一种激光辅助铣磨加工装置及方法发明专利

专利名称：一种激光辅助铣磨加工装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210369845.2

专利申请（专利权）人：大连理工大学
权利人地址：辽宁省大连市高新园区凌工路2号

专利发明（设计）人：康仁科,鲍岩,马红滨,杨峰,董志刚

专利摘要：本发明提供一种激光辅助铣磨加工装置及方法。本发明包括铣磨加工装置和集成在加工主轴外侧的激光辅助系统，所述铣磨加工装置的主轴上设置有转动连接在其上的光纤卷环单元，所述激光辅助系统连接在光纤卷环单元上，所述光纤卷环单元内置有光纤，所述光纤卷环单元能够绕主轴360°的旋转角度，所述激光辅助系统用于输出激光光斑，对铣磨加工装置进行机械加工前的进给方向上的被加工材料进行烧蚀或软化。本发明能够实现在水平方向的激光辅助加工和铣削或者磨削加工的同步进行，解决传统的单方向进给加工的局限性问题，并且针对激光束辐照的不均匀性提出了解决方法。

主权利要求：
1.一种激光辅助铣磨加工装置，其特征在于，包括铣磨加工装置和集成在加工主轴外侧的激光辅助系统，所述铣磨加工装置的主轴上设置有转动连接在其上的光纤卷环单元，所述光纤卷环单元由光纤卷环定子、光纤卷环转子、限位滑块、卷环、固定隔板组成，具体地，光纤卷环定子内部有一固定隔板，在固定隔板下方放置有卷环，所述卷环一端固定于光纤卷环定子外侧，一端固定于光纤卷环转子外侧并延伸至光纤卷环转子的最下方，光纤卷环转子位于光纤卷环定子上方内部，所述限位滑块位于光纤卷环转子的上部滑槽内；
所述激光辅助系统连接在光纤卷环单元上，所述光纤卷环单元内置有光纤，所述光纤卷环单元能够绕主轴360°的旋转，所述激光辅助系统用于输出激光光斑，对铣磨加工装置进行机械加工前的进给方向上的被加工材料进行预设的激光处理；
光纤卷环单元外围从上到下分别放置有平面滚针轴承、从动齿轮、激光头保持架，最下方通过固定环连接固定于光纤卷环转子，所述的激光头保持架外端设有滑槽，滑块垫片在滑槽内移动，通过激光头固定环外侧的螺柱、滑块垫片与蝶形螺母圆翼对激光辅助系统的激光头进行定位夹紧；所述激光头能够基于激光头保持架进行预设位置和角度的调节；
激光辅助机械加工包括激光和铣磨同步复合加工和异步辅助加工，同步复合加工时激光烧蚀会改变被加工材料的物理化学性质，异步激光先通过激光烧蚀在材料表面加工出不同形状的微结构，再进行机械铣磨加工。
2.根据权利要求1所述的激光辅助铣磨加工装置，其特征在于，所述激光辅助铣磨加工装置通过固定架可拆卸地连接在机床上。
3.根据权利要求1所述的激光辅助铣磨加工装置，其特征在于，所述铣磨加工装置包括机床主轴和与其相连的铣磨装置，所述光纤卷环单元的转动装置包括旋转电机和主动齿轮、从动齿轮，所述从动齿轮设置在光纤卷环单元的主体部上，所述机床主轴和旋转电机均设置在固定架上；
主动齿轮直接连接于旋转电机输出轴上，输出轴上有径向通孔，通过紧定螺丝将主动齿轮固定。
4.根据权利要求1所述的激光辅助铣磨加工装置，其特征在于，所述机床主轴的输出端设有刀柄，刀柄与可更换的铣磨装置相连，所述铣磨装置包括砂轮和铣刀，实现不同工况下的激光辅助铣削和磨削加工。
5.根据权利要求4所述的激光辅助铣磨加工装置，其特征在于，所述刀柄为超声刀柄，实现激光辅助超声铣磨加工。
6.根据权利要求1所述的激光辅助铣磨加工装置，其特征在于，激光头输出为连续激光或脉冲激光，脉冲激光的脉冲范围为50ps‑1ms，其光斑形状通过光学系统控制。
