基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法与流程

本发明涉及材料复合加工技术领域，特别是涉及一种基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法。

背景技术：

难加工硬脆材料在航空航天、能源、交通等领域具有广泛的应用前景，是航空航天领域的关键功能材料，如陶瓷基复合材料、碳化硅陶瓷等。该类材料在航空发动机领域的应用越发引起重视，美、日等发达国家在政府主导的ihptet、ueet、espr、amg等航空发动机技术提升计划下，对航空发动机陶瓷基复合材料涡轮部件开展了相关研制工作，并取得了突破性成果。我国航空发动机陶瓷基复合材料研究起步晚且缺乏，当前，陶瓷基复合材料还未商业应用在国内航空发动机上，该领域面临精密成型、表面完整性保证、损伤控制以及效率提升等一系列挑战，除了材料本体升级，可控精密加工技术应用是实现功能化突破的必由之路。

目前，研究人员主要采用传统机械加工、超声加工、磨料水射流以及激光加工等方法。不同纤维取向角度对加工去除机制影响很大，采用机械、超声、磨料水射流等加工硬脆性难加工材料，通过工艺优化可降低切削力和加工损伤，改善加工表面质量，但存在刀具易磨损、毛刺、纤维拔出、一致性差等问题，难以满足各种异型特征或精密微细功能化零部件的加工需求。

国内外研究人员使用不同类型的激光器对各类材料激光辅助加工、复合加工以及激光加工等进行了一系列研究工作，主要针对孔、槽(二维平面/三维空间)、平面及复杂规则结构等几何特征加工，激光铣削研究在机理、工艺规律及初步应用等方面取得了一定进展。通过探究激光铣削机理和材料去除机制，优化工艺进行难加工硬脆材料激光铣削，可以改善成型表面质量，微细结构加工优越性显著，具备三维复杂特征加工的可行性。目前，功能化结构特征难加工硬脆材料加工几何精度和表面完整性难以保证，材料易损伤，加工效率低。该领域存在以下问题：材料硬度高，脆性大，常规机械/超声加工时，刀具磨损严重，存在毛刺，纤维易拔出，加工一致性差，且效率难以提高；激光铣削加工质量较高时，加工效率便难以保证，而实现大材料去除率加工，常以表面质量的损失为代价。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法，以实现工件的精密加工，提高工件表面加工质量。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法，所述方法包括：

激光离散化工艺，通过激光在工件表面加工形成预制微织构，使工件表面离散化；

高效铣磨工艺，采用铣磨设备对激光离散化工艺后的工件进行粗加工；

激光铣削工艺，通过激光对高效铣磨工艺后的工件进行精细铣削。

作为本发明的进一步改进，所述预制微织构包括盲孔阵列、直线槽阵列、曲线槽阵列中的一种或多种，直线槽阵列包括横向直线槽阵列、竖向直线槽阵列、斜向直线槽阵列中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述铣磨设备包括铣磨刀具、振动辅助铣磨设备、旋转超声铣磨设备中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述激光铣削工艺具体为：

将工件表面划分为不同区域，针对每个区域通过激光进行精细铣削。

作为本发明的进一步改进，所述激光铣削工艺中，不同区域采用不同的激光参数进行精细铣削。

作为本发明的进一步改进，所述激光为固定轴激光和/或可变轴激光。

作为本发明的进一步改进，所述固定轴激光的激光参数包括波长、功率中的一种或多种，所述可变轴激光的激光参数包括波长、功率、姿态角中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述区域包括开放型区域和/或封闭型区域。

作为本发明的进一步改进，所述区域包括规则区域和/或不规则区域，规则区域包括圆形区域、方形区域。

作为本发明的进一步改进，所述工件材料为难加工硬脆材料。

本发明的有益效果是：

本发明结合了激光离散化、高效铣磨及激光铣削工艺，能够改善难加工材料可加工性，实现高效大去除率加工，改善了加工表面粗糙度，且能根据工件特征分区域加工；

通过多工艺复合加工，大大提高了加工效率、加工精度和加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施例中激光离散化工艺的加工示意图；

