CN107234444A

CN107234444A - 激光预热辅助车削调整装置及包含其的激光预热辅助车削***

Info

Publication number: CN107234444A
Application number: CN201710565816.2A
Authority: CN
Inventors: 张小俭; 陈丁; 丁汉; 解亚昆; 张小明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2037-07-12
Also published as: CN107234444B

Abstract

本发明属于车床领域，并公开了激光预热辅助车削调整装置，包括Z向移动机构、C向旋转机构、R向移动机构、X向旋转机构和A向旋转机构。另外，还公开了激光预热辅助车削***，包括激光预热辅助车削调整装置、车削单元、激光预热单元、测温拍照单元和切削力测量单元。本发明的激光预热辅助调整装置可调整预热工艺参数，测温拍照单元采用红外测温，以调整PLC控制器的输出功率、保持温度最佳化，并且采用CCD工业相机收集加工后工件的表面形貌图像。切削力测量单元采用测力仪测量加工时的切削力动态变化。激光预热辅助车削***各单元的协同工作，可以优化预热工艺参数，以使得加工时的刀具寿命最长，经济效益最高和表面质量最优。

Description

激光预热辅助车削调整装置及包含其的激光预热辅助车削 ***

技术领域

本发明属于车床领域，更具体地，涉及激光预热辅助车削调整装置及包含其的激光预热辅助车削***。

背景技术

随着航天航空、海洋工业和核工业等高端领域的快速发展，各行业对产品零部件的材料性能、加工效益和加工质量的追求也越来越高，一些高性能工程材料被逐渐得到广泛应用。这些高性能材料如高硬度合金、工程陶瓷和复合材料等虽然具有高强度、高硬度、高脆性等优越特点，但是在机械加工领域中却属于难加工工程材料。

常规车削难加工材料时，由于工件的高强度、高硬度和高脆性等特点，导致切削力大、刀具磨损严重、加工效率低和工件表面质量不可控。近年来出现的激光预热辅助车削技术是解决难加工材料的一种有效的方法，其主要原理是将高功率激光束聚焦于待切削区域材料的表面，在短时间内使得待切削材料局部迅速升温软化来改变材料的切削性能，然后采用刀具去除已预热的待切削高温材料。激光预热辅助车削通过对难加工材料进行预热升温软化，一方面可以大幅度降低高强度材料的屈服强度，进而减少加工过程中的切削力和刀具磨损，另一方面可以增加高脆性材料的延展性，抑制锯齿状切屑的形成，减少切刀具与工件的冲击；从而达到减弱切削颤振、改善加工表面质量、延长刀具使用寿命和提高加工效率的目的。

激光预热辅助车削难加工材料时不同的预热工艺参数都会对工件表面质量产生影响。为研究工艺参数对工件质量的影响，本领域亟需一种可以同时改变预热工艺参数的辅助车削装置和包含其的激光预热辅助车削***。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了激光预热辅助车削调整装置及包含其的激光预热辅助车削***，能降低加工过程中难加工材料的屈服强度和提高材料的延展性，减少切削力和降低刀具磨损，提高难加工材料的加工效率、表面质量和刀具的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了激光预热辅助车削调整装置，其特征在于，包括Z向移动机构、C向旋转机构、R向移动机构、X向旋转机构和A向旋转机构，其中，

所述Z向移动机构包括支撑底板、Z向直线导轨、上支撑板，所述Z向直线导轨水平安装在所述支撑底板上，所述上支撑板安装在所述Z向直线导轨上；

所述C向旋转机构包括弧形导轨、弧形扇齿、弧形滑块、驱动齿轮和齿轮驱动装置，所述弧形导轨安装在所述上支撑板上并且其中心线平行于Z向直线导轨，该弧形导轨上设置所述弧形扇齿和弧形滑块，所述驱动齿轮安装在所述弧形滑块上并且其与所述弧形扇齿啮合，所述齿轮驱动装置安装在所述驱动齿轮上，以用于带动所述驱动齿轮转动；

