具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置及方法

摘要

具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置及方法属于机械加工设备技术领域，目的在于解决现有技术存在的激光辅助微切削过程中不能实时监测待加工表面的高度变化的问题。本发明的运动单元、激光辅助加工单元安装在减震平台上，光学自动跟随单元设置在激光辅助加工上；光学自动跟随单元包括透镜A、透镜B和线阵CCD传感器；激光辅助加工单元中的激光光源发出的激光经透镜A照射到待加工表面，经待加工表面反射的激光光束透过透镜B聚焦于线阵CCD传感器；待加工表面安装在运动单元上，计算机控制单元根据线阵CCD传感器反馈的激光作用距离通过运动单元实时调节待加工表面在X向、Y向和Z向的位移。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工设备技术领域，具体涉及一种具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置及方法。

背景技术

随着航空航天、国防工业、微电子工业的发展，对精密三维复杂微小结构件的需求日益迫切，在使用功能、材料特性、结构形状、可靠性、互换性等方面的要求也越来越高；为保证系统在高过载、高速度、高旋转等严酷环境下的高安全可靠性，大量应用具有强度高、重量轻、高韧性、高延展性及耐损伤特性的材料(MMC)加工微小型薄壁腔体、曲面体等复杂、异形、集成结构，但加工难度增大，激光辅助微切削技术是目前解决难加工材料加工的一种高效的加工方法。激光辅助切削是通过激光光斑与材料的相互作用，在材料被微切削刀具去除前改变其性能，使其屈服极限降低到断裂韧度以下，在微切削刀具作用下产生粘塑性流动。从而减小切削力，提高刀具耐用度和寿命、改变切屑形态，减小振动，减少表面裂纹，提高表面加工质量。

Jonathan A.Shelton等人[14,15]用100μm直径立铣刀对Ti6Al4V、AISI 422、AISI 316和Inconel 718等材料进行激光辅助微铣削试验，分析了激光辅助微铣削对加工表面光洁度及边缘毛刺的影响。在激光辅助微切削试验验证方面，Ramesh Singh等人[16,37,38]应用统计分析的方法对激光辅助微细沟槽微铣削工艺进行优化研究，改进的统计模型有效地消除了对已加工表面的热影响，并使切削力降低，试验结果证明了通过激光辅助加热可提高切槽深度的准确度。melkote等人[39]使用TiAlN涂层硬质合金立铣刀对硬度为62HRC硬化A2工具钢进行了激光辅助微铣削开槽测试实验，实验结果表明：应用激光辅助微铣削可降低刀具磨损和表面粗糙度、提高切削速度和槽深准确性。

在上述激光辅助微切削实验中未全面考虑到材料微结构的影响，而微切削中切削厚度在0.1-200μm之间，增强体和基体晶粒尺寸一般在0.1-100μm的尺度，和刀具刃口钝圆半径在尺寸上相当，切屑的形成机理和材料变形机制必然与激光温度场、增强体和基体晶粒大小、分布以及取向密切相关。因此，对于难加工材料激光辅助微细切削过程，应通过分析激光温度场、增强体和基体晶粒大小、分布、取向及增强体-基体晶界效应对激光辅助微切削过程中表面层微观缺陷形成的影响，研究表面层微观缺陷形成及演化机制，才能深入、全面分析难加工材料激光辅助微切削过程物理本质。铣削加工过程中，材料的去除过程比正交切削的过程更为复杂。在研究难加工材料激光辅助微切削机理时，应用正交微切削实验方法能将复杂的铣削过程优化为简单的一维正交切削过程，研究人员可建立与实际切削过程接近的切削模型。由于激光辅助加工中需要考虑激光与材料的作用距离所产生的影响，尤其是在微切削加工过程中，加工量在0.1-200μm范围，工件被切削得实际切削厚度与加工指令给定的切削厚度存在差异，所以需要对激光的作用距离进行精确测量与控制。目前，大部分研究人员都是直接将激光光源与传统的铣床或车床进行复合，在整个加工系统中，不能实时监测待加工表面的高度变化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置及方法，解决现有技术存在的激光辅助微切削过程中不能实时监测待加工表面的高度变化的问题，实现待加工表面实时跟随设定好的激光作用距离。

为实现上述目的，本发明的具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置包括减震平台、运动单元、激光辅助加工单元、光学自动跟随单元和计算机控制单元；

所述运动单元安装在所述减震平台上，激光辅助加工单元的龙门支撑架固定在所述减震平台上，所述光学自动跟随单元设置在所述激光辅助加工单元的龙门支撑架上；

所述光学自动跟随单元包括透镜A、透镜B和线阵CCD传感器；激光辅助加工单元中的激光光源发出的激光经透镜A照射到待加工表面上刀具沿进给方向的前端，经待加工表面反射的激光光束透过透镜B聚焦于线阵CCD传感器，所述线阵CCD传感器和所述计算机控制单元连接；

