CN109454325A - 一种激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置及其工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置及其工艺，激光头和切磨工具分别处于透明工件的两侧，切磨工具固定在旋转轴上；激光头和旋转轴通过固定板固定于z向直线轴上；透明工件通过夹具固定于直线轴x上实现其沿x向移动；透明工件与激光头和切磨工具沿z方向的位移通过z向直线轴控制；激光从透明工件射入至工件另一侧，透明材料另一侧处在激光束离焦量范围内保证获得加热温度使其软化。具有减少工具磨损、提高工件表面质量的效果。

Description

一种激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置及其工艺
技术领域
本发明涉及一种新型的激光辅助切磨削加工装置，尤其涉及一种透明材料激光辅助切磨削加工装置。
背景技术
光学玻璃等透明材料以其高硬度、高强度以及耐高温、抗氧化性能和光学透过率等优异的机械性能和光学性能在光学元器件等领域得到了广泛的应用。其加工难题主要体现在加工质量差、效率低、加工成本高等方面。由于这类材料既硬又脆，传统加工中产生的崩碎性破坏和热裂纹严重影响零件的机械力学性能，因而传统机械加工方法很难得到满意的加工效果。采用超硬磨料砂轮磨削，会因施加的力及摩擦产生的热所诱发的工件表面变形、亚表面断裂、残余应力及其他形式的损伤依然不能得到彻底消除。此外，硬脆材料的超精密和高效率加工仍难以兼得，如何改善加工质量和提高加工效率成为目前对透明性硬脆材料的加工中函待解决的主要问题。
目前，采用激光辅助机械加工的相关技术已经日趋成熟，利用激光辅助加热的方式进行材料加工逐渐成为近几年的研究热点。但针对透明硬脆材料的高效率、高质量的透过式激光辅助加工装置及研究仍未见报道。
发明内容
为了克服现有技术采用激光辅助磨削加工过程中，激光容易被刀具遮挡、冷却液对光束质量的影响及激光束沿入射角造成能量损失等的不足，本发明的目的是提供一种激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置及其工艺，以改善透明硬脆材料的加工表面质量、提高整个加工工艺的效率，在透明材料的精密高效加工方面具有重要的意义。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
调整激光从被加工透明硬脆材料一侧入射(激光束与切/磨削工具位于同一水平)，调整激光焦点处于被加工表面上砂轮磨削点前方材料软化范围内，根据加工透明硬脆材料特性和软化程度而定(一般为3-8mm)，利用激光的预加热软化待加工材料并采用切削刀具或砂轮磨削去除材料。
激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置，包括运动***、激光***、测温***、微调控制***，激光***包括激光器、光纤、激光头；测温***包括计算机、红外热成像仪或红外测温仪。运动***包括x、y、z三向直线轴用于控制进给运动，旋转轴控制切磨削工具的进给或旋转。
切磨削工具固定在旋转轴上，控制其转动或直线进给；
激光头和旋转轴通过固定板固定于z向直线轴上；
所述透明工件通过夹具固定于直线轴x上，以实现其沿x向移动，夹具不能对激光束形成遮挡；
透明工件与激光头和切磨工具沿z方向的位移通过z向直线轴控制；
所述激光头通过微调装置调节与透明工件之间的位置，以便激光从透明工件射入至工件另一侧，透明材料另一侧要处在激光束离焦量范围内，以保证获得加热温度使其软化，激光头和切磨削工具分别处于透明工件的两侧；
所述测温装置为非接触式测温，为红外热成像仪或红外测温仪，用于实时监测激光加热温度。
激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置的操作工艺，步骤如下：
步骤一、将待加工透明工件安装于加工装备的工作台，将切磨削工具固定于旋转轴上；
步骤二、将切磨削工具及激光头分别安装于透明工件的两侧，调整激光焦点的位置使其处于切削或砂轮磨削待加工表面上，具体而言是调整激光焦点处于被加工表面上砂轮磨削点前方材料软化范围内(通过仿真模拟确定加工表面上砂轮磨削点前方材料软化范围是3-8mm)；
步骤三、调整非接触式测温装置的相对位置，使其对准透明工件的待切削/磨削区域，根据工件的实际厚度，调节激光头与切磨削工具的横向、纵向位置以保证激光热影响区获得合适的温度；所述的合适的温度是指加工透明工件的强度与硬度都有明显的下降，达到加热辅助切削要求时的温度；
步骤四、为了加工整个工件表面，透明材料激光辅助磨削加工采用单向进给、多道磨削的Z字形路径进行切/磨削，以保证激光预加热之后，砂轮磨削在进行材料去除前端；(此处是根据激光束与切削刀具/磨削砂轮相对位置设定的，因为只有激光束在刀具/砂轮前端才能进行加热，在切/磨削一道之后，返程时激光束是位于砂轮后端的，无法进行加热且激光束位置调整困难)。
步骤五、加工完成后，关闭所有***。
与现有激光辅助加工***相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明借助透明工件的特性，将激光从非加工面一侧入射，将能量聚焦在另一侧待加工区域，避免激光与砂轮之间的干涉，加热更加方便。(2)可以避免砂轮或切屑遮挡激光束，并防止切屑飞溅粘接在激光镜头上遮挡激光路径而造成激光烧坏振镜或物镜。(3)激光束可以最大限度地扩大入射角度的范围，这可以增强对激光能量和离焦量的精确控制以实现合理调控材料的软化程度。(4)激光头与旋转轴通过连接板安装在同一根直线轴上，可以保证激光与砂轮之间相对位置的精确控制，激光热影响区与材料去除区相一致，实现了在激光头与刀具保持相对位置固定不变的情况下,通过数控代码所生成的轨迹移动对透明材料进行切-磨削加工这一功能。
