[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

摘要

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。

主权项

1.一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置的加工方法，激光诱导氧化辅助微细车削加工装置包括设有机床床身(11)的微细车削装置(1)，激光诱导氧化装置(2)，激光器调焦装置(3)，距离传感器(4)以及控制装置(5)，所述激光诱导氧化装置(2)固定于激光器调焦装置(3)上，激光器调焦装置(3)固定于微细车削装置(1)的机床床身(11)上，所述距离传感器(4)固定于激光诱导氧化装置(2)的一侧以测量激光焦距，所述微细车削装置(1)、激光诱导氧化装置(2)、激光器调焦装置(3)和距离传感器(4)分别与控制装置(5)连接，所述微细车削装置包括机床床身(11)、数控轴X轴(12)、数控轴Y轴(13)、刀架(14)、电主轴(15)、固定于刀架(14)上的微车刀(16)以及固定于电主轴(15)上的工件(17)，所述电主轴(15)固定于数控轴X轴(12)上，刀架(14)固定于数控轴Y轴(13)上，加工过程中数控轴X轴(12)带动电主轴(15)和工件(17)做进给方向的运动，数控轴Y轴(13)带动微车刀(16)做切深方向的运动，加工过程中激光诱导氧化装置(2)与微车刀(16)的刀尖沿工件(17)轴向方向的距离保持不变，所述激光诱导氧化装置(2)包括激光器(21)，光纤(22)，扩束镜(23)，镜头(24)，反射镜(25)，聚焦透镜(26)以及氧气喷嘴(27)，所述激光器(21)通过光纤(22)与扩束镜(23)连接，扩束镜(23)与镜头(24)连接，反射镜(25)固定于镜头(24)内，聚焦透镜(26)和氧气喷嘴(27)同轴连接于镜头(24)上，激光器(21)发射出的激光束通过光纤(22)传导到扩束镜(23)中，经扩束镜(23)扩束准直后，再经反射镜(25)将激光束偏转90度角，通过聚焦透镜(26)将激光束聚焦在工件(17)上；其特征在于：包括如下步骤步骤一：根据工件(17)的待加区域材料氧化反应的热力学规律和动力学规律，结合温度场仿真结果和激光诱导氧化实验，研究激光参数和氧气压力对材料氧化速率和氧化层性质和厚度的影响，选择激光参数和氧气压力，实验研究氧化层和热影响层的切削性能，随后根据待加工工件的几何参数结合氧化层和热影响层的切削性能分别制定激光诱导氧化辅助微细车削和完全去除热影响层时相应的走刀路线和切削参数；步骤二：将工件(17)装夹到电主轴(15)上，将微车刀(16)安装在刀架(14)上，打开数控轴X轴(12)和数控轴Y轴(13)，进行对刀，对刀完成后，数控轴Y轴(13)沿正方向移动一段距离，根据距离传感器(4)检测到的实际焦距和理论焦距的差值，利用控制装置(5)控制激光器调焦装置(3)调整焦距以完成对焦，最后将激光光斑聚焦在工件最前端的待加工区域材料上；步骤三：设定激光参数、氧气流量和切削参数，打开激光器(21)，利用激光加热工件待加工区域材料，并通过氧气喷嘴(27)将氧气喷向加热后的待加工区域材料，使待加工区域材料发生快速可控的氧化反应，形成疏松易去除的氧化层，由于加工过程中微车刀(16)和激光光斑沿工件轴向有一定的距离且该距离保持不变，随着进给运动的不断进行，微车刀(16)会开始切入待加工工件的前端并去除氧化层和少量的热影响层材料，以实现高硬材料的去除；步骤四：加工过程中，距离传感器(4)实时检测待加工表面与聚焦透镜(26)的距离得到实际焦距，并将该实际焦距发送到控制装置(5)中，当待加工表面的直径发生变化时，控制装置(5)根据实际焦距和理论焦距的差异，控制激光器调焦装置(3)调节焦距，使激光光斑始终聚焦在待加工表面上，保证氧化程度的一致性，经过多次氧化和走刀后将多余的材料去除并留下一定的加工余量；步骤五：关闭激光器(21)，重新设定切削参数和走刀路径，利用微车刀将激光诱导氧化后的热影响层全部去除，关闭电主轴(15)，最终实现高硬材料的高精度微细车削加工。