[发明专利]适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置和方法

说明书

本发明提供了用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置，涉及激光辅助加工技术领域。该加工系统主要由激光器，匀场激光整形系统，工作台，机床主轴架，整形器夹持装置组成。该加工方法在现有的短脉冲高斯激光器的基础上，通过激光整形系统实现高斯激光转变为匀场激光，在铣削加工中引入匀场激光热源，对待加工区域材料进行均匀加热，利用均匀的热软化效应来降低材料的硬度，改善材料的切削加工性，减少切削力和刀具磨损，从而解决难加工材料的加工难题。本发明还提供了适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工方法，采用如上所述的加工装置。

技术领域

本发明涉及激光辅助铣削加工技术领域，具体涉及适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置。

背景技术

随着航空航天、空间技术、精密制造等行业的迅速发展，出现了高温合金、钛合金、复合材料和工程陶瓷等先进的工程材料。这些材料由于硬度高、强度高、耐高温、耐磨损等优异的性能有着极其广泛的应用前景。但同时，这些材料都因为切削力大，切削温度高、刀具磨损严重等问题导致机械加工成本极高，生产效率低，被称为难加工材料，对机械加工提出了极大的挑战。近年来出现的加热辅助切削技术是解决难加工材料加工的有效方法，通过提高局部温度改变被去除材料的性能，降低材料的硬度和强度，从而改善材料的可加工性，采用热源包括等离子弧、氧乙炔焰和激光，目前，难加工材料加工热源多采用激光形式。激光辅助切削加工是利用激光能量高的特点，利用高能激光束加热，产生局部高温使代加工区域的工件材料发生热软化，材料硬度降低，塑性提高，从而改善材料的切削加工性能。但是现阶段大都采用的高斯激光束，其能量密度呈高斯分布，激光束辐照到材料表面的温度也是呈高斯分布的，应用于加工中容易导致热软化不均匀现象，激光束中间部分的温度高，材料软化程度高，而在激光束边缘部分的温度低，材料软化程度低，从而会影响工件的加工质量。为了减小热软化不均匀现象的影响，目前激光辅助铣削加工大多采用小直径的激光光源，使激光辐照作用主要集中于待加工区域的很小范围内，因此主要应用于刀具直径较小的微细铣削，不能适用于刀具直径或待加工区域较大的场合。本专利创新性地通过激光光束整形系统，获得具有均匀能量分布的平顶激光束，将匀场激光热源引入铣削加工过程中，对材料待加工区域进行均匀加热，解决难加工材料的加工难题。该加工方法对难加工材料加工的有利影响如下：①通过光束整形系统获得匀场平顶激光，其能量密度分布均匀，使材料在中心位置和边缘位置获得相同的热软化效果；②运用匀场激光加热软化，降低材料的硬度和强度，改善难加工材料的切削加工性能；③适应用于任意大小范围内的待加工区域均匀辅助加热；④能够有效解决难加工材料在铣削过程中切削力大和刀具磨损严重的问题。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置，克服了背景技术中难加工材料的加工难题，解决了难加工材料加工的产业难题。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工装置，包括高斯激光器、匀场激光整形系统、匀场激光整形器夹持装置、机床主轴架、铣刀刀柄与铣刀、机床工作台；

工件通过夹具固定在所述机床工作台上，所述高斯激光器和所述匀场激光整形系统进行光路连接，构成匀场激光热源；所述匀场激光热源通过所述匀场激光整形器夹持装置固定于所述机床主轴架上；

通过调节夹持装置各关节使得出射光聚焦于工件待加工区域进行加热。

在一较佳实施例中：所述匀场激光整形系统包括：激光束通过扩束镜、微柱棱镜透镜阵列组合、伽利略光束整形非球面镜、光学振镜、场镜；

激光束通过扩束镜再通过微柱棱镜透镜阵列组合、伽利略光束整形非球面镜后形成匀场平顶高斯光束，平行光经整合后进入光学振镜，最后通过场镜扩束形成稳定的匀场激光光源。

本发明还提供了适用于难加工材料的匀场激光辅助铣削加工方法，采用如上所述的加工装置，包括以下步骤：

1)装夹铣刀后，将工件放置在机床工作台上并固定。