附图说明
图1是本发明的加工装置示意图；
图2是本发明透明材料激光辅助切削原理图。
图3是本发明透明材料激光辅助磨削原理图。
图4是图3中局部A的放大图。
图中：1、x向直线轴，2、y向直线轴，3、微调装置，4、微调装置，5、激光器，6、固定板，7、z向直线轴，8、旋转轴，9、透明工件，10、超硬磨料砂轮，11、测温装置，12、激光束，13、激光头，14、夹具，15、切削刀具，16、切屑，17、热影响区，18、砂轮旋转方向，19、砂轮磨粒，20、磨屑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
实施例1
参照图1所示，一种透明材料激光辅助切磨削加工装置，包括运动***，x、y、z三根直线轴控制进给运动，旋转轴8控制切磨削工具的进给或旋转；激光***，包括激光器、光纤、激光头装置；测温***，包括计算机、红外热成像仪或红外测温仪。
激光头23和旋转轴8通过固定板6固定于z向直线轴7上；
激光头通过微调装置调节与透明工件9之间的位置，以便激光从透明工件射入至工件另一侧，透明材料另一侧要处在激光束离焦量范围内，以保证获得加热温度使其软化；
透明工件通过夹具固定于直线轴x上，以实现其沿x向移动，夹具不能对激光束形成遮挡；透明工件与激光头和切磨工具沿z方向的位移通过z向直线轴控制；
切磨工具通过旋转轴7固定，控制其转动或直线进给。
测温装置为非接触式测温，为红外热成像仪或红外测温仪，用于实时监测激光加热温度。
参照图1所示，先将切削刀具15安装在旋转轴8上，旋转轴通过固定板6与z向直线轴7连接；激光器为光纤激光器，激光头通过支架与固定板6固定，固定板6与z向直线轴7相连，z向直线轴7可以控制激光头13和旋转轴8在z方向上的精密移动，激光头13可以通过尾部微调装置3和微调装置4调节与透明工件9之间的相对位置，以此来保证激光热影响区与透明工件9的待加工材料去除区保持一致，激光器可以通过自身的控制面板调节激光的入射激光功率、激光频率等参数；透明工件9通过夹具14进行固定，夹具安装在工作平台上，工作平台通过x向直线轴1控制透明工件9在x向的精密移动；测温***11由红外测温装置和计算机构成，红外测温装置为非接触式测温，测量方式简单方便，可以实时反馈激光热影响区的温度变化，实现对材料待加工区温度的精确控制；在加工过程中激光与切削刀具在横向和纵向保持相对静止，通过z向直线轴7实现二者的联动控制，加工路径按预定的轨迹移动实现工件的加工。
参照图2，由于工件9透明，激光束12可以透过工件9对另一侧进行加热，激光束始终在待加工区前端对工件9进行加热，激光热影响区与砂轮磨削弧区一致，在热影响区17的作用下工件材料得到最大限度的软化，在切削刀具15的作用下将软化深度为ap的软化层去除，形成切屑16。
实施例2
实施例1中安装的切削刀具在该实施例中替换为超硬磨料砂轮10，参照图3，由于透明工件9透光，激光束12可以透过透明工件9对另一侧进行加热，激光束始终在待加工区前端对工件9进行加热，激光热影响区与砂轮磨削弧区一致，在热影响区17的作用下工件材料得到最大限度的软化，在砂轮磨粒19的作用下将软化深度为ap的软化层去除，形成磨屑20。
这种方法在一方面可以实现硬脆材料的延性去除，提高透明材料的加工表面质量，另一方面可以增强对激光能量和离焦量的精确控制，合理调控材料的软化程度，以降低磨削过程的磨削力，减小砂轮的磨损程度，提高砂轮的使用寿命。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明,而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置，包括运动***、激光***、测温***、微调控制***，激光***包括激光器、光纤、激光头；测温***包括计算机、红外热成像仪或红外测温仪；运动***包括x、y、z三向直线轴和旋转轴；
切磨削工具固定在旋转轴上控制其转动或直线进给；
激光头和旋转轴通过固定板固定于z向直线轴上；
透明工件通过夹具固定于直线轴x上实现其沿x向移动；
透明工件与激光头和切磨工具沿z方向的位移通过z向直线轴控制；
所述测温装置为非接触式测温。
2.权利要求1所述的激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置的操作工艺，其特征在于，步骤如下：
步骤一、将待加工透明工件安装于加工装备的工作台，将切磨削工具固定于旋转轴上；
步骤二、将切磨削工具及激光头分别安装于透明工件的两侧，调整激光焦点的位置使其处于砂轮磨削待加工表面上；
步骤三、调整非接触式测温装置的相对位置，使其对准透明工件的待切削区域，根据工件的实际厚度，调节激光头与切磨削工具的横向、纵向位置以保证激光热影响区获得合适的温度；
步骤四、为了加工整个工件表面，透明材料激光辅助磨削加工采用单向进给、多道磨削的Z字形路径进行磨削，以保证激光预加热之后，砂轮再进行磨削去除前端材料；
步骤五、加工完成后，关闭所有***。
3.权利要求2所述的激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置的操作工艺，其特征在于步骤（3）中所述的合适的温度是指加工透明工件的强度与硬度都有明显的下降，达到加热辅助切削要求时的温度。
4.权利要求2所述的激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置的操作工艺，其特征在于，步骤（2）中所述调整激光焦点的位置使其处于砂轮磨削待加工表面上是调整激光焦点处于被加工表面上砂轮磨削点前方材料软化范围内。
5.权利要求4所述的激光辅助切磨削加工透明硬脆材料的装置的操作工艺，其特征在于，通过仿真模拟确定加工表面上砂轮磨削点前方材料软化范围是3-8mm。
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