所述待加工表面安装在运动单元上，计算机控制单元根据线阵CCD传感器反馈的激光作用距离通过运动单元实时调节待加工表面在X向、Y向和Z向的位移。

所述运动单元包括X向滑台、Y向滑台、Z向滑台和工件夹具；所述Z向滑台固定在减震平台上，所述Y向滑台固定在Z向滑台上；X向滑台固定在Y向滑台上，工件夹具固定在X向滑台上；所述X向滑台使用直线电机驱动，所述Y向滑台和Z向滑台使用伺服电机驱动；Z向滑台为大行程滑台，计算机控制单元控制X向滑台、Y向滑台和Z向滑台运动。

所述激光辅助加工单元还包括安装支架、切削刀具和力传感器；激光光源通过安装支架安装在龙门支撑架横梁顶端；激光光源轴线安装在切削刀具沿进给方向的前端并垂直于X向滑台台面，所述切削刀具安装在力传感器上，切削刀具的主切削刃垂直于待加工表面进给方向。

所述激光光源轴线与透镜A轴线一致。

基于具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置的微切削方法包括以下步骤：

步骤一：调整微切削装置，将待加工表面通过工件夹具夹紧；

步骤二：调整透镜A和待加工表面的作用距离为L；

步骤三：计算机控制单元控制运动单元带动待加工表面进行做正交运动，实现正交切削；

步骤四：激光光源发出的激光光束经透镜A照射到待加工表面，经待加工表面反射的激光光束经透镜B聚焦于线阵CCD传感器；

步骤五，实时判断激光在线阵CCD传感器的像面上是否有位移，若是，则执行步骤六，若否，则执行步骤八；

步骤六，计算机控制单元根据激光在线阵CCD传感器的像面上形成的位移d＇通过公式(1)计算得到待加工表面在Y方向的运动距离d：

其中：a为激光入射光轴和反射光轴的交点到透镜B前主面的距离；

b为透镜B后主面到线阵CCD传感器像面中心点的距离；

θ₁为激光入射光轴和反射光轴的夹角；

θ₂为激光反射光轴和线阵CCD传感器像面的夹角；

整理得到待加工表面在Y方向的运动距离d：

$d=\frac{{\mathrm{ad}}^{\prime }{\mathrm{sin\theta }}_2}{{\mathrm{bsin\theta }}_1-d^{\prime }{\mathrm{sin\theta }}_2{\mathrm{cos\theta }}_1}---\left(2\right);$

步骤七：计算机控制单元根据步骤六中获得的待加工表面在Y方向的运动距离d驱动Y向滑台运动，使待加工表面与透镜A的距离为L；

步骤八：切削刀具继续对待加工表面进行加工；

步骤九：重复步骤五到步骤八直到加工完成。

本发明的有益效果为：本发明的具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置及方法，通过激光与材料的相互作用，在材料被微切削刀具去除前改变其性能，使其屈服极限降低到断裂韧度以下，在微切削刀具作用下产生粘塑性流动。从而减小切削力，提高刀具耐用度和寿命、改变切屑形态，减小振动，减少表面裂纹，提高表面加工质量。另外，本发明的光学自动跟随单元将激光同时用于工件位置反馈中，实时监测待加工表面的高度变化。激光除了起到对工件的加热作用，还起到工件位置反馈作用，本发明的光学自动跟随单元直接采用现有激光辅助加工中的激光光源作为光源，节省了成本，另外，为了实现更高精度的微切削加工，需要考虑不同材料的理论切深与实际切深所存在的差别，这一差别可以通过对加工后表面高度的变化进行测量得到，并对这一差别进行补偿实现精密微切削。由于现有激光辅助加工中的激光光源本身安装的特性，本发明的测量光路垂直于加工表面安装，精确测量的同时不会与加工装置发生干涉，高度集成了测量与加工装置。保证了位置反馈的精度；本发明提供了一种更为精确的方法实现工件表面的自动跟随，解决了激光辅助切削过程中，工件表面高度不能精确测量的问题，提高了加工精度。

附图说明

图1为本发明的具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置结构示意图；

图2为本发明的具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置中光学自动跟随光路图；

图3为本发明的具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置中光学自动跟随原理图；

图4为本发明的具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削方法流程图；

其中：1、减震平台，2、Z向滑台，3、Y向滑台，4、X向滑台，5、工件夹具，6、切削刀具，7、力传感器，8、激光光源，9、安装支架，10、透镜A，11、线阵CCD传感器，12、透镜B，13、龙门支撑架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置包括减震平台1、运动单元、激光辅助加工单元、光学自动跟随单元和计算机控制单元；