7.一种权利要求1～6任一项激光辅助铣磨加工装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将工件通过夹具固定在工作台上，将激光辅助铣磨加工装置固定于数控机床上，调节铣磨装置相对于工件的位置关系，进行对刀；
步骤2、调整激光头在激光头保持架槽内的位置以及角度，然后通过蝶形螺母圆翼拧紧，再调节激光的能量以及光斑大小形状，使其聚焦在待加工工件的表面；
步骤3、开启主轴电源，带动铣磨装置进行高速旋转，选择已规划的加工轨迹；
步骤4、铣磨装置按照规划的加工轨迹运动，而其外侧的激光头通过旋转电机控制，保证激光头输出的光斑始终位于进给方向上砂轮或铣刀前方的一定距离处，实现激光辅助机械加工；
步骤5、加工结束后，关闭激光器，移动机床进行退刀，关闭机床，取下被加工零件。 说明书 : 一种激光辅助铣磨加工装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及特种加工领域，尤其涉及一种激光辅助铣磨加工装置及方法。背景技术[0002] 随着航空航天、电子、医疗等领域的迅速发展，难加工材料如陶瓷、高温合金、陶瓷基复合材料等因其高硬度、高强度、耐磨损等优异的机械性能，得到了广泛应用。难加工材料的加工一般分为传统切削加工和特种加工，传统加工方式包括铣削和磨削，但其加工效率低且刀具极易磨损，机械加工成本极高。激光辅助加工技术被认为是加工难加工材料的有效方法。激光辅助加工时，高功率激光束聚焦在刀具前的工件表面，造成工件局部温度升高，使得工件材料软化或改性，从而提高工件材料的可加工性能，同时激光束也能去除一部分材料。因此可采用激光辅助传统机械加工的方式，来达到降低切削阻力，减小刀具磨损，减小切削振动等效果，从而实现提高加工效率、降低成本、提高加工表面质量的目的，为难加工材料的切削加工提供有效方法。[0003] 但是现有的激光辅助加工装置大多是将激光头和加工刀具分开放置，在刀具切削至待加工区域之前，用激光辐射对工件材料进行局部加热和软化，然后再进行切削加工，这使得现有的激光辅助加工设备非常复杂，体积较大，不便于系统化集成。也有一些设备将激光头和加工刀具集成在一块，但是只能沿着一个固定角度进行加工，加工范围十分受限并且加工效率也很低。另外，激光束能量呈高斯分布，其辐照到材料表面的温度也是呈高斯分布的，应用于加工中容易导致热软化或烧蚀不均匀现象。激光束中间部分的温度高，材料软化程度高，而在激光束边缘部分的温度低，材料软化程度低，从而会影响工件的加工质量。发明内容[0004] 针对以上问题，本发明提供一种激光辅助铣磨加工装置及方法，能够实现在水平方向的激光辅助加工和铣削或者磨削加工的同步进行，解决了传统的单方向进给加工的局限性，并且针对激光束辐照的不均匀性提出了解决方法。[0005] 本发明采用的技术手段如下：[0006] 一种激光辅助铣磨加工装置，包括铣磨加工装置和集成在加工主轴外侧的激光辅助系统，所述铣磨加工装置的主轴上设置有转动连接在其上的光纤卷环单元，所述激光辅助系统连接在光纤卷环单元上，所述光纤卷环单元内置有光纤，所述光纤卷环单元能够绕主轴360°的旋转，所述激光辅助系统用于输出激光光斑，对铣磨加工装置进行机械加工前的进给方向上的被加工材料进行预设的激光处理。[0007] 进一步地，所述激光辅助铣磨加工装置通过固定架可拆卸地连接在机床上。