CN100374243C - 激光辅助切削装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助切削装置，于刀具座上装设一激光聚焦镜，其中，激光聚焦镜以光纤连接至一激光产生器，于镜头前端则设有一具有端口的护罩，并于该护罩一侧设有高压气体的入气口，而可于激光束由护罩端***出加热软化材料的同时，于护罩端口喷出高压气体；由此，利用激光聚焦镜的护罩端***出激光束及喷出高压气体，不仅可降低切削材料的强度，且可喷除材料上的切屑，以避免切屑遮蔽到激光束，并防止镜头受到切屑的飞溅伤害，进而达到提高切削效率及有效保护聚焦镜的效果。

Description

激光辅助切削装置

技术领域

本发明涉及一种于激光聚焦镜上装设一可同时射出激光束及喷出高压气体的护罩，以提高切削效率，防止切屑遮蔽到激光束及有效保护聚焦镜的激光辅助切削装置。

背景技术

目前于不易切削的材料(如陶瓷、玻璃、镍基超合金等)进行切削制程中，刀具会产生严重的磨耗，且加工的表面精度不佳；以陶瓷材料为例，目前其加工使用的加工方式，有研磨加工、超音波加工、激光加工、放电加工、离子束加工等，这些加工方式虽然各有优缺点，但均无法取得较佳的移除率，就以研磨加工而言，其加工的成本却也占陶瓷组件总成本的70％～80％，因此陶瓷组件进行研磨加工，仍是耗力费时，无法降低制造成本；然而，陶瓷是继金属、塑料的后的第三材料，其兼具有耐热性、耐蚀性及硬质性，这些皆属于高科技材料必要的特性，因此陶瓷也将是高科技时代的新诉求，以陶瓷为素材的组件将快速成长，故发展更高效率的加工方式，将是目前首要的课题。

为此，本发明人于国台湾专利申请92136646提出了“激光辅助切削装置”，请参阅图1、图2，该陶瓷工件1装设于工具机(例如精密车床或铣床等切削工具机)的夹头上，而切削刀具2装设于侧方的刀具座3上，一激光头4装设在刀具座3上，并位于切削刀具2的侧方，且将激光束调整聚焦至切削刀具2刀口正前方(即加热区E)，另刀具座3上装设有一切屑喷除器5，其以高压的喷射流体(如气体或液体)喷除切屑，防止切屑遮蔽到激光束，利用激光束于切削刀口前瞬间加热软化，亦即“即热即切，瞬间热到那里(微局部)，就切到那里(微局部)，热量不累积”的切削机制，即可降低切削材料的强度；由于激光束聚焦处的高温切削及切削刀具2与工件间的磨擦热仍会热传导至切削刀具2上，使切削刀具2累积热量而逐渐升高温度，以CBN(氮化硼)切削刀具为例，在温度超过1470℃时，氮化硼的结晶由立方体转为六方体，强度将会大幅降低，而缩短刀具的使用寿命，因此，该切削装置另于刀具座3上装设一可喷洒如冷冻气体或液态惰性气体等低温流体的冷却喷器6，使得刀尖温度能保持在适温范围内，藉以有效提高切削效率及表面精度。

由于该装置将激光头4及切屑喷除器5装设在刀具座3上，当激光头4过大或者过长时，不仅非常困难直接装设于刀具座3上，且即便勉强装设于刀具座3上时，也将严重影响到刀具座3上切屑喷除器5或冷却喷器6的配置，因此在实际的装配上会产生不易配置的问题；此外，切屑喷除器5主要以高压的喷射流体喷除切削材料上的切屑，以防止切屑遮蔽到激光束，但其却也无法防止激光头4受到切屑的飞溅伤害，因此极易导致激光头4的损伤。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种激光辅助切削装置，其于刀具座上装设一激光聚焦镜，该激光聚焦镜以光纤连接至一放置于适当位置的激光产生器，利用光纤的传导，可将激光束传导至激光聚焦镜，再通过激光聚焦镜的聚焦，将激光束射出，以加热软化切削材料；由此，利用激光聚焦镜的光束传导，不仅可降低切削材料的强度，且可以较小的体积而易于装设刀具座上，进而易于配置组装。