所述运动单元安装在所述减震平台1上，激光辅助加工单元的龙门支撑架13固定在所述减震平台1上，所述光学自动跟随单元设置在所述激光辅助加工单元的龙门支撑架13上；

所述光学自动跟随单元包括透镜A10、透镜B12和线阵CCD传感器11；激光辅助加工单元中的激光光源8发出的激光经透镜A10照射到待加工表面上刀具沿进给方向的前端，经待加工表面反射的激光光束透过透镜B12聚焦于线阵CCD传感器11，所述线阵CCD传感器11和所述计算机控制单元连接；

所述待加工表面安装在运动单元上，计算机控制单元根据线阵CCD传感器11反馈的激光作用距离通过运动单元实时调节待加工表面在X向、Y向和Z向的位移。

所述运动单元包括X向滑台4、Y向滑台3、Z向滑台2和工件夹具5；所述Z向滑台2固定在减震平台1上，所述Y向滑台3固定在Z向滑台2上；X向滑台4固定在Y向滑台3上，工件夹具5固定在X向滑台4上；所述X向滑台4使用直线电机驱动，所述Y向滑台3和Z向滑台2使用伺服电机驱动；Z向滑台2为大行程滑台，计算机控制单元控制X向滑台4、Y向滑台3和Z向滑台2运动。由于静态负载最小，使用直线滑台可以实现正交切削中的高速进给；使用工件夹具5便于工件的快速装卸。

所述激光辅助加工单元还包括安装支架9、切削刀具6和力传感器7；激光光源8通过安装支架9安装在龙门支撑架13横梁顶端；激光光源8轴线安装在切削刀具6沿进给方向的前端并垂直于X向滑台4台面，所述切削刀具6安装在力传感器7上，切削刀具6的主切削刃垂直于待加工表面进给方向，所述激光辅助加工单元位置固定，运动单元带动工件完成进给，实现激光辅助正交切削。

所述激光光源8轴线与透镜A10轴线一致，激光光源8垂直入射透镜形成高能激光束作用于待加工表面。

参见附图2，光学自动跟随单元光路使用激光辅助加工单元中的激光光源8，通过线阵CCD传感器11采集工件表面返回的激光位置并计算光路中光程差变化量，激光辅助正交微切削过程中，在切削刀具6切入工件前，激光光源8通过透镜A10作用在待加工表面，切削刀具6切削刃与激光光源8光轴的距离不变，在加工之前设定完毕，作用时间取决于切削刀具6切削刃与激光光源8光轴的距离以及工件的进给速度，同时通过光学自动跟随单元反馈的光程差变化量，即激光作用距离的变化，调整工件的高度，保证工件始终在设定的激光作用距离下被加工；所述计算机控制单元通过数控系统控制运动单元的进给与激光作用达到同步。

参见附图3和附图4，基于具有激光焦点自动跟随的激光辅助正交微切削装置的微切削方法包括以下步骤：

步骤一：调整微切削装置，将待加工表面通过工件夹具5夹紧；

步骤二：调整透镜A10和待加工表面的作用距离为L；

步骤三：计算机控制单元控制运动单元带动待加工表面进行做正交运动，实现正交切削；

步骤四：激光光源8发出的激光光束经透镜A10照射到待加工表面，经待加工表面反射的激光光束经透镜B12聚焦于线阵CCD传感器11；

步骤五，实时判断激光在线阵CCD传感器11的像面上是否有位移，若是，则执行步骤六，若否，则执行步骤八；

步骤六，计算机控制单元根据激光在线阵CCD传感器11的像面上形成的位移d＇通过公式(1)计算得到待加工表面在Y方向的运动距离d：

其中：a为激光入射光轴和反射光轴的交点到透镜B12前主面的距离；

b为透镜B12后主面到线阵CCD传感器11像面中心点的距离；

θ₁为激光入射光轴和反射光轴的夹角；

θ₂为激光反射光轴和线阵CCD传感器11像面的夹角；

整理得到待加工表面在Y方向的运动距离d：

$d=\frac{{\mathrm{ad}}^{\prime }{\mathrm{sin\theta }}_2}{{\mathrm{bsin\theta }}_1-d^{\prime }{\mathrm{sin\theta }}_2{\mathrm{cos\theta }}_1}---\left(2\right);$

步骤七：计算机控制单元根据步骤六中获得的待加工表面在Y方向的运动距离d驱动Y向滑台3运动，使待加工表面与透镜A10的距离为L；

步骤八：切削刀具6继续对待加工表面进行加工；

步骤九：重复步骤五到步骤八直到加工完成。