[發明專利]一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置及方法

有效

• 申請號: 201910701885.0
• 申請日: 2019-07-31
• 公開（公告）號: CN110449995B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 許金凱;翟昌太;李一全;于占江;侯永剛;劉啟蒙;任萬飛;于朋;廉中旭;王旭;蔡倩倩
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00;B08B3/12;B23P25/00
• 代理公司: 長春市吉利專利事務所(普通合伙) 22206
• 代理人: 李曉莉

1.一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置，其特征是：包括機床床身主體(1)、激光主軸裝置(2)、激光控制系統(3)以及計算機控制系統(4)，

所述機床床身主體(1)包括大理石底座(11)、數控軸Y軸(12)、數控軸X軸(13)、數控軸Z軸(14)、C軸驅動電機(15)、C軸轉臺(16)、A軸轉臺(17)以及A軸驅動電機(18)，所述大理石底座(11)包括底板和設置在底板兩側的側板，所述數控軸Y軸(12)設置在大理石底座(11)兩側板的頂部；所述數控軸X軸(13)的兩端分別設置在數控軸Y軸(12)的頂部；所述數控軸Z軸(14)設置在數控軸X軸(13)上；所述A軸轉臺(17)與A軸驅動電機(18)連接，設置在大理石底座(11)上；所述C軸轉臺(16)與C軸驅動電機(15)連接，設置在A軸轉臺(17)上；

所述激光主軸裝置(2)包括光纖(21)、主軸固定架(22)、激光準直器(23)、聚焦鏡片(24)、主軸伺服電機(25)、中空球形磨針(27)、四棱錐分束器(28)以及分束器固定架(29)，激光主軸裝置(2)通過主軸固定架(22)設置在數控軸Z軸(14)上；所述光纖(21)一端與激光準直器(23)連接，另一端與激光控制系統(3)連接；所述激光準直器(23)、聚焦鏡片(24)以及主軸伺服電機(25)順次固定設置在主軸固定架(22)上，所述中空球形磨針(27)通過彈簧夾頭裝夾在主軸伺服電機(25)上，中空球形磨針(27)磨針孔方向為磨針的法向方向，并且與磨針桿成10度夾角，四個磨針孔(203)相互為90度角等間距分布于中空球形磨針(27)下端；所述四棱錐分束器(28)通過分束器固定架(29)固定設置在中空球形磨針(27)內部中空位置中心處，四棱錐分束器(28)的頂角為10度；

所述激光控制系統(3)的激光器為IPG激光器；

所述計算機控制系統(4)設置有加工程序和控制系統程序，分別與激光控制系統(3)和機床床身主體(1)通過信號線連接。

2.根據權利要求1所述的一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置，其特征是：所述C軸轉臺(16)和A軸轉臺(17)均為精密旋轉滑臺，其中A軸為X軸旋轉方向，C軸為Z軸旋轉方向。

3.根據權利要求1所述的一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置，其特征是：所述數控軸Y軸(12)、數控軸X軸(13)以及數控軸Z軸(14)均采用氣浮靜壓導軌與直線電機的方式驅動。

4.一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工方法，其特征是：應用權利要求1所述的一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置，包括以下步驟，且以下步驟順次進行，

步驟一、根據待加工工件(201)的材料屬性，通過仿真軟件進行溫度場仿真，記錄激光參數、主軸轉速以及進給速度對工件熱影響區的影響，根據記錄的熱影響區范圍和磨削厚度選擇激光功率、激光波長以及脈沖寬度，制定激光輔助磨削的切削參數以及走刀路線；

步驟二：將待磨削加工的工件(201)進行超聲波清洗并烘干，然后安裝固定到C軸轉臺(16)上，把中空球形磨針(27)裝夾在主軸伺服電機(25)上，打開計算機控制系統(4)控制數控軸X軸(13)、數控軸Y軸(12)、數控軸Z軸(14)、C軸轉臺(16)及A軸轉臺(17)進行對刀，對刀完成后，通過激光控制系統(3)調節激光功率、激光波長以及脈沖寬度各項激光參數，利用聚焦鏡片(24)調整焦距以完成對焦，將激光光斑聚焦在工件(201)表面待加工區域；

步驟三：打開計算機控制系統(4)中的加工程序，進行超精密激光輔助磨削加工；

步驟四：加工完成后，通過計算機控制系統(4)和激光控制系統(3)關閉激光器，關閉主軸伺服電機(25)，數控軸X軸(13)、數控軸Y軸(12)、數控軸Z軸(14)、C軸轉臺(16)及A軸轉臺(17)歸零；

至此，一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工方法完成。

5.根據權利要求4所述的一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工方法，其特征是：所述工件(201)上待加工區域材料為硬質合金材料或陶瓷基復合材料。

6.根據權利要求4所述的一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工方法，其特征是：所述步驟二中光斑聚焦過程為，激光器發射出的激光束(26)通過光纖(21)傳導到激光準直器(23)中，經激光準直器(23)擴束準直后，通過聚焦鏡片(24)聚焦后進入中空球形磨針(27)，再經四棱錐分束器(28)將激光束分為4束激光束同時偏轉10度角，通過中空球形磨針(27)上面的四個磨針孔(203)將激光束連續的聚集在工件(201)上。