本发明的次一目的是提供一种激光辅助切削装置，其于刀具座上装设一激光聚焦镜，于镜头前端设一具有端口的护罩，并于该护罩一侧设有高压流体的入口，而可于激光束由护罩端***出加热软化材料的同时，于护罩端口喷出高压流体；由此，利用激光聚焦镜的护罩端***出激光束及喷出高压流体，不仅可喷除切削材料上的切屑，以避免切屑遮蔽到激光束，且可防止镜头受到切屑的飞溅伤害，进而有效保护聚焦镜。

本发明的另一目的是提供一种激光辅助切削装置，其于刀具座上装设一可喷洒如冷冻气体或液态惰性气体等低温流体的冷却喷器，以降低刀尖因高温切削及摩擦热所产生的高温，进而使刀尖温度维持在适温范围内，以确保切削刀具的刚性，达到有效提高切削效率及表面精度，同时兼具延长刀具使用寿命的双重效益。

本发明的又一目的是提供一种激光辅助切削装置，其于切削刀具内部装设冷却液循环流路，供低温流体循环流动，以降低刀尖因高温切削及摩擦热所产生的高温，进而使刀尖温度维持在适温范围内，以确保切削刀具的刚性，达到有效提高切削效率及表面精度，同时兼具延长刀具使用寿命的双重效益。

为使了便于理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是中国台湾申请92136646的配置示意图；

图2是中国台湾申请92136646的切削示意图；

图3是本发明配置的示意图；

图4是本发明激光聚焦镜的外观示意图；

图5是本发明的切削作动示意图之一；

图6是本发明的切削作动示意图之二；

图7是本发明另一配置的示意图；

图8是本发明又一配置的示意图。

附图标记说明：1陶瓷工件；2切削刀具；3刀具座；4激光头；5切屑喷除器；6冷却喷器；10工件；11切削刀具；12刀具座；13数字温度计；14***控制器；15激光聚焦镜；16光纤；17激光产生器；18护罩；181端口；182入口；183管路；19冷却喷器；20冷却液循环流路；21冷冻机。

具体实施方式

请参阅图3、图4所示，本发明的工件10(如陶瓷)装设于工具机的夹头上，而切削刀具11则装设于侧方的刀具座12上，该切削刀具11的刀把内可辅助装设数字温度计12，以数字温度计13线上监测刀尖温度，并实时回馈至***控制器14，若发生刀尖温度过高时，即经***控制器14进行激光参数的自动调控，以改变激光对材料的加热温度，使刀尖温度保持在适温范围内，以确保切削刀具11的使用寿命；另外，刀具座12上装设有一激光聚焦镜15，该激光聚焦镜15以光纤16连接至一放置于适当位置的激光产生器17，利用光纤16的传导，可将激光产生器17的激光束传导至激光聚焦镜15，再通过激光聚焦镜15的聚焦，而可于激光束射出，以加热软化切削材料，利用激光聚焦镜15的光束传导，即可以较小的体积而易于装设刀具座12上，另外激光聚焦镜15的前端装设一具有端口181的护罩18，激光束可由护罩18的端口181射出至工件10上，以加热软化材料，另护罩18一侧设有高压流体(该高压流体可为高压气体、惰性气体或高压液体)的入口182，以连接一高压流体的管路183，使得高压流体可通入护罩18内，并由护罩18的端口181喷出至工件10上，以喷除切削材料上的切屑，由于护罩端口181同时于同一轴向射出激光束及喷出高压流，因此高压流体不仅可喷除切削材料上的切屑，以避免切屑遮蔽到激光束，且可防止镜头受到切屑的飞溅伤害，而有效保护激光聚焦镜15。

请参阅图3、图5，当工件10开始进行切削时，即激活激光产生器17，使激光束传导至激光聚焦镜15，再通过激光聚焦镜15的聚焦，由护罩18的端口181将激光束射出照射在刀口正前方处，并使该处的材料为软化材料F，且同时输入高压流体至护罩18内，并由护罩18的端口181喷出至工件10上，因此高压流体可喷除切削材料上的切屑，以避免切屑遮蔽到激光束，并可防止镜头受到切屑的飞溅伤害；请参阅图3、图6，切削刀具11即进给切入工件10，使刀口前的高温软化材料F直接被切削剥离，由于高温软化材料F已被瞬间加热软化，进而可大幅减少切削阻力，使切削刀具11可提高切削速度及切削精度，于完成切削后，关闭激光产生器17，即完成激光辅助的切削作业；由于在切削时，该切削刀具11直接接触高温软化材料区F，在高速切削的过程中，激光聚焦处的高温切削及切削刀具11与工件10间的磨擦热会热传导至切削刀具11上，而使切削刀具11逐渐升高温度，为了预防切削刀具11产生温度过高的情形，造成切削刀具11提前损毁，本发明切削刀具11刀把内的数字温度计12，会将切削刀具11的刀尖温度实时回馈至***控制器14，经***控制器14进行激光参数的自动调控，以改变激光对材料的加热温度，使刀尖温度保持在适温范围内。