所述R向移动机构包括R向支撑座、丝杠驱动装置和滚珠丝杠机构，所述R向支撑座安装在所述弧形滑块上，所述丝杠驱动装置和滚珠丝杠机构分别安装在所述R向支撑座上，并且所述丝杠驱动装置与所述滚珠丝杠机构的丝杠连接，此外，沿着所述弧形导轨的径向布置所述滚珠丝杠机构的丝杠；

所述X向旋转机构包括中间连接座和旋转座，所述中间连接座安装在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上，所述旋转座通过铰轴可转动安装在所述中间连接座上，并且所述铰轴垂直于所述滚珠丝杠机构的丝杠；

所述A向旋转机构包括位姿调整板，所述位姿调整板可转动安装在所述旋转座上，并且该位姿调整板进行旋转的中心线与所述铰轴垂直。

优选地，所述中间连接座上设置有弧形导向槽，所述弧形导向槽的中心线与所述铰轴的轴线同线，所述旋转座在对应于所述弧形导向槽的位置设置有滑动凸台，所述滑动凸台伸入所述弧形导向槽内，以便所述旋转座绕所述铰轴的轴线旋转。

优选地，所述旋转座上同心设置有两条弧形滑槽，所述位姿调整板在对应于每条所述弧形滑槽的位置分别设置一旋转凸台，并且每个所述旋转凸台分别伸入对应位置处的一所述弧形滑槽内，从而使所述位姿调整板可转动安装在所述旋转座上。

优选地，所述上支撑板上设置有用于支撑弧形扇齿和弧形导轨的支座。

按照本发明的另一个方面，还提供了适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，包括所述的激光预热辅助车削调整装置，其特征在于，还包括车削单元、激光预热单元，其中，

所述车削单元包括车床主体、刀架和车削进给台，所述车床主体具有主轴和导向轨，并且所述主轴和导向轨均与Z向直线导轨平行，所述车削进给台安装在所述导向轨上，所述刀架安装在该车削进给台上，所述刀架上安装车刀；

所述激光预热单元包括激光器聚焦头、半导体激光器和水冷箱，所述激光器聚焦头安装在所述激光预热辅助调整装置的位姿调整板上，所述半导体激光器和水冷箱均安装在支撑底座上，所述激光器聚焦头和所述水冷箱分别与所述半导体激光器连接；

优选地，该激光预热辅助车削***还包括测温拍照单元，所述测温拍照单元包括红外测温仪和CCD工业相机，并且它们均与所述激光预热单元的激光器聚焦头集成安装在同一壳体内。

优选地，该激光预热辅助车削***还包括切削力测量单元，所述切削力测量单元安装在所述刀架上，以用于检测所述车刀加工工件时的切削力。

优选地，该激光预热辅助车削***还包括PLC控制器，所述PLC控制器分别与所述半导体激光器、切削力测量单元、红外测温仪和CCD工业相机连接，所述PLC控制器通过红外测温仪采集工件上的温度，然后与PLC控制器内置最佳温度数据库比较，以调整半导体激光器的输出功率，进而保持工件上待切削预热区域的温度最佳化，此外，PLC控制器还根据切削力数据和加工后工件的表面形貌图像数据，从而获得预热工艺参数对加工后工件表面质量的影响规律。

优选地，所述预热工艺参数为激光光斑与切削刃之间沿工件轴向的轴向距离L_a、激光光束与竖直面的夹角θ_a、激光光斑与切削刃之间沿工件周向的距离L_c、激光光束与水平面的夹角θ_c、激光光斑的直径d和/或半导体激光器的功率P。

优选地，通过光束分离器使所述非接触式红外测温仪的激光、CCD工业相机的镜头轴线、激光器聚焦头发出的激光同轴。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的激光预热辅助车削调整装置可同时调整预热工艺参数，以研究不同预热工艺参数对加工后工件表面质量的影响规律。