[0008] 进一步地，所述铣磨加工装置包括机床主轴和与其相连的铣磨装置，所述光纤卷环单元的转动装置包括旋转电机和主动齿轮、从动齿轮，所述从动齿轮设置在光纤卷环单元的主体部上，所述机床主轴和旋转电机均设置在固定架上；[0009] 主动齿轮直接连接于旋转电机输出轴上，输出轴上有径向通孔，通过紧定螺丝将主动齿轮固定。[0010] 进一步地，所述机床主轴的输出端设有刀柄，刀柄与可更换的铣磨装置相连，所述铣磨装置包括砂轮和铣刀，实现不同工况下的激光辅助铣削和磨削加工。[0011] 进一步地，所述刀柄为超声刀柄，实现激光辅助超声铣磨加工。[0012] 进一步地，光纤卷环单元外围从上到下分别放置有平面滚针轴承、从动齿轮、激光头保持架，最下方通过固定环连接固定于光纤卷环转子，所述的激光头保持架外端设有滑槽，滑块垫片在滑槽内移动，通过激光头固定环外侧的螺柱、滑块垫片与蝶形螺母圆翼对激光辅助系统的激光头进行定位夹紧，所述激光头能够基于激光头保持架进行预设位置和角度的调节。[0013] 进一步地，所述光纤卷环单元由光纤卷环定子、光纤卷环转子、限位滑块、卷环、固定隔板组成，具体地，光纤卷环定子内部有一固定隔板，在固定隔板下方放置有卷环，所述卷环一端固定于光纤卷环定子外侧，一端固定于光纤卷环转子外侧并延伸至光纤卷环转子的最下方，光纤卷环转子位于光纤卷环定子上方内部，所述限位滑块位于光纤卷环转子的上部滑槽内。[0014] 进一步地，激光头输出为连续激光或脉冲激光，脉冲激光的脉冲范围为50ps‑1ms，其光斑形状通过光学系统控制。[0015] 本发明还公开了一种激光辅助铣磨加工方法，包括如下步骤：[0016] 步骤1、将工件通过夹具固定在工作台上，将激光辅助铣磨加工装置固定于数控机床上，调节铣磨装置相对于工件的位置关系，进行对刀；[0017] 步骤2、调整激光头在激光头保持架槽内的位置以及角度，然后通过蝶形螺母圆翼拧紧，再调节激光的能量以及光斑大小形状，使其聚焦在待加工工件的表面；[0018] 步骤3、开启主轴电源，带动铣磨装置进行高速旋转，选择已规划的加工轨迹；[0019] 步骤4、铣磨装置按照规划的加工轨迹运动，而其外侧的激光头通过旋转电机控制，保证激光头输出的光斑始终位于进给方向上砂轮或铣刀前方的一定距离处，实现激光辅助机械加工；[0020] 步骤5、加工结束后，关闭激光器，移动机床进行退刀，关闭机床，取下被加工零件。[0021] 进一步地，所述步骤4中，激光辅助机械加工包括激光和铣磨同步复合加工和异步辅助加工，同步复合加工时激光烧蚀会改变被加工材料的物理化学性质，异步激光先通过激光烧蚀在材料表面加工出不同形状的微结构，再进行机械铣磨加工。[0022] 本发明具有以下优点：[0023] 1、本发明将激光头集成在加工主轴外侧，通过设置可移动的限位滑块保证光纤卷环单元的安全与可靠，且能够满足绕主轴360°的旋转角度，保证在水平面内主轴砂轮或铣刀进行机械加工前，激光头在其进给方向对被加工材料进行烧蚀或软化，集成度很高并且提高了加工效率；[0024] 2、本发明通过设置卷环来实现旋转运动，满足二维平面内加工的要求，它依靠光纤的柔性特点，保证反方向旋转时，可以实现间隙的均匀分布，不会出现缠绕、折断等现象，保证光纤线路的安全可靠；[0025] 3、本发明通过调整激光头固定环的位置，进而控制激光头输出激光光斑相对于砂轮或铣刀的空间位置，实现近端/远端前进方向两者的距离、烧蚀或改性激光离焦量的辅助加工方式；[0026] 4、本发明通过光学系统控制，使得激光束能量均布，激光头可以输出不同的光斑形状及能量密度，实现不同砂轮或铣刀形状、不同加工结构及不同工序粗加工/精加工的加工需求，可以改善加工质量、提高加工效率和自动化水平；附图说明[0027] 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。