[发明专利]一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置及其方法

说明书

本发明公开一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置及其方法，包括微细车削装置，激光诱导氧化装置，激光器调焦装置，距离传感器以及控制装置。加工过程中利用激光诱导氧化的方法将陶瓷、硬质合金等高硬材料变质成疏松易去除的氧化层，降低切削载荷，减少刀具磨损，采用距离传感器实时检测待加工区域材料与激光诱导氧化装置中聚焦透镜的距离，利用控制装置控制激光器调焦装置及时调整激光焦距，能够有效保证氧化层的一致性，保证加工精度。利用本发明所提出的加工装置及其加工方法能够实现陶瓷、硬质合金等高硬材料高精度的微细车削加工。

技术领域：

本发明涉及一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置及其方法，属于微机械加工领域。

背景技术：

微细车削是加工微小型回转类零件尤其是微小型轴类、盘类零件的常用加工方法，具有加工精度可控、适用多种材料和加工成本低的优点。但是在利用微细车削加工难加工材料时仍然存在刀具磨损严重、加工效率低和加工表面质量差的问题，这些问题在加工陶瓷、硬质合金等高硬度的难加工材料时显得更为突出，尤其是陶瓷材料硬度高、脆性大的特点使得其微细车削加工更是难以进行。

针对高硬材料微细切削加工的难题，主要有两种解决途径，一种是提高刀具性能，但是陶瓷和硬质合金硬度较高，本身就是常用的刀具材料，针对其切削加工的刀具材料只能采用硬度更高的CBN或金刚石，然而即使是由硬度最高的金刚石材料制成的微刀具在加工陶瓷和硬质合金等高硬材料时刀具磨损仍然十分严重，并且容易出现崩刃现象。另一种途径是使待加工材料改性或者变质以降低切削载荷，进而减小刀具磨损。激光加热辅助微机械加工(Laser-Assisted Mechanical Micromachining，LAMM)是一种使待加工材料改性以降低切削载荷的复合加工方法，它最早由美国乔治亚理工学院的Singh等人在2005年提出，是一种通过将高能激光束聚焦在微刀具切削刃前端的工件表面上，利用激光所产生的热能使工件待加工区域材料局部加热到很高的温度，进而使材料软化，改变工件材料的机械加工性能，降低切削载荷，随后利用微刀具将材料去除的一种复合加工方法，与常规微细切削相比，激光加热辅助切削能够提高刀具寿命，降低切削力，提高加工效率。但是由于金刚石刀具在高温下容易发生石墨化和氧化反应，激光加热辅助微细切削陶瓷和硬质合金等高硬材料时只能采用性能差于金刚石的CBN刀具，并且为了达到较好软化的效果往往需要使用较高的激光功率，这就使得工件表面热影响区比较大，并且由于加工过程中刀具距离激光光斑仅为几十到几百微米，在软化待加工区域材料的同时也会使刀具处于较高的温度，而过高的温度会显著的降低刀具的强度和硬度，使刀具材料发生氧化反应，导致加工过程中存在刀具磨损严重，加工表面质量较差的问题。激光诱导氧化辅助微细切削的方法是通过低功率激光器加热待加工区域材料，并通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使待加工区域材料与氧化剂发生快速可控的氧化反应，使待加工的工件表面形成疏松易去除的氧化层，进而降低切削载荷，再利用微刀具将氧化层和少量的热影响层快速去除的一种复合加工方法。由于氧化反应所需的激光功率远远低于激光加工或激光加热辅助软化材料所需的激光功率，因此激光产生的热影响区比较小，并且由于加工过程中激光光斑与微刀具的距离较大，激光加热氧化后的材料已经充分冷却，使得微刀具能够在接近常温下进行切削，因此，可以使用性能更好的金刚石微刀具；由于加工过程中待加工区域材料已经变质成疏松易去除的氧化层，微刀具每次仅需去除疏松的氧化层和少量的亚表层材料，因此微刀具承受的切削载荷较小，能够有效减小刀具磨损，实现陶瓷和硬质合金等高硬材料的高精度微细加工。

在利用激光诱导氧化辅助的方法进行微细车削加工时不仅需要保证机床的刚度和精度，而且为了保证氧化层和热影响层的一致性需要十分精准的控制激光焦距，在微细车削加工过程中，刀具切除每层材料后均会导致待加工表面直径发生改变，而且在微细切削加工中不可避免的存在刀具和待加工工件的弹性变形，使得实际切深与理论切深存在一定的差异，这就需要根据待加工表面的直径变化准确调节激光焦距。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置及其方法，以解决高硬材料微细车削加工的难题。