2)本发明利用了光束分离器，把红外测温单元、拍照单元与激光器聚焦头集成安装在同一壳体内，此结构的设计避免了测温和拍照单元的夹具重新设计和安装时空间的占用。

3)本发明在激光预热、红外测温和CCD拍照后，还同时采用了动态测力仪进行采集切削力信号，通过观察切削力信号的变化，可以优化激光预热辅助切削的相应参数，以使得此时的刀具寿命使用最长，加工经济效益最高和加工表面质量最优。

附图说明

图1是本发明中激光预热辅助车削***的结构示意图；

图2、图3分别是本发明中激光预热辅助车削调整装置不同视角下的结构示意图；

图4是PLC控制器连接激光预热单元和测温拍照单元的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图2、图3，激光预热辅助车削调整装置100，包括Z向移动机构、C向旋转机构、R向移动机构、X向旋转机构和A向旋转机构，其中，

所述Z向移动机构包括双头螺钉101、支撑底板102、Z向直线导轨103、上支撑板104，通过四颗双头螺钉101将支撑底板102安装在车床上，Z向直线导轨103水平安装在所述支撑底板102上；所述上支撑板104安装在所述Z向直线导轨103上并能沿所述Z向直线导轨103的纵向移动；

所述C向旋转机构包括弧形导轨111、弧形扇齿112、支座113、弧形滑块114、驱动齿轮115和齿轮驱动装置116，所述弧形导轨111安装在所述上支撑板104上并且其中心线平行于Z向直线导轨103，该弧形导轨111上设置所述弧形扇齿112和弧形滑块114，所述驱动齿轮115安装在所述弧形滑块114上并且其与所述弧形扇齿112啮合，所述齿轮驱动装置116安装在所述驱动齿轮115上，以用于带动所述驱动齿轮115转动；优选地，所述齿轮驱动装置116为旋转手轮。

所述R向移动机构包括丝杠驱动装置121、R向支撑座122、滚珠丝杠机构123、导向光杆124和R向滑动块125，所述R向支撑座122安装在所述弧形滑块114上，所述丝杠驱动装置121、滚珠丝杠机构123和导向光杆124分别安装在所述R向支撑座122上，并且所述丝杠驱动装置121与所述滚珠丝杠机构123的丝杠连接，且沿着所述弧形导轨111的径向布置所述滚珠丝杠机构123的丝杠，R向滑动块125穿装在所述导向光杆124上，以使滚珠丝杠机构123的滚珠螺母上支撑的物体移动时保持平稳；优选地，所述丝杠驱动装置121为旋转手柄；

所述X向旋转机构包括铰轴131、中间连接座132、旋转板133、弧形导向槽134和滑动凸台135，所述中间连接座132安装在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上，所述旋转板133通过铰轴131可在所述中间连接座132上的弧形导向槽内转动，并且所述铰轴131垂直于所述滚珠丝杠机构的丝杠；

所述A向旋转机构包括旋转座141和位姿调整板142，所述位姿调整板142可转动安装在所述旋转座141上，并且该位姿调整板142的旋转中心线与所述铰轴131垂直。优选地，所述旋转座141上同心设置有两条弧形滑槽，所述位姿调整板142在对应于每条所述弧形滑槽的位置分别设置有旋转凸台，并且所述旋转凸台伸入所述弧形滑槽内，从而使所述位姿调整板142可转动安装在所述旋转座141上，并且旋转中心与所述铰轴131垂直。

所述弧形扇齿112通过螺钉安装在弧形导轨111上，进一步，所述弧形导轨111与所述上支撑板104之间设置有支座113，支座113同时支撑所述弧形扇齿112和弧形导轨111。

进一步，所述中间连接座132上设置有弧形导向槽134，弧形导向槽134的中心线与所述铰轴131的轴线同线，所述旋转板133在对应于所述弧形导向槽134的位置设置有滑动凸台135，所述滑动凸台135伸入所述弧形导向槽134内，以便所述旋转板133绕所述铰轴131的轴线旋转。

按照本发明的另一个方面，还提供了适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，包括所述的激光预热辅助车削调整装置100、激光器预热单元200、车削单元300、测温拍照单元400和切削力测量单元500，其中，

