[發明專利]一種激光誘導氧化輔助微細車削加工裝置及其方法

有效

• 申請號: 201710536922.8
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107363552B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 趙國龍;閆繼豪;李亮;何寧;郝秀清;楊吟飛;趙威
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23P23/04
• 分類號: B23P23/04;B23B5/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開一種激光誘導氧化輔助微細車削加工裝置及其方法，包括微細車削裝置，激光誘導氧化裝置，激光器調焦裝置，距離傳感器以及控制裝置。加工過程中利用激光誘導氧化的方法將陶瓷、硬質合金等高硬材料變質成疏松易去除的氧化層，降低切削載荷，減少刀具磨損，采用距離傳感器實時檢測待加工區域材料與激光誘導氧化裝置中聚焦透鏡的距離，利用控制裝置控制激光器調焦裝置及時調整激光焦距，能夠有效保證氧化層的一致性，保證加工精度。利用本發明所提出的加工裝置及其加工方法能夠實現陶瓷、硬質合金等高硬材料高精度的微細車削加工。

技術領域：

本發明涉及一種激光誘導氧化輔助微細車削加工裝置及其方法，屬于微機械加工領域。

背景技術：

微細車削是加工微小型回轉類零件尤其是微小型軸類、盤類零件的常用加工方法，具有加工精度可控、適用多種材料和加工成本低的優點。但是在利用微細車削加工難加工材料時仍然存在刀具磨損嚴重、加工效率低和加工表面質量差的問題，這些問題在加工陶瓷、硬質合金等高硬度的難加工材料時顯得更為突出，尤其是陶瓷材料硬度高、脆性大的特點使得其微細車削加工更是難以進行。

針對高硬材料微細切削加工的難題，主要有兩種解決途徑，一種是提高刀具性能，但是陶瓷和硬質合金硬度較高，本身就是常用的刀具材料，針對其切削加工的刀具材料只能采用硬度更高的CBN或金剛石，然而即使是由硬度最高的金剛石材料制成的微刀具在加工陶瓷和硬質合金等高硬材料時刀具磨損仍然十分嚴重，并且容易出現崩刃現象。另一種途徑是使待加工材料改性或者變質以降低切削載荷，進而減小刀具磨損。激光加熱輔助微機械加工(Laser-Assisted Mechanical Micromachining，LAMM)是一種使待加工材料改性以降低切削載荷的復合加工方法，它最早由美國喬治亞理工學院的Singh等人在2005年提出，是一種通過將高能激光束聚焦在微刀具切削刃前端的工件表面上，利用激光所產生的熱能使工件待加工區域材料局部加熱到很高的溫度，進而使材料軟化，改變工件材料的機械加工性能，降低切削載荷，隨后利用微刀具將材料去除的一種復合加工方法，與常規微細切削相比，激光加熱輔助切削能夠提高刀具壽命，降低切削力，提高加工效率。但是由于金剛石刀具在高溫下容易發生石墨化和氧化反應，激光加熱輔助微細切削陶瓷和硬質合金等高硬材料時只能采用性能差于金剛石的CBN刀具，并且為了達到較好軟化的效果往往需要使用較高的激光功率，這就使得工件表面熱影響區比較大，并且由于加工過程中刀具距離激光光斑僅為幾十到幾百微米，在軟化待加工區域材料的同時也會使刀具處于較高的溫度，而過高的溫度會顯著的降低刀具的強度和硬度，使刀具材料發生氧化反應，導致加工過程中存在刀具磨損嚴重，加工表面質量較差的問題。激光誘導氧化輔助微細切削的方法是通過低功率激光器加熱待加工區域材料，并通以輔助性氧化氣體作為氧化劑，利用激光產生的瞬間高溫使待加工區域材料與氧化劑發生快速可控的氧化反應，使待加工的工件表面形成疏松易去除的氧化層，進而降低切削載荷，再利用微刀具將氧化層和少量的熱影響層快速去除的一種復合加工方法。由于氧化反應所需的激光功率遠遠低于激光加工或激光加熱輔助軟化材料所需的激光功率，因此激光產生的熱影響區比較小，并且由于加工過程中激光光斑與微刀具的距離較大，激光加熱氧化后的材料已經充分冷卻，使得微刀具能夠在接近常溫下進行切削，因此，可以使用性能更好的金剛石微刀具；由于加工過程中待加工區域材料已經變質成疏松易去除的氧化層，微刀具每次僅需去除疏松的氧化層和少量的亞表層材料，因此微刀具承受的切削載荷較小，能夠有效減小刀具磨損，實現陶瓷和硬質合金等高硬材料的高精度微細加工。

在利用激光誘導氧化輔助的方法進行微細車削加工時不僅需要保證機床的剛度和精度，而且為了保證氧化層和熱影響層的一致性需要十分精準的控制激光焦距，在微細車削加工過程中，刀具切除每層材料后均會導致待加工表面直徑發生改變，而且在微細切削加工中不可避免的存在刀具和待加工工件的彈性變形，使得實際切深與理論切深存在一定的差異，這就需要根據待加工表面的直徑變化準確調節激光焦距。

發明內容：

本發明的目的在于提出一種激光誘導氧化輔助微細車削加工裝置及其方法，以解決高硬材料微細車削加工的難題。