图3为本发明第一实施例中高效铣磨工艺的加工示意图；

图4为本发明第一实施例中激光铣削工艺的剖面加工示意图；

图5为本发明第一实施例中激光铣削工艺的正面加工示意图；

图6a-6c分别为本发明第二实施例中激光离散化工艺、高效铣磨工艺、激光铣削工艺的加工示意图；

图7为本发明第三实施例中工件的结构示意图；

图8a为本发明第三实施例中第一区域边缘拐角处的三维形貌图；

图8b为本发明第三实施例中第二区域边缘处的三维形貌图；

图8c为本发明第三实施例中第三区域边缘处的三维形貌图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法，包括：

激光离散化工艺，通过激光在工件表面加工形成预制微织构，使工件表面离散化；

高效铣磨工艺，采用铣磨设备对激光离散化工艺后的工件进行粗加工；

激光铣削工艺，通过激光对高效铣磨工艺后的工件进行精细铣削。

以下结合具体实施例对本发明中的各工艺步骤进行详细说明。

本发明第一实施例中的复合加工方法具体包括以下步骤：

激光离散化工艺：

参图2所示，通过第一激光21在工件10(材料为难加工硬脆材料)表面预加工形成一定规律的预制微织构11，其中，预制微织构11包括盲孔阵列、直线槽阵列、曲线槽阵列等，其中，直线槽阵列包括横向直线槽阵列、竖向直线槽阵列、斜向直线槽阵列等。

第一激光21通过激光器激发产生，激光器可采用纳秒激光器、皮秒激光器等，根据不同加工对象可选择不同类型激光器并选用不同的激光器参数。

通过激光离散化工艺，能够使工件表面离散化，改善切削特性，降低后期刀具与工件之间的交互作用强度。

高效铣磨工艺：

参图3所示，采用铣磨设备22对激光离散化工艺后的工件10进行粗加工，铣磨设备包括铣磨刀具、振动辅助铣磨设备、旋转超声铣磨设备等。

本实施例中以铣磨刀具(金刚石刀具)为例进行说明，采用金刚石刀具进行高效铣磨以大去除率实现设计区域的材料加工，金刚石刀具的类型和尺寸可根据具体加工场合确定。

激光离散化工艺处理后的工件，在进行高效铣磨加工时可以采用大切削深度、大切削宽度、大进给速度等工艺参数组合，实现高效铣磨。

激光铣削工艺：

参图4通过第二激光23对高效铣磨工艺后的工件10进行精细铣削。

优选地，参图5所示，激光铣削工艺具体为：

将工件表面划分为不同区域，针对每个区域通过第二激光23进行精细铣削。本实施例中将工件表面划分为6个方形区域，针对每个区域通过第二激光23分别进行精细铣削。针对有特殊要求的典型区域，进行激光定域精细去除加工，能够实现高表面质量制造。

具体地，不同区域采用不同的激光参数进行精细铣削，激光为固定轴激光和/或可变轴激光，固定轴激光的激光参数包括波长、功率中的一种或多种，可变轴激光的激光参数包括波长、功率、姿态角(与工件表面法向之间的夹角θ)中的一种或多种。

参图6a-6c所示，本发明第二实施例中的复合加工方法与第一实施例中的复合加工方法相同，具体的工艺方法此处不再进行赘述。

与第一实施例不同的是，本实施例中仅对工件表面的局部方形封闭区域进行加工，激光离散化工艺、高效铣磨工艺、激光铣削工艺均在该区域内进行。

参图7所示，本发明第三实施例中的复合加工方法与第一实施例中的复合加工方法相同，具体的工艺方法此处不再进行赘述。

与第一实施例不同的是，本实施例中工件表面的区域包括第一区域101、第二区域102及第三区域103，其中，第一区域101为大致呈“凹”型的开放型区域，第二区域102为呈方形的封闭型区域，第三区域103为呈圆形的封闭性区域。

通过激光离散化工艺、高效铣磨工艺、激光铣削工艺之后最终得到加工成型的工件，结合图8a-8c所示，底面出现凹坑，区域边缘可见层间切削磨粒轨迹，工件表面无明显划痕。可见，离散化有助于实现大切深加工，改善加工表面粗糙度，减少刀具磨损，提高刀具耐用度。

上述实施例中区域的划分仅为具体说明，在其他实施例中可根据需要将工件表面划分为若干规则或不规则区域，此处不再一一举例进行说明。

由以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

本发明结合了激光离散化、高效铣磨及激光铣削工艺，能够改善难加工材料可加工性，实现高效大去除率加工，改善了加工表面粗糙度，且能根据工件特征分区域加工；

通过多工艺复合加工，大大提高了加工效率、加工精度和加工质量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。