[發明專利]一種雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置與方法

在審

• 申請號: 202010438732.4
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111469284A
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 孔憲俊;王明海;王奔;鄭耀輝;馬書娟
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B28D1/14
• 分類號: B28D1/14;B28D1/22;B28D7/04;B28D7/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 尚云飛

1.一種雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置，其特征在于，包括設置于數控鉆床的連續激光發生系統和脈沖激光發生系統；

所述連續激光發生系統包括通過激光光纖連接的連續激光發生器和連續激光聚焦頭，所述連續激光聚焦頭位于工件的下方，并且所述連續激光聚焦頭設置于機械手，所述機械手夾持連續激光聚焦頭移動以調整連續激光束的照射方向、激光光斑大小、激光運動速度以及光斑中心與工件表面距離；

所述脈沖激光發生系統包括相互連接的脈沖激光發生器和準直系統，所述脈沖激光發生器發出的脈沖激光束經準直系統從鉆頭內部沿鉆尖向工件表面照射。

2.根據權利要求1所述的雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置，其特征在于，所述機械手與工控機連接，工控機控制機械手的移動。

3.根據權利要求1所述的雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置，其特征在于，所述工件通過夾具安裝于數控鉆床工作臺上方，所述鉆頭通過鉆卡頭安裝于鉆床主軸下方。

4.根據權利要求1所述的雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置，其特征在于，還包括測力儀，所述測力儀設置于鉆床主軸和鉆頭的連接處，用于采集鉆頭鉆削工件過程中的鉆削力和扭矩數據；所述測力儀與連續激光發生器連接，連續激光發生器根據鉆削力和扭矩數據實時調整激光功率進行加工。

5.根據權利要求4所述的雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置，其特征在于，還包括紅外熱像儀，用于采集工件上加工孔的位置經不同激光功率的連續激光束加熱后的溫度；所述紅外熱像儀與連續激光發生器連接，紅外熱像儀將加工過程中采集的溫度實時傳輸到連續激光發生器中，連續激光發生器實時調整激光功率，使工件加工過程中的加熱溫度始終保持在二分之一熔點溫度范圍內。

6.根據權利要求1所述的雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置，其特征在于，所述連續激光束的光斑中心與工件表面距離為1-5mm。

7.一種雙束激光加熱輔助鉆削方法，采用權利要求1所述的雙束激光加熱輔助鉆削集成裝置，包括如下步驟：

S1、準備階段，將工件通過絕熱材料包覆后，通過夾具安裝固定于數控鉆床工作臺上；通過工控機控制機械手移動，機械手夾持連續激光聚焦頭到達設定位置，使連續激光束的照射方向、激光光斑大小、激光運動速度以及光斑中心與工件表面距離實現軟化工件表面層；通過準直系統對脈沖激光束的激光光斑大小和照射方向進行調整，使脈沖激光束能夠燒蝕軟化后的工件表面層材料，并且加工出底孔；

S2、設置連續激光發生器的加熱參數，所述加熱參數包括激光功率和預熱時間；

S3、鉆削加工，先打開連續激光發生器的光閘，通過預熱使工件待切削區域溫度達到材料脆塑轉變值；然后打開脈沖激光發生器的光閘燒蝕工件表面，去除孔內材料，加工出底孔；最后開啟鉆床，鉆頭按照設定的數控代碼進行鉆削加工，完成孔的全部加工；同時，通過測力儀采集鉆頭鉆削過程中的鉆削力和扭矩數據，通過紅外熱像儀采集鉆削過程中孔的溫度數據，并將鉆削力、扭矩和溫度數據均輸入到連續激光發生器中，連續激光發生器實時調整激光功率；

S4、加工完成，孔加工完成后，先關閉脈沖激光發生器的光閘，再關閉連續激光發生器的光閘，將鉆頭移動至下一個待加工位置。

8.根據權利要求7所述的雙束激光加熱輔助鉆削方法，其特征在于，

所述連續激光發生器的加熱參數通過有限元方法建立工件的溫度場預測模型得到，激光加熱過程符合傅立葉三維熱傳導特征，三維直角坐標導熱控制方程如下所述:

式中，T為加熱溫度(℃)；λ為工件材料導熱系數(W/m·K)；Q為內熱源(W/m³)；ρ為工件材料密度(kg/m³)；c_p為工件材料比熱容(J/kg·K)；t為預熱時間(s)；

激光加熱過程中的熱傳遞包括工件表面吸收的熱量，以及工件表面向外界對流與熱輻射的熱量；

在激光光斑作用區域內

式中，q_l,abs為工件表面吸收的熱量(J)；q_c為工件表面對流換熱(J)，q_c＝h_c(T-T₀)，h_c為工件材料表面對流傳熱系數，h_c的單位為W/(m²·K)；q_rad為工件表面熱輻射換熱(J)；

工件表面向外界對流與熱輻射的邊界條件為：

工件表面熱輻射換熱假設為工件向周圍開放式空間輻射換熱，輻射換熱量為：

q_rad＝εσ(T⁴-T₀⁴)

式中，σ為波爾茲曼常數W/(m²·℃)，ε為材料熱輻射率(無量綱)；

工件的初始邊界條件為：

T(r,φ,z,t)_t＝0＝T₀

式中，T₀為初始環境溫度，r為平面上的投影到坐標原點的距離，φ為投影點的方位角。