[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

说明书

一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置及方法，属于超精密磨削加工技术领域，针对陶瓷基复合材料、硬质合金材料等难加工材料超精密磨削过程中磨削效率低、砂轮磨损严重等问题，使用中空式磨针设计，引入原位激光辅助技术，有效提高了超精密磨削加工精度及加工效率。同时，解决了其它外接激光头加工方式单一、有限的问题，能够有效地进行曲面、异形面、自由曲面的激光辅助磨削，大大提高了激光辅助磨削的应用范围。利用本发明所提出的一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置及方法能够实现陶瓷基复合材料、硬质合金材料等难加工材料的微小盘类、叶片类等零件的高精度磨削加工。

技术领域

本发明属于超精密磨削加工技术领域，特别是涉及到难加工材料、复合材料的激光辅助自由曲面磨削装置及工作方法。

背景技术

随着航空航天工业、兵器工业、微电子工业、海洋技术、生物医药等科技领域的快速发展,对于具有优良特性的微小复杂曲面零件的需求越来越多，超精密磨削越来越多的被用来加工超精密微小零件。超精密磨削加工时指利用细粒度的磨粒进行砂轮磨削以及研磨、抛光等进行超精密加工的总称，是加工精度达到或优于0.1μm、表面粗糙度值在1nm～100nm的加工方法，是当今超精密加工的重要研究之一。

激光加热辅助加工是指通过高能量激光束加热刀具前方的工件待加工区域，使材料在被去除前达到最佳的软化切削温度，从而减小材料去除过程中切削力、切削比能、表面粗糙度、表面损伤以及刀具磨损，提高加工效率。激光辅助加工最早应用于硬质材料的车削方面，有效的提高了高硬质合金材料的加工效率，除了激光辅助车削，激光辅助铣削、激光辅助电化学加工以及激光辅助射流加工技术也被用于难加工材料的精密加工。

激光辅助磨削是指通过激光加热待加工区使材料软化进而进行精密磨削的一种加工技术。由于激光具有优异的可控性和磨削的普遍应用，激光辅助磨削是未来进行难加工材料加工的有效的加工方法。

现有激光辅助磨削一般使用外接激光头，难以均匀的对待去除材料进行加热、运动方向单一，无法进行复杂曲面的磨削加工例如叶片表面的磨削加工。因此，现有技术中急需一种新型的装置及加工方法来解决难加工材料的激光辅助曲面磨削问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于自由曲面磨削的激光辅助磨削加工装置及方法，采用主轴一体化设计方法，将激光系统从超精密磨床的主轴中心引入到中空球形磨针中心，通过磨针中心的四棱锥分束器将激光束通过磨针底部四个孔位引出，从而达到原位激光辅助磨削技术，大大提高了材料可加工性及机床加工效率。

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、激光主轴装置、激光控制系统以及计算机控制系统，

所述机床床身主体包括大理石底座、数控轴Y轴、数控轴X轴、数控轴Z轴、C轴驱动电机、C轴转台、A轴转台以及A轴驱动电机，所述大理石底座包括底板和设置在底板两侧的侧板，所述数控轴Y轴设置在大理石底座两侧板的顶部；所述数控轴X轴的两端分别设置在数控轴Y轴的顶部；所述数控轴Z轴设置在数控轴X轴上；所述A轴转台与A轴驱动电机连接，设置在大理石底座上；所述C轴转台与C轴驱动电机连接，设置在A轴转台上；

所述激光主轴装置包括光纤、主轴固定架、激光准直器、聚焦镜片、主轴伺服电机、中空球形磨针、四棱锥分束器以及分束器固定架，激光主轴装置通过主轴固定架设置在数控轴Z轴上；所述光纤一端与激光准直器连接，另一端与激光控制系统连接；所述激光准直器、聚焦镜片以及主轴伺服电机顺次固定设置在主轴固定架上，所述中空球形磨针通过弹簧夹头装夹在主轴伺服电机上，中空球形磨针磨针孔方向为磨针的法向方向，并且与磨针杆成10度夹角，四个磨针孔相互为90度角等间距分布于中空球形磨针下端；所述四棱锥分束器通过分束器固定架固定设置在中空球形磨针内部中空位置中心处，四棱锥分束器的顶角为10度；

所述激光控制系统的激光器为IPG激光器；