[0028] 图1为本发明结构示意图；[0029] 图2为本发明另一角度结构示意图；[0030] 图3是本发明外部零件装配结构示意图；[0031] 图4是本发明光纤卷环单元的结构示意图；[0032] 图5是本发明的光纤卷环定子内部结构示意图；[0033] 图6是本发明激光头定位夹紧结构示意图；[0034] 图7是本发明激光头输出不同形状的光斑图；[0035] 图8(a)、(b)分别是本发明激光头输出矩形光斑和月牙形光斑辅助铣磨示意图；[0036] 图中：1‑机床主轴，2‑旋转电机，3‑固定螺栓，4‑固定架，5‑激光头保持架，6‑砂轮，7‑从动齿轮，8‑平面滚针轴承，9‑光纤卷环单元，10‑光纤，11‑激光头，12‑紧定螺丝，13‑主动齿轮，14‑固定环，15‑外圈螺栓，16‑内圈螺栓，17‑激光头固定环，18‑蝶形螺母圆翼，19‑滑块垫片，91‑光纤卷环定子，92‑光纤卷环转子，93‑限位滑块，94‑卷环，95‑固定隔板。具体实施方式[0037] 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。[0038] 本发明实施例公开了一种激光辅助铣磨加工装置，包括铣磨加工装置和集成在加工主轴外侧的激光辅助系统，所述铣磨加工装置的主轴上设置有转动连接在其上的光纤卷环单元9，所述激光辅助系统连接在光纤卷环单元上，所述光纤卷环单元内置有光纤10，所述光纤卷环单元能够绕主轴360°的旋转，满足激光头11绕主轴旋转一周的要求。所述激光辅助系统用于输出激光光斑，对铣磨加工装置进行机械加工前的进给方向上的被加工材料进行烧蚀或软化。[0039] 光纤卷环单元9通过固定螺栓3固定于固定架4的下方，光纤卷环单元9外围从上到下分别放置有平面滚针轴承8、从动齿轮7、激光头保持架5，最下方通过固定环14连接固定于光纤卷环转子92，所述的激光头保持架5外端设有滑槽，滑块垫片19在滑槽内移动，通过激光头固定环17外侧的螺柱、滑块垫片19与蝶形螺母圆翼18对激光辅助系统的激光头11进行定位夹紧，所述的激光头11安装固定于激光头固定环17。激光头保持架5其外端的两侧滑槽中间设有通槽，用于激光头固定环17两侧的螺柱移动，并且激光头固定环17可以绕螺柱进行转动，两侧滑块垫片19可以在滑槽内限位移动，蝶形螺母圆翼18通过夹紧激光头固定环17来固定好激光头11。[0040] 所述激光辅助铣磨加工装置通过固定架4可拆卸地连接在机床上，固定架4是整个装置的转接零件，具体地，固定架4可通过固定螺栓3安装于机床Z轴转接板上。所述铣磨加工装置包括机床主轴1和与其相连的铣磨装置，所述光纤卷环单元9的转动装置包括旋转电机2和主动齿轮、从动齿轮，所述从动齿轮设置在光纤卷环单元的主体部上，所述的主动齿轮13安装于旋转电机2的输出轴上，保证主动齿轮13和从动齿轮7位于同一水平面上。所述机床主轴1和旋转电机2均设置在固定架上；主动齿轮13直接连接于旋转电机2输出轴上，输出轴上有径向通孔，通过紧定螺丝12将主动齿轮固定，既能保证旋转运动和扭矩的传递，也能保证主动齿轮13在竖直方向的定位，实现与从动齿轮7的啮合。从动齿轮7上面的平面滚针轴承8能够保证激光头11在水平面内旋转运动的精度，使结构更加紧凑。主动齿轮13经过一定的减速比将动力传至从动齿轮7，从而精准控制激光头11输出的激光束始终位于砂轮6进给前端，且保持一定的距离，实现激光辅助加工和铣磨加工同步进行。