适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置和方法

摘要

本发明提供了用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置，涉及激光辅助加工技术领域。该加工系统主要由激光器，匀场激光整形系统，工作台，机床主轴架，整形器夹持装置组成。该加工方法在现有的短脉冲高斯激光器的基础上，通过激光整形系统实现高斯激光转变为匀场激光，在铣削加工中引入匀场激光热源，对待加工区域材料进行均匀加热，利用均匀的热软化效应来降低材料的硬度，改善材料的切削加工性，减少切削力和刀具磨损，从而解决难加工材料的加工难题。本发明还提供了适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工方法，采用如上所述的加工装置。

说明书

技术领域

本发明涉及激光辅助铣削加工技术领域，具体涉及适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置。

背景技术

随着航空航天、空间技术、精密制造等行业的迅速发展，出现了高温合金、钛合金、复合材料和工程陶瓷等先进的工程材料。这些材料由于硬度高、强度高、耐高温、耐磨损等优异的性能有着极其广泛的应用前景。但同时，这些材料都因为切削力大，切削温度高、刀具磨损严重等问题导致机械加工成本极高，生产效率低，被称为难加工材料，对机械加工提出了极大的挑战。近年来出现的加热辅助切削技术是解决难加工材料加工的有效方法，通过提高局部温度改变被去除材料的性能，降低材料的硬度和强度，从而改善材料的可加工性，采用热源包括等离子弧、氧乙炔焰和激光，目前，难加工材料加工热源多采用激光形式。激光辅助切削加工是利用激光能量高的特点，利用高能激光束加热，产生局部高温使代加工区域的工件材料发生热软化，材料硬度降低，塑性提高，从而改善材料的切削加工性能。但是现阶段大都采用的高斯激光束，其能量密度呈高斯分布，激光束辐照到材料表面的温度也是呈高斯分布的，应用于加工中容易导致热软化不均匀现象，激光束中间部分的温度高，材料软化程度高，而在激光束边缘部分的温度低，材料软化程度低，从而会影响工件的加工质量。为了减小热软化不均匀现象的影响，目前激光辅助铣削加工大多采用小直径的激光光源，使激光辐照作用主要集中于待加工区域的很小范围内，因此主要应用于刀具直径较小的微细铣削，不能适用于刀具直径或待加工区域较大的场合。本专利创新性地通过激光光束整形系统，获得具有均匀能量分布的平顶激光束，将匀场激光热源引入铣削加工过程中，对材料待加工区域进行均匀加热，解决难加工材料的加工难题。该加工方法对难加工材料加工的有利影响如下：①通过光束整形系统获得匀场平顶激光，其能量密度分布均匀，使材料在中心位置和边缘位置获得相同的热软化效果；②运用匀场激光加热软化，降低材料的硬度和强度，改善难加工材料的切削加工性能；③适应用于任意大小范围内的待加工区域均匀辅助加热；④能够有效解决难加工材料在铣削过程中切削力大和刀具磨损严重的问题。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置，克服了背景技术中难加工材料的加工难题，解决了难加工材料加工的产业难题。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置，包括高斯激光器、匀场激光整形系统、匀场激光整形器夹持装置、机床主轴架、铣刀刀柄与铣刀、机床工作台；

工件通过夹具固定在所述机床工作台上，所述高斯激光器和所述匀场激光整形系统进行光路连接，构成匀场激光热源；所述匀场激光热源通过所述匀场激光整形器夹持装置固定于所述机床主轴架上；

通过调节夹持装置各关节使得出射光聚焦于工件待加工区域进行加热。

在一较佳实施例中：所述匀场激光整形系统包括：激光束通过扩束镜、微柱棱镜透镜阵列组合、伽利略光束整形非球面镜、光学振镜、场镜；

激光束通过扩束镜再通过微柱棱镜透镜阵列组合、伽利略光束整形非球面镜后形成匀场平顶高斯光束，平行光经整合后进入光学振镜，最后通过场镜扩束形成稳定的匀场激光光源。

本发明还提供了适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工方法，采用如上所述的加工装置，包括以下步骤：

1)装夹铣刀后，将工件放置在机床工作台上并固定。

2)安装高斯激光器和匀场激光整形系统，校准匀场激光热源的光路结构，使经过匀场激光整形系统后的匀场激光束可以覆盖整个加工区域，固定匀场激光整形器夹持装置；

3)打开高斯激光器，按照规定的加工轨迹加工工件。

本技术方案与现有背景技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明公开可用于难加工材料加工的匀场激光辅助铣削加工方法，该加工方法首先通过激光整形系统进行激光整形获得均匀激光热源，利用均匀的激光热源对大面积范围内的待加工区域进行均匀的加热软化，改善材料的切削加工性，再通过铣刀对难加工材料进行铣削加工。根据本发明的方法可以降低材料的硬度，改善材料的加工性能，从而减少切削力和刀具磨损，最终解决难加工材料的高效精密加工问题。

附图说明

图1为匀场激光辅助铣削加工装置的立体结构示意图；

图2为匀场激光整形系统示意图；

图3为匀场激光辅助铣削加工方法流程示意图；

图4为匀场激光整形器内部构造的示意图；

图5为夹持装置的示意图。

附图标记说明：高斯激光器1，匀场激光整形器2，匀场激光整形器夹持装置3，机床主轴架4，铣刀刀柄和铣刀5，工作台6；扩束镜2.1，微柱棱镜透镜阵列组合2.2，伽利略光束整形非球面镜2.3，光学振镜2.4，场镜2.5，整形器外壳2.6，平面镜2.7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“区域”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“固定”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1至图5，适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置，包括高斯激光器1、匀场激光整形系统2、匀场激光整形器夹持装置3、机床主轴架4、铣刀刀柄与铣刀5、机床工作台6；

工件通过夹具固定在所述机床工作台6上，所述高斯激光器1和所述匀场激光整形系统2进行光路连接，构成匀场激光热源；所述匀场激光热源通过所述匀场激光整形器夹持装置3固定于所述机床主轴架4上；

通过调节夹持装置各关节使得出射光聚焦于工件待加工区域进行加热。

所述匀场激光整形系统2包括：激光束通过扩束镜2.1、微柱棱镜透镜阵列组合2.2、伽利略光束整形非球面镜2.3、光学振镜2.4、场镜2.5；

激光束通过扩束镜2.1再通过微柱棱镜透镜阵列组合2.2、伽利略光束整形非球面镜2.3后形成匀场平顶高斯光束，平行光经整合后进入光学振镜2.4，最后通过场镜2.5扩束形成稳定的匀场激光光源。

参考图3，本实施例还提供了适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工方法，采用如上所述的加工装置，包括以下步骤：

步骤一、装夹铣刀后，将工件放置在机床工作台6上并固定。

步骤二、安装高斯激光器1和匀场激光整形系统2，校准匀场激光热源的光路结构，使经过匀场激光整形系统后的匀场激光束可以覆盖整个加工区域，固定匀场激光整形器夹持装置3；

步骤三、打开高斯激光器1，按照规定的加工轨迹加工工件以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。