所述激光预热单元200包括水冷箱201、半导体激光器202和激光激光器聚焦头203，所述激光激光器聚焦头203安装在所述激光预热辅助调整装置100的位姿调整板142上，所述水冷箱201和半导体激光器202均安装在支撑底座405上，支撑底座405优选采用移动拖车，所述水冷箱201和所述激光器聚焦头203分别与所述半导体激光器202连接；

所述车削单元300包括车床主体、刀架和车削进给台，所述车床主体具有主轴和导向轨，并且所述主轴和导向轨均与Z向直线导轨平行，所述车削进给台安装在所述导向轨上，所述刀架安装在该车削进给台上，所述刀架上安装车刀，刀架能沿X轴方向和Z轴方向移动；

在刀架上安装切削力测量单元500，以用于检测所述车刀加工工件时的切削力。

所述测温拍照单元400包括红外测温仪401和CCD工业相机402，通过光束分离器将它们与激光预热单元的激光器聚焦头集成安装在同一壳体内。

进一步，该激光预热辅助车削***还包括PLC控制器403，所述PLC控制器403分别与所述半导体激光器202、红外测温仪401、CCD工业相机402和切削力测量单元500连接，以根据切削力数据和加工后工件的表面形貌图像数据，从而获得预热工艺参数对加工后工件表面质量的影响规律。

所述切削力测量单元500安装在所述刀架下，以用于检测所述车刀加工工件时的切削力；

进一步，所述预热工艺参数为激光光斑与切削刃之间沿工件轴向的轴向距离L_a、激光光束与竖直面的夹角θ_a、激光光斑与切削刃之间沿工件周向的距离L_c、激光光束与水平面的夹角θ_c、激光光斑的直径d和/或半导体激光器的功率P。

进一步，所述水冷箱201有两路回路，分别用于冷却半导体激光器和激光器聚焦头203。

进一步，通过光束分离器使所述非接触式红外测温仪401的激光、CCD工业相机402的镜头轴线、激光器聚焦头203发出的激光同轴。

综上所述，位姿调整板142的“Z向”的移动是沿Z向直线导轨103纵向移动的动作，位姿调整板142“C向”的旋转是沿所述弧形导轨112的轮廓进行周向旋转的动作，位姿调整板142“R向”的移动是沿所述弧形导轨112的径向移动的动作，位姿调整板142“X向”的旋转是指绕着铰轴131中心线旋转的动作，位姿调整板142“A向”的旋转是指绕着与所述铰轴131垂直的旋转中心线旋转的动作。

车削单元300的Z轴平行于Z向直线导轨，其X轴也位于水平面上，其Y轴为竖直方向。

参照图1，在车削单元300上安装好工件和刀具，并利用试切法进行对刀，确定好刀具与工件的位置；开启水冷箱让冷却水充满整个水管，然后开启激光控制器让激光器聚焦头产生可见的红色指示光，随后利用调整单元100调整激光照射在工件上对工件进行预热，最后运行机床代码让其正常车削，并通过PLC控制器开启激光预热单元200、测温拍照单元400和切削力测量单元500，采集相关的数据到计算机。

参照图2和图3，激光预热辅助车削调整装置100是激光预热辅助车削装置的重要组成部分，用来调整激光器照射在工件上的光斑与切削刃之间的相对位置，以研究不同预热工艺参数对难加工材料车削的表面质量影响规律。支撑底板102通过四个双头螺栓安装在车削进给台上，此设计方式合理利用了车床，不需在车床上额外扩孔，并且可以通过螺母上下运动来调整激光预热辅助调整装置100的整***置，为后面调整弧形扇齿112轴线与工件轴线同心提供保证。

切削单元300工作时，首先利用三夹夹盘装夹固定圆棒状的工件，然后将刀柄安装在半开式的刀架上，并通过三颗紧固螺钉从上面对刀柄进行紧固安装，此结构的设计有利于刀柄的安装和更换。随后在刀柄上安装耐高温陶瓷刀片，并移动车削进给台，采用试切对刀法进行Z向和X向对刀，最后根据加工参数如转速、切深、进给率等进行编写数控代码进行实际切削加工。

