[发明专利]一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置及方法

权利要求书

1.一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置，其特征是：包括机床床身主体(1)、激光主轴装置(2)、激光控制系统(3)以及计算机控制系统(4)，

所述机床床身主体(1)包括大理石底座(11)、数控轴Y轴(12)、数控轴X轴(13)、数控轴Z轴(14)、C轴驱动电机(15)、C轴转台(16)、A轴转台(17)以及A轴驱动电机(18)，所述大理石底座(11)包括底板和设置在底板两侧的侧板，所述数控轴Y轴(12)设置在大理石底座(11)两侧板的顶部；所述数控轴X轴(13)的两端分别设置在数控轴Y轴(12)的顶部；所述数控轴Z轴(14)设置在数控轴X轴(13)上；所述A轴转台(17)与A轴驱动电机(18)连接，设置在大理石底座(11)上；所述C轴转台(16)与C轴驱动电机(15)连接，设置在A轴转台(17)上；

所述激光主轴装置(2)包括光纤(21)、主轴固定架(22)、激光准直器(23)、聚焦镜片(24)、主轴伺服电机(25)、中空球形磨针(27)、四棱锥分束器(28)以及分束器固定架(29)，激光主轴装置(2)通过主轴固定架(22)设置在数控轴Z轴(14)上；所述光纤(21)一端与激光准直器(23)连接，另一端与激光控制系统(3)连接；所述激光准直器(23)、聚焦镜片(24)以及主轴伺服电机(25)顺次固定设置在主轴固定架(22)上，所述中空球形磨针(27)通过弹簧夹头装夹在主轴伺服电机(25)上，中空球形磨针(27)磨针孔方向为磨针的法向方向，并且与磨针杆成10度夹角，四个磨针孔(203)相互为90度角等间距分布于中空球形磨针(27)下端；所述四棱锥分束器(28)通过分束器固定架(29)固定设置在中空球形磨针(27)内部中空位置中心处，四棱锥分束器(28)的顶角为10度；

所述激光控制系统(3)的激光器为IPG激光器；

所述计算机控制系统(4)设置有加工程序和控制系统程序，分别与激光控制系统(3)和机床床身主体(1)通过信号线连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置，其特征是：所述C轴转台(16)和A轴转台(17)均为精密旋转滑台，其中A轴为X轴旋转方向，C轴为Z轴旋转方向。

3.根据权利要求1所述的一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置，其特征是：所述数控轴Y轴(12)、数控轴X轴(13)以及数控轴Z轴(14)均采用气浮静压导轨与直线电机的方式驱动。

4.一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工方法，其特征是：应用权利要求1所述的一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、根据待加工工件(201)的材料属性，通过仿真软件进行温度场仿真，记录激光参数、主轴转速以及进给速度对工件热影响区的影响，根据记录的热影响区范围和磨削厚度选择激光功率、激光波长以及脉冲宽度，制定激光辅助磨削的切削参数以及走刀路线；

步骤二：将待磨削加工的工件(201)进行超声波清洗并烘干，然后安装固定到C轴转台(16)上，把中空球形磨针(27)装夹在主轴伺服电机(25)上，打开计算机控制系统(4)控制数控轴X轴(13)、数控轴Y轴(12)、数控轴Z轴(14)、C轴转台(16)及A轴转台(17)进行对刀，对刀完成后，通过激光控制系统(3)调节激光功率、激光波长以及脉冲宽度各项激光参数，利用聚焦镜片(24)调整焦距以完成对焦，将激光光斑聚焦在工件(201)表面待加工区域；

步骤三：打开计算机控制系统(4)中的加工程序，进行超精密激光辅助磨削加工；

步骤四：加工完成后，通过计算机控制系统(4)和激光控制系统(3)关闭激光器，关闭主轴伺服电机(25)，数控轴X轴(13)、数控轴Y轴(12)、数控轴Z轴(14)、C轴转台(16)及A轴转台(17)归零；

至此，一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工方法完成。

5.根据权利要求4所述的一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工方法，其特征是：所述工件(201)上待加工区域材料为硬质合金材料或陶瓷基复合材料。

6.根据权利要求4所述的一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工方法，其特征是：所述步骤二中光斑聚焦过程为，激光器发射出的激光束(26)通过光纤(21)传导到激光准直器(23)中，经激光准直器(23)扩束准直后，通过聚焦镜片(24)聚焦后进入中空球形磨针(27)，再经四棱锥分束器(28)将激光束分为4束激光束同时偏转10度角，通过中空球形磨针(27)上面的四个磨针孔(203)将激光束连续的聚集在工件(201)上。