[0041] 所述机床主轴1的输出端设有刀柄，刀柄与可更换的铣磨装置相连，本实施例中，所述铣磨装置包括砂轮6和铣刀，机床主轴1通过刀柄带动砂轮6或铣刀作回转运动。实现不同工况下的激光辅助铣削和磨削加工。[0042] 作为优选的实施方式，所述刀柄还可为超声刀柄，实现激光辅助超声铣磨加工。[0043] 所述固定环14有两组不同定位尺寸的通孔，用于放置外圈螺栓15、内圈螺栓16，其中外圈螺栓15通过激光头保持架5的通孔与从动齿轮7进行螺纹连接固定，保证从动齿轮7和激光头保持架5的同步运动，内圈螺栓16与光纤卷环转子92进行螺纹连接，将平面滚针轴承8、从动齿轮7、激光头保持架5夹紧固定于光纤卷环转子92外侧。[0044] 所述光纤卷环单元由光纤卷环定子91、光纤卷环转子92、限位滑块93、卷环94、固定隔板95组成，具体地，光纤卷环定子91内部有一固定隔板95，在固定隔板95下方放置有卷环94，所述卷环94一端固定于光纤卷环定子91外侧，一端固定于光纤卷环转子92外侧并延伸至光纤卷环转子92的最下方，光纤卷环转子92位于光纤卷环定子91上方内部，所述限位滑块93位于光纤卷环转子92的上部滑槽内，与光纤卷环定子91的固定限位块处于同一水平面内。[0045] 本实施例中，卷环94内置有光纤10，且每一圈之间都留有足够的空隙，光纤卷环转子92转动时，其各圈间隙会相应减少，往中轴线收紧，当光纤卷环转子92转到最大位置时，保证其间隙仍有部分余量。当光纤卷环转子92反方向旋转时，依靠光纤的柔性特点，可以实现间隙的均匀分布，不会产生缠绕、折断的现象，从而保证光纤10安全可靠的旋转传输光束。[0046] 光纤卷环转子92上部外圈开有环形通槽，用于光纤卷环定子91内部的固定限位块和限位滑块93的活动，限位滑块93可以沿着曲面滑槽作一段距离的位移，其内部的环形结构可以保证在曲面滑槽内的良好限位，外部的椭圆形结构位于光纤卷环转子92的环形通槽内，与光纤卷环定子91内部的固定限位块组成整个光纤卷环单元9的旋转限位结构，既满足激光头旋转一周的基本要求，又能避免因旋转角度过大导致卷环断裂。[0047] 激光头11输出为连续激光或脉冲激光，脉冲激光的脉冲范围为50ps‑1ms，波长为290‑1064nm，其光斑形状通过光学系统控制。使能量均布输出，如圆形、矩形、月牙形、扇形、圆环形等形状。通过控制激光能量或光斑形状，实现激光烧蚀辅助或激光软化辅助作用，从而实现高性能合金钛合金、钨合金等、硬脆材料光学玻璃、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难加工材料的高质高效加工。[0048] 本发明还公开一种激光辅助铣磨加工方法，包括如下步骤：[0049] 步骤1、将工件通过夹具固定在工作台上，将激光辅助铣磨加工装置固定于数控机床上，调节铣磨装置相对于工件的位置关系，进行对刀；[0050] 步骤2、调整激光头在激光头保持架槽内的位置以及角度，然后通过蝶形螺母圆翼拧紧，再调节激光的能量以及光斑大小形状，使其聚焦在待加工工件的表面；[0051] 步骤3、开启主轴电源，带动铣磨装置进行高速旋转，选择已规划的加工轨迹；[0052] 步骤4、铣磨装置按照规划的加工轨迹运动，而其外侧的激光头通过旋转电机控制，保证激光头输出的光斑始终位于进给方向上砂轮或铣刀前方的一定距离处，实现激光辅助机械加工；[0053] 步骤5、加工结束后，关闭激光器，移动机床进行退刀，关闭机床，取下被加工零件。