参照图4，激光器聚焦头203、CCD相机402和红外测温仪401共同安装在一外壳体内。该激光预热单元200具有水冷箱201，半导体激光器202、激光器聚焦头203和一些水管等其它配件。水冷箱201出水口冷却回路分为两路，其中一路进入半导体激光器用来冷却激光器内部模块，另一路进入激光器聚焦头用来冷却激光器聚焦头里面的光学镜片。启动半导体激光器，让其首先显示可见的红色指示光，根据红色指示光和上述的激光器位置调整单元来确定激光器光束照射在工件500上的位置，然后通过PLC控制器输入合适的预热功率和预热时间。

在本发明实施例测温拍照单元400中，测温拍照单元主要用于监测激光预热辅助车削中的预热温度和采集激光预热辅助加工后工件的表面形貌图像，以评估不同工艺参数对加工表面质量的影响。为避免测温拍照单元的二次设计和安装，节省时间和空间，测温拍照单元被与激光器聚焦头集成安装在同一壳体内。由图4所示，该测温拍照单元具有接触式红外测温仪401、CCD工业相机402和PLC控制器403等。为方便搬运和线路布局，预热单元200和测温拍照单元400涉及的采集器和控制器摆放在三层的移动拖车上。首先将激光预热辅助车削有限元仿真获得的最佳的预热温度数据库储存在PLC控制器中，在加工中利用非接触式红外测温仪测量切削区域的预热温度，并与预先在PLC里面存储的温度进行比较，然后通过PLC控制器调整相应激光器的功率，进而保持工件上待切削预热区域的温度最佳化。在激光预热辅助切削后，利用CCD工业相机对加工后的工件进行拍照获得加工表面形貌的图像，并通过显示器404进行初步观察分析加工后的工件表面质量，为后期利用图像来表征激光辅助预热车削的表面质量。

针对高强度的难加工材料，激光预热辅助车削可降低材料的屈服强度改善其可加工性，针对硬脆材料可将其脆性转化为延展性，减少了振动和降低了切削力。切削力测量单元500可以监测激光预热辅助车削过程中切削力的动态变化。该切削力测量单元500主要包括了动态测力仪Kistler9257b、信号放大器5070、NI采集器和电脑显示器等。首先通过螺钉将动态测力仪Kistler 9257b安装在小托板上，然后用螺钉将刀架固定在动态测力仪Kistler 9257b上，然后将动态测力仪Kistler 9257b、信号放大器5070、NI采集器、电脑显示器依次相连。激光预热辅助车削加工过程中采用测力仪实时采集加工过程中的压电信号，然后将压电信号接入信号放大器5070进行放大，最后通过NI数据采集***和电脑显示器实时显示加工过程中的三向动态切削力。

为了更好的说明本发明提供的激光预热辅助车削调整装置及包含其的激光预热辅助车削***的使用过程，以下以难加工材料Inconel718为具体实例进行详细说明，具体步骤如下：

1.根据所加工的难加工材料Inconel718确定相应的切削三要素和激光预热辅助工艺参数，详见表1。

表1激光预热辅助车削相关参数

2.首先将调整单元、激光预热单元、车削单元、测温拍照单元和切削力测量单元等各个单元单独组装完成，然后通过两两之间的关系依次连接线路，最后使得激光预热辅助车削装置能够空运行。

3.按照表1确定的辅助预热工艺参数，根据激光器位置调整单元调整好相应的激光器光斑与切削刃之间沿工件轴向的轴向距离L_a＝0mm，激光光束与竖直面的夹角θ_a＝5°，激光光斑与切削刃之间沿工件周向的距离L_c＝5mm，激光光束与水平面的夹角θ_c＝0°，光斑直径d＝2mm；根据激光预热单元调整好相应的激光器功率P＝500W；根据切削三要素编写好切削单元的数控代码。