请参阅图7，由于以修正激光束参数而使刀尖温度保持在适温范围内的方式，可能相对的会降低对材料的加热温度，而增加切削刀具11的切削阻力，因此，本发明另于刀具座12上装设一可喷洒如冷冻气体或液态惰性气体等低温流体的冷却喷器19，而于切削刀具11进行切削的同时，以冷却喷器19对切削刀具11适当位置进行低温流体的持续喷洒，即可直接冷却切削刀具11的刀尖温度，进而使刀尖温度维持在适温范围内(不得超过1470℃)，以确保切削刀具11的刚性，又为了避免切削刀具11在冷却过程中，因其它因素的影响而造成冷却效果的不确定，本发明亦可于切削刀具11的刀把内装设数字温度计13，以数字温度计13线上监测刀尖温度，并实时回馈至***控制器14，若发生刀具无法以低温流体降温至适温时，即经***控制器14进行激光参数的自动调控，来改变激光对材料的加热温度，使刀尖温度保持在适温范围内，以确保切削刀具11的使用寿命，进而辅助提供刀具冷却的第二道防线；此外，由于冷却喷器19喷洒低温流体，因此喷洒高压的低温流体时，亦可同时作喷除切屑及冷却切削刀具，而兼具切屑喷除的作用。

请参阅图8，本发明亦可于切削刀具11的内部设有冷却液循环流路20，该冷却液循环流路20连接至一冷冻机21，而可利用切削刀具11内部的冷却液循环流路20，以低温流体间接冷却切削刀具11，使刀尖的温度维持在适温范围内，以确保切削刀具11的刚性，进而有效延长切削刀具11的使用寿命；同时，为了避免切削刀具11在冷却过程中，因其它因素的影响而造成冷却效果的不确定，本发明可于切削刀具11的刀把内装设数字温度计13，以数字温度计13线上监测刀尖温度，并实时回馈至***控制器14，若发生刀具无法降温至适温时，即经***控制器14进行激光参数的自动调控，来改变激光对材料的加热温度，使刀尖温度保持在适温范围内，以确保切削刀具11的使用寿命，进而辅助提供刀具冷却的第二道防线。

Claims (9)

1.一种激光辅助切削装置，包括：

刀具座；

切削刀具，装设于刀具座上；

激光聚焦镜，装设于刀具座上，以光纤连接激光产生器，以使激光束聚焦加热软化材料；

护罩，装设于激光聚焦镜上，设有一端口及一可通入高压流体的入口，使端***出激光光束及喷出高压流体。

2.依权利要求1所述的激光辅助切削装置，其中，装设于刀具座上的激光聚焦镜与切削刀具同步进给，以加热软化材料。

3.依权利要求1所述的激光辅助切削装置，其中，通入护罩内的高压流体为高压气体或高压液体。

4.依权利要求3所述的激光辅助切削装置，其中，该通入护罩内之高压气体是惰性气体。

5.依权利要求1所述的激光辅助切削装置，其中，该切削刀具的刀把内辅助设有一数字温度计，以监测刀尖温度，并以一***控制器接收数字温度计回馈的刀尖温度，从而进行激光参数的自动调控，以修正激光束对材料的加热温度。

6.依权利要求1所述的激光辅助切削装置，其中，在刀具座上还装设有冷却喷器，以低温的流体喷洒切削刀具。

7.依权利要求6所述的激光辅助切削装置，其中，该冷却喷器喷洒的低温流体为冷冻气体或液态惰性气体。

8.依权利要求1所述的激光辅助切削装置，其中，在切削刀具的内部还设有冷却液循环流路，供低温流体循环流动。

9.依权利要求8所述的激光辅助切削装置，其中，该冷却液循环流路连接一冷冻机。

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