一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法与流程

本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法。

背景技术：

目前，采用单晶金刚石刀具进行的超精密快刀伺服加工主要应用于光学自由曲面车削、微结构表面创成等领域，但在加工硬脆材料自由曲面零件时，控制算法复杂、不能有效实现任意加工位置处的塑性域去除，导致加工质量和加工效率不佳。虽然激光辅助加工方法可以大大加热、软化被加工硬脆材料的切削区域，增大作用区域的脆塑转变临界切削厚度数值，但是常采用的离位激光辅助加工时激光远离刀具，激光能量易受到切削液和流出切屑的干扰影响，无法有效到达材料内部，直接影响了加工质量的提高；而透过金刚石刀具的激光原位辅助加工方法多采用连续激光辅助连续切削作用，无法进行硬脆材料自由曲面的快刀伺服断续辅助加工，不利于硬脆材料自由曲面加工质量的提高。本发明提出的基于激光原位辅助的快刀伺服加工方法，采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行断续作用的时间控制，能够配合快刀伺服装置及单晶金刚石刀具的作用频率对硬脆材料自由曲面进行高质量、高效加工。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法。

本发明通过以下方案实现：

采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行作用时间控制，控制后的激光再通过快刀伺服装置及快刀伺服装置所夹持的单晶金刚石刀具对硬脆材料自由曲面零件进行原位辅助加工。通过激光续断器控制后的激光作用频率与快刀伺服装置的加工频率同步,能够使激光能量通过单晶金刚石刀具直接有效地对快刀伺服加工硬脆材料的内部进行原位加热辅助作用。

进一步地，所述激光续断器采用压电陶瓷、音圈电机等高频驱动装置，能够对同轴原位辅助的连续激光进行直线往复移动式或回转运动的周期性阻断装置；所述高频驱动装置的周期运动频率应当不小于快刀伺服装置的周期驱动频率；激光续断器的运动方向与快刀伺服加工的运动方向可垂直、平行，运动过程中不发生干涉；激光续断器设置在激光到达单晶金刚石刀具之前的位置处，并与快刀伺服装置在结构上能够有效兼容。

进一步地，所述的单晶金刚石刀具可以换成对不同波段激光有透射效应的材料制成的刀具，但应当与所采用的原位辅助激光的特性相匹配，能够让大部分的激光能量从刀具中有效输出并被被加工硬脆材料的作用区域吸收。

进一步地，具体包括如下步骤：

s1、根据被加工零件的材料类型、自由曲面特征和加工要求选择单晶金刚石刀具、连续激光工艺参数；保证同轴原位辅助的连续激光能准确通过单晶金刚石刀具在前方的特定位置处进行准确聚焦；

s2、在超精密机床的主轴夹具上装夹被加工零件，根据加工要求规划单晶金刚石刀具的加工路径，并设置激光续断器的周期性阻断频率；

s3、经过超精密机床的对刀操作后，设定快刀伺服加工时单晶金刚石刀具的初始位置；

s4、启动超精密机床快刀伺服的加工程序，并同步开启激光器和激光续断器，主轴带动被加工零件作旋转运动，快刀伺服装置根据规划的刀具加工路径进行激光原位辅助的快刀伺服加工，同时激光续断器按照规划的运动频率控制连续激光的作用时间，直至完成加工；

s5、加工完毕，退刀，关闭激光器和激光续断器。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行作用时间控制，控制后的激光再通过快刀伺服装置及快刀伺服装置所夹持的单晶金刚石刀具对硬脆材料自由曲面零件进行原位辅助加工。本加工方法可以有效增大快刀伺服加工硬脆材料作用区域的脆塑转变临界切削厚度数值，显著提高切削用量,提高硬脆材料自由曲面零件的加工效率和加工质量。

附图说明

图1为本发明的一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的结构示意图；

图中：1-激光束；2-激光续断器；3-快刀伺服装置；4-单晶金刚石刀具；5-被加工零件；6-超精密机床主轴夹具；7-超精密机床主轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法，采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行作用时间控制，控制后的激光再通过快刀伺服装置及快刀伺服装置所夹持的单晶金刚石刀具对硬脆材料自由曲面零件进行原位辅助加工。通过激光续断器控制后的激光作用频率与快刀伺服装置的加工频率同步,能够使激光能量通过单晶金刚石刀具直接有效地对快刀伺服加工硬脆材料的内部进行原位加热辅助作用。

根据加工路径完成硬脆材料的加工。具体包括如下步骤：

s1、根据被加工零件的材料类型、自由曲面特征和加工要求选择单晶金刚石刀具、连续激光工艺参数；保证同轴原位辅助的连续激光能准确通过单晶金刚石刀具在前方的特定位置处进行准确聚焦；

s2、在超精密机床的主轴夹具上装夹被加工零件，根据加工要求规划单晶金刚石刀具的加工路径，并设置激光续断器的周期性阻断频率；

s3、经过超精密机床的对刀操作后，设定快刀伺服加工时单晶金刚石刀具的初始位置；

s4、启动超精密机床快刀伺服的加工程序，并同步开启激光器和激光续断器，主轴带动被加工零件作旋转运动，快刀伺服装置根据规划的刀具加工路径进行激光原位辅助的快刀伺服加工，同时激光续断器按照规划的运动频率控制连续激光的作用时间，直至完成加工；

s5、加工完毕，退刀，关闭激光器和激光续断器。

本实施例中，所述激光续断器采用压电陶瓷、音圈电机等高频驱动装置，能够对同轴原位辅助的连续激光进行直线往复移动式或回转运动的周期性阻断装置；所述高频驱动装置的周期运动频率应当不小于快刀伺服装置的周期驱动频率；激光续断器的运动方向与快刀伺服加工的运动方向可垂直、平行，运动过程中不发生干涉；激光续断器设置在激光到达单晶金刚石刀具之前的位置处，并与快刀伺服装置在结构上能够有效兼容。

本实施例中，所述的单晶金刚石刀具可以换成对不同波段激光有透射效应的材料制成的刀具，但应当与所采用的原位辅助激光的特性相匹配，能够让大部分的激光能量从刀具中有效输出并被被加工硬脆材料的作用区域吸收。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法，采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行作用时间控制，控制后的激光再通过快刀伺服装置及快刀伺服装置所夹持的单晶金刚石刀具对硬脆材料自由曲面零件进行原位辅助加工。通过激光续断器控制后的激光作用频率与快刀伺服装置的加工频率同步,能够使激光能量通过单晶金刚石刀具直接有效地对快刀伺服加工硬脆材料的内部进行原位加热辅助作用,有效增大快刀伺服加工硬脆材料作用区域的脆塑转变临界切削厚度数值，显著提高切削用量,提高硬脆材料自由曲面零件的加工效率和加工质量。

技术研发人员：石广丰;高继雨;史国权;张心明;蔡洪彬;冉同欢
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2019.07.22
技术公布日：2019.10.18