4.打开水冷箱，让冷却水在填满各回路；在PLC控制器中设置好激光器启动关闭时间，然后开启数控机床，并同时开启非接触式红外测温和切削力测量单元，将测量的预热温度与PLC控制器中内置的最佳预热温度数据库进行对比，根据温度差值来重新调制激光器功率的大小。在激光器预热辅助车削后，开启拍照单元，采集加工后工件不同位置的表面形貌图像，为后期对图像进行处理来表征不同工艺参数对激光预热辅助车削的工件表面质量的影响提供基础。

综上所述，本发明提供的本发明提供的一种适用于难加工材料的激光预热辅助车削装置，一方面可用于研究辅助预热工艺参数对加工后工件表面质量的影响规律，为激光辅助预热车削的数据库的建立提供平台；另一方面激光预热单元、测温拍照单元和切削力测量单元等多个单元的协同工作，可以实现激光预热辅助车削难加工材料的工艺参数最优化进而提高刀具的使用寿命、材料的去除率、降低加工成本、提高表面质量，为高效高精加工提供了有效的平台支持。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.激光预热辅助车削调整装置，其特征在于，包括Z向移动机构、C向旋转机构、R向移动机构、X向旋转机构和A向旋转机构，其中，

2.根据权利要求1所述的激光预热辅助调整装置，其特征在于，所述中间连接座上设置有弧形导向槽，所述弧形导向槽的中心线与所述铰轴的轴线同线，所述旋转座在对应于所述弧形导向槽的位置设置有滑动凸台，所述滑动凸台伸入所述弧形导向槽内，以便所述旋转座绕所述铰轴的轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的激光预热辅助车削调整装置，其特征在于，所述旋转座上同心设置有两条弧形滑槽，所述位姿调整板在对应于每条所述弧形滑槽的位置分别设置一旋转凸台，并且每个所述旋转凸台分别伸入对应位置处的一所述弧形滑槽内，从而使所述位姿调整板可转动安装在所述旋转座上。

4.根据权利要求1所述的激光预热辅助车削调整装置，其特征在于，所述上支撑板上设置有用于支撑弧形扇齿和弧形导轨的支座。

5.适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，包括权利要求1～4中任一所述的激光预热辅助车削调整装置，其特征在于，还包括车削单元、激光预热单元，其中，

6.根据权利要求5所述的适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，其特征在于，该激光预热辅助车削***还包括测温拍照单元，所述测温拍照单元包括红外测温仪和CCD工业相机，并且它们均与所述激光预热单元的激光器聚焦头集成安装在同一壳体内。

7.根据权利要求6所述的适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，其特征在于，该激光预热辅助车削***还包括切削力测量单元，所述切削力测量单元安装在所述刀架上，以用于检测所述车刀加工工件时的切削力。

8.根据权利要求7所述的适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，其特征在于，该激光预热辅助车削***还包括PLC控制器，所述PLC控制器分别与所述半导体激光器、切削力测量单元、红外测温仪和CCD工业相机连接，所述PLC控制器通过红外测温仪采集工件上的温度，然后与PLC控制器内置最佳温度数据库比较，以调整半导体激光器的输出功率，进而保持工件上待切削预热区域的温度最佳化，此外，PLC控制器还根据切削力数据和加工后工件的表面形貌图像数据，从而获得预热工艺参数对加工后工件表面质量的影响规律。

9.根据权利要求5所述的适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，其特征在于，所述预热工艺参数为激光光斑与切削刃之间沿工件轴向的轴向距离L_a、激光光束与竖直面的夹角θ_a、激光光斑与切削刃之间沿工件周向的距离L_c、激光光束与水平面的夹角θ_c、激光光斑的直径d和/或半导体激光器的功率P。

10.根据权利要求5所述的适用于难加工材料的激光预热辅助车削***，其特征在于，通过光束分离器使所述非接触式红外测温仪的激光、CCD工业相机的镜头轴线、激光器聚焦头发出的激光同轴。