines)微处理器，或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)硬件开发而成；激光控制系统(004)包含命令采集单元、信号处理单元和输出控制单元，命令采集单元可基于触控板、实体按键等硬件实现人机交互功能，实现激光器(003)控制命令的输入采集，并通过函数或表格来灵活定义激光器(003)输出功率随时间的变化关系，命令采集单元接收到输入命令后，利用信号处理单元基于激光器(003)控制逻辑进行信号处理，并将处理后的信号输入至输出控制单元，经过内部升压板连接到激光器(003)，通过激光器(003)控制端口实现激光器(003)的开关及功率控制；激光控制系统(004)还包含内部软件架构，主要实现控制命令输入转换、信号调制输出功能，软件功能需搭配命令采集单元及控制单元硬件实现，基于命令采集单元所反馈信号指令，根据激光器(003)预定义的电平时序控制逻辑，调用控制单元处理，将输入指令转换为相对应的数字信号，可直接实现激光器(003)的开关功能；同时控制软件可调制输出数字信号大小，直接或通过数模信号转换器控制内部升压板输出电压大小，从而实现激光器(003)输出功率大小的精确调整；软件可以控制激光器(003)输出恒定激光功率，也可根据输出控制单元内部时钟信号或外部状态监测器件(007)反馈信号，灵活调整升压板输出电压大小，从而实现激光器(003)输出功率自定义控制功能，状态监测器件(007)集成在激光辅助超精密滚压刀架(005)中。
6.根据权利要求4所述的一种激光辅助滚压系统，其特征在于：所述激光辅助超精密滚压刀架(005)上安装有壳体(009)、激光聚焦透镜(010)、激光准直单元(011)、光学调整台(012)和状态监测器件(007)，激光辅助超精密滚压刀架(005)在壳体(009)前端通过光纤线缆(013)与激光器(003)相连，接收激光器(003)发射激光光束，利用壳体(009)内部激光准直单元(011)、激光聚焦透镜(010)处理后输出聚焦激光束，根据光斑位置及系统焦距，利用光学调整台(012)使得激光束从激光辅助超精密滚压工具刀体入射端指定位置入射，穿过刀体后辐照至工件(006)与激光辅助超精密滚压工具刀体接触区域。
7.根据权利要求1所述的一种激光辅助滚压系统，其特征在于：所述状态监测器件(007)需搭配激光控制系统(004)使用，状态监测器件(007)可以在线采集、监测机床加工状态，并与激光控制系统(004)内部时钟信号进行时序匹配，实现激光功率与加工状态的联合调整控制。
8.一种基于激光辅助滚压改性工具系统的激光辅助滚压方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、激光通过准直聚焦处理后，从激光辅助超精密滚压工具指定位置入射；
S2、激光穿过透光性良好的激光辅助超精密滚压刀体(001)后，从滚压刀体(001)接触点位置出射；
S3、持续辐照加热滚压刀体(001)与工件(006)接触区域，实现滚压区域材料的在线加热及高温滚压改性处理。
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