[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

一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置及方法，屬于超精密磨削加工技術領域，針對陶瓷基復合材料、硬質合金材料等難加工材料超精密磨削過程中磨削效率低、砂輪磨損嚴重等問題，使用中空式磨針設計，引入原位激光輔助技術，有效提高了超精密磨削加工精度及加工效率。同時，解決了其它外接激光頭加工方式單一、有限的問題，能夠有效地進行曲面、異形面、自由曲面的激光輔助磨削，大大提高了激光輔助磨削的應用范圍。利用本發明所提出的一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置及方法能夠實現陶瓷基復合材料、硬質合金材料等難加工材料的微小盤類、葉片類等零件的高精度磨削加工。

技術領域

本發明屬于超精密磨削加工技術領域，特別是涉及到難加工材料、復合材料的激光輔助自由曲面磨削裝置及工作方法。

背景技術

隨著航空航天工業、兵器工業、微電子工業、海洋技術、生物醫藥等科技領域的快速發展,對于具有優良特性的微小復雜曲面零件的需求越來越多，超精密磨削越來越多的被用來加工超精密微小零件。超精密磨削加工時指利用細粒度的磨粒進行砂輪磨削以及研磨、拋光等進行超精密加工的總稱，是加工精度達到或優于0.1μm、表面粗糙度值在1nm～100nm的加工方法，是當今超精密加工的重要研究之一。

激光加熱輔助加工是指通過高能量激光束加熱刀具前方的工件待加工區域，使材料在被去除前達到最佳的軟化切削溫度，從而減小材料去除過程中切削力、切削比能、表面粗糙度、表面損傷以及刀具磨損，提高加工效率。激光輔助加工最早應用于硬質材料的車削方面，有效的提高了高硬質合金材料的加工效率，除了激光輔助車削，激光輔助銑削、激光輔助電化學加工以及激光輔助射流加工技術也被用于難加工材料的精密加工。

激光輔助磨削是指通過激光加熱待加工區使材料軟化進而進行精密磨削的一種加工技術。由于激光具有優異的可控性和磨削的普遍應用，激光輔助磨削是未來進行難加工材料加工的有效的加工方法。

現有激光輔助磨削一般使用外接激光頭，難以均勻的對待去除材料進行加熱、運動方向單一，無法進行復雜曲面的磨削加工例如葉片表面的磨削加工。因此，現有技術中急需一種新型的裝置及加工方法來解決難加工材料的激光輔助曲面磨削問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種用于自由曲面磨削的激光輔助磨削加工裝置及方法，采用主軸一體化設計方法，將激光系統從超精密磨床的主軸中心引入到中空球形磨針中心，通過磨針中心的四棱錐分束器將激光束通過磨針底部四個孔位引出，從而達到原位激光輔助磨削技術，大大提高了材料可加工性及機床加工效率。

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、激光主軸裝置、激光控制系統以及計算機控制系統，

所述機床床身主體包括大理石底座、數控軸Y軸、數控軸X軸、數控軸Z軸、C軸驅動電機、C軸轉臺、A軸轉臺以及A軸驅動電機，所述大理石底座包括底板和設置在底板兩側的側板，所述數控軸Y軸設置在大理石底座兩側板的頂部；所述數控軸X軸的兩端分別設置在數控軸Y軸的頂部；所述數控軸Z軸設置在數控軸X軸上；所述A軸轉臺與A軸驅動電機連接，設置在大理石底座上；所述C軸轉臺與C軸驅動電機連接，設置在A軸轉臺上；

所述激光主軸裝置包括光纖、主軸固定架、激光準直器、聚焦鏡片、主軸伺服電機、中空球形磨針、四棱錐分束器以及分束器固定架，激光主軸裝置通過主軸固定架設置在數控軸Z軸上；所述光纖一端與激光準直器連接，另一端與激光控制系統連接；所述激光準直器、聚焦鏡片以及主軸伺服電機順次固定設置在主軸固定架上，所述中空球形磨針通過彈簧夾頭裝夾在主軸伺服電機上，中空球形磨針磨針孔方向為磨針的法向方向，并且與磨針桿成10度夾角，四個磨針孔相互為90度角等間距分布于中空球形磨針下端；所述四棱錐分束器通過分束器固定架固定設置在中空球形磨針內部中空位置中心處，四棱錐分束器的頂角為10度；

所述激光控制系統的激光器為IPG激光器；