[发明专利]激光加热辅助铣削加工方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械加工方法，尤其是一种激光加热辅助铣削加工方法，主要应用于机械加工领域，适用于高硬度金属、工程陶瓷、复合材料等难加工材料的加工，可以增加刀具寿命，提高加工效率，提升加工质量。本发明还涉及实现该加工方法的激光加热辅助铣削加工装置。

背景技术

激光加热辅助切削技术是将高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短时间内，将局部加热到很高的温度使材料的切削性在高温下发生改变，然后采用刀具进行加工。通过对材料进行加热，可以提高材料的塑性，可以将材料脆性转化为延展性，使材料的屈服强度降低到断裂强度以下，降低切削力，减小刀具磨损，抑制锯齿形切屑产生，防止切削振颤，从而达到提高加工效率、降低成本、增加表面质量的目的。

激光加热辅助铣削是激光加热辅助切削的一种方式。由于铣削是一个间歇切削过程，工件对刀具的冲击作用更容易引起刀具损坏，因此，激光加热辅助铣削技术可以降低切削力，减小刀具对工件的冲击，提高刀具寿命并且可以提高加工表面质量。国外学者对钨铬钴合金材料进行了激光加热辅助铣削试验研究，证明了加热辅助铣削的优点，可以在提高加工效率的同时降低刀具磨损。在脆性大、加工难度高的陶瓷材料方面，采用激光加热辅助铣削技术可以使材料由脆性转变为塑性，加工过程中显著的降低切削力，切屑变得连续，并且得到良好的加工表面。然而，铣削的加工特点与铣床的结构给激光与铣削的结合带来了困难，激光与铣刀的相对位置无法调整，导致了加工位置相对于铣刀只能为一个方向。对于具有复杂沟槽、型腔等结构的复杂工件，只有重新装夹才能达到激光加热软化的目的，这就极大地限制了技术的应用范围。因此，需要从加工方法与装置方面综合考虑，解决激光与铣床的结合问题，才能实现复杂形状工件的加工。

发明内容

本发明的目的是使激光加热辅助铣削技术可应用于复杂工件的加工，提出了一种激光聚焦头与铣刀相对固定的激光加热辅助铣削复杂轨迹加工方法及加工装置。运用该方法可以铣削复杂直线、曲线轨迹，实现复杂形状工件的加工。本发明提出的激光加热辅助铣削加工装置，其特征在于，包括：数控铣床工作台、数控旋转工作台、主轴、固定在主轴上的铣刀、聚焦头固定调整装置、激光聚焦头、光纤、YAG光纤输出激光器、工控机，工件通过隔热夹具固定在旋转工作台上，YAG光纤输出激光器通过调节电流可以输出指定能量的激光，激光通过光纤传导进入激光聚焦头，激光聚焦头固定在聚焦头固定调整装置之上，聚焦头固定调整装置固定在机床铣头上，工控机通过电缆与各个工作台及激光器联接。

本发明还涉及一种激光加热辅助铣削加工装置，其特征在于，包括数控铣床工作台、数控旋转工作台、二维移动工作台、主轴、固定在主轴上的铣刀、聚焦头固定调整装置、激光聚焦头、光纤、YAG光纤输出激光器、工控机，旋转工作台旋转中心与主轴中心重合，二维移动工作台固定在旋转工作台上，工件通过隔热夹具固定在二维移动工作台上，YAG光纤输出激光器通过调节电流可以输出指定能量的激光，激光通过光纤传导进入激光聚焦头，激光聚焦头固定在聚焦头固定调整装置之上，聚焦头固定调整装置固定在机床铣头上，工控机通过电缆与各个工作台及激光器联接。

本发明提出的数控代码编写方法是利用坐标变换的方法，将传统三维数控代码转换为复杂工件使用的特殊数控代码。方法的核心是通过平移及旋转的坐标变换方法，将刀具即将要加工的轨迹方向变换为与激光入射的方向平行，且在一条直线上，变换后即可不移动激光的位置继续加工。当加工轨迹为曲线时，将曲线离散为多条小线段逼近曲线，是小线段轨迹的方向与激光入射方向平行，加工的同时进行旋转，即可得到曲线的加工轨迹。

本发明提出的选用合适的工艺参数的方法是基于有限元模型的结果进行选择优化的。切削区域温度是激光加热辅助铣削最重要的参数，反映了局部工件的软化程度，选定的参数需要保证切削区域温度在一定范围内，直接通过试验的方法得到合适的工艺参数成本较高，而采用仿真的方法节约时间、降低成本，并且可以得到合适的工艺参数。按照实际工件的大小建立模型划分网格，将激光看做为表面热流密度，加载热辐射与对流边界条件，并通过温度测量试验修正边界条件后，即可得到准确的温度分布预测模型。根据试验系统采用可选定工艺参数进行仿真，以切削区域温度为优化目标，结合铣削的工艺参数选择特点，即可得到最终的加工工艺参数。

本发明还涉及一种利用所述加工装置实现的激光加热辅助铣削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

-将工件放置在数控旋转工作台上或者二维移动工作台上并固定，通过移动数控铣床工作台改变数控旋转工作台与铣刀的相对位置；