[0054] 所述步骤4中，激光辅助机械加工包括激光和铣磨同步复合加工和异步辅助加工，同步复合加工时激光烧蚀会改变被加工材料的物理化学性质，铣磨质量好，加工效率高；异步激光先通过激光烧蚀在材料表面加工出不同形状的微结构，再进行机械铣磨加工，有效降低切削力和提高效率。[0055] 实施例1[0056] 如附图1和2所示，固定架4是整个装置的转接零件，整个装置可通过固定架4的固定螺栓孔安装于加工平面零件的机床中。机床主轴1和旋转电机2限位固定于固定架4上方，其中，机床主轴1通过刀柄带动砂轮6或铣刀作回转运动。所述的光纤卷环单元9通过固定螺栓3固定于固定架4的下方，在光纤卷环单元9外围从上到下分别放置有平面滚针轴承8、从动齿轮7、激光头保持架5，最下方通过固定环14连接固定于光纤卷环转子92。主动齿轮13安装于旋转电机2的输出轴上，保证主动齿轮13和从动齿轮7位于同一水平面上。激光头保持架5外端设有滑槽，滑块垫片19在滑槽内移动，通过激光头固定环17外侧的螺柱、滑块垫片19与蝶形螺母圆翼18对激光头11进行定位夹紧。激光头11安装固定于激光头固定环17上。[0057] 如图3所示，在光纤卷环单元9外围从上到下分别放置有平面滚针轴承8、从动齿轮7、激光头保持架5，最下方通过固定环14连接固定于光纤卷环转子92，固定环14有两组不同定位尺寸的通孔，用于放置外圈螺栓15、内圈螺栓16，其中外圈螺栓15通过激光头保持架5的通孔与从动齿轮7进行螺纹连接固定，保证从动齿轮7和激光头保持架5的同步旋转运动，内圈螺栓16与光纤卷环转子92进行螺纹连接，进而把上述零件固定到光纤卷环转子92上。光纤卷环单元9的上方设有内部光纤的引出线，通过固定架4的孔，连接到加工主轴外侧的激光辅助系统。[0058] 如图4所示，光纤卷环转子92上部外圈开有环形通槽，用于光纤卷环定子91内部的固定限位块的活动，限位滑块93也位于环形通槽内，可以沿着曲面滑槽作一段距离的位移，其内部的环形结构可以保证在曲面滑槽内的良好限位，外部的椭圆形结构位于光纤卷环转子92的环形通槽内，与光纤卷环定子91内部的固定限位块组成整个光纤卷环单元9的旋转限位结构，保证至少360°的旋转角度。[0059] 如图5所示，卷环94位于光纤卷环定子91底部与固定隔板95中间的可活动空间内，其内置有光纤10，且每一圈之间都留有足够的空隙，光纤卷环转子92转动时，其各圈间隙会相应减少，往中轴线收紧，当光纤卷环转子92转到最大位置时，保证其间隙仍有部分余量。当光纤卷环转子92反方向旋转时，依靠光纤的柔性特点，可以实现间隙的均匀分布，不会产生缠线、断线的现象，保证光纤10安全可靠的旋转传输光束。[0060] 如图6所示，激光头保持架5外端的两侧滑槽中间设有通槽，用于激光头固定环17两侧的螺柱移动，并且激光头固定环17可以绕螺柱进行转动，两侧滑块垫片19可以在滑槽内限位移动，蝶形螺母圆翼18通过夹紧激光头固定环17来固定好激光头11。[0061] 如图7、8所示，激光头11能够均布输出如圆形、矩形、月牙形、扇形、圆环形等形状，通过控制激光能量或光斑形状，实现最优的激光烧蚀辅助或激光软化辅助作用。[0062] 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。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2022-04-08

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114850876B