CN109604832A - 一种适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，根据待加工材料特性选择合适的激光类型及参数，对激光加热待加工材料温度分布进行仿真确定激光离焦量及激光斑点与砂轮磨削区域的相对位置，采用修整后的V形或圆弧砂轮在合适的磨削参数下对待加工材料进行点磨削加工。解决了难加工材料点磨削加工过程中砂轮尖端易磨损、加工表面质量差的问题。

Description

一种适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法

技术领域

本发明涉及磨削领域，尤其涉及难加工材料的激光辅助点磨削加工技术。

背景技术

激光辅助加工最早用于硬质材料的激光辅助车削。激光束直接聚焦于刀具切削区域的前面以预先软化待加工材料，可以降低硬脆材料(Si₃N₄,SiC,ZrO₂,Al₂O₃,光学玻璃等)加工表面的断裂倾向或促进高温合金、Ti合金已加工表面的均匀化变形。激光辅助切削加工可有效提高难加工材料的加工效率，改善加工表面质量并降低刀具磨损。除了难加工材料的激光辅助车削，激光辅助铣削、激光辅助电化学加工及激光辅助射流加工技术也已被用于难加工材料的精密加工。

点磨削作为一种新的磨削加工技术，适用于结构表面及复杂表面的加工。该工艺过程来源于CNC车削加工，通过伺服机构及滚珠丝杠驱动加工设备各轴的同步运动，可以采用同一把砂轮实现成型加工、端面加工、切割等。在点磨削过程中，所使用的砂轮具有尖锐的工作区域，其与工件为点接触。在高转速及精密参数下的磨削过程中，其接触区域可认为恒定，与单点金刚石切削过程相似，因此也被称作单点磨削。

但是，由于点磨削过程中砂轮参与材料去除的有效区域小，磨损速度快。

发明内容

考虑到激光辅助加工所特有的缺点，本发明的目的是提供一种适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，将激光辅助加工应用于难加工材料点磨削工艺过程，大幅度提升砂轮尖端的寿命并改善加工表面质量。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

针对所加工材料的特性，选用特定类型的激光(激光功率和波长)，聚焦于待加工表面上软化材料，通过具有尖锐边缘的砂轮去除软化的材料。根据激光加热材料的温度区间分布状况，选择一定的离焦量，调控激光斑点的大小，并进一步选择特定点磨削加工工艺参数，包括磨削深度、进给速率、激光斑点中心距离磨削区域的距离。

一种适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，步骤如下：

步骤一：根据所需加工的难加工材料特性，选择某种类型的激光，包括激光功率、激光波长、脉冲宽度、离焦量等；

选择原则是：对于工程陶瓷(氮化硅、氧化铝、氧化锆等)类难加工材料，采用波长为可见光或红外波段的CO₂或YAG激光；

对于高温合金与钛合金类难加工材料采用波长为1060nm的CO2或YAG激光，脉冲宽度为纳秒或毫秒为宜，以增大激光的吸收率，产生更好的热效应。

步骤二：计算在选用的激光辐照参数下，对激光光斑预加热材料的温度分布进行仿真，在此基础上确定合适的激光离焦量及激光光斑和砂轮磨削区域的距离L。

步骤三：根据所使用的激光器及砂轮，合理布置并搭建激光辅助点磨削加工平台。

如图1所示，工件安装于旋转工作台上，激光沿待加工区域一侧入射，超硬磨料砂轮在激光辐照区后方L处进行磨削加工，砂轮位姿可以有两种布局，如图3(c)中的砂轮线速度与工件线速度平行的布局方式；第二种如图3(d)中线速度与工件线速度垂直的布局方式。

步骤四：采用修整器对砂轮进行修整获得尖锐的磨削边缘。所述的砂轮为V形砂轮或圆弧砂轮。

步骤五：根据步骤二确定的激光辐照区域的温度分布状况，选择合适的点磨削深度，根据材料的不同选择砂轮进给速度及砂轮转速等。步骤五中磨削进给方向为直线或螺旋线进给。

本发明通过激光辅助点磨削加工难加工材料，可以提高点磨削所使用砂轮的尖端寿命，减少砂轮修整次数，从而提高磨削加工效率。此外，砂轮工作能力的保持还可提升所加工表面的面形精度。另一方面，采用激光预先软化高温合金、Ti合金等韧性较好材料，然后通过砂轮磨削去除材料可以促进表面均匀化残余变形；在加工光学玻璃、陶瓷、复合材料的硬脆材料时，激光预先软化待加工材料可促进韧性域加工，从而改善加工表面完整性。

附图说明

图1为本发明的布局示意图。

图2为本发明中所使用的V形和圆弧砂轮的工作原理图，其中(a)是V形砂轮点磨削，(b)是圆弧砂轮点磨削。

图3为本发明中两种激光辅助点磨削轨迹图。

图4是划分网格划分后的工件示意图。

图中：1、装夹主轴，2、工件，3、激光头，4、激光束，5、砂轮，6、激光热影响区，7、“Z”字进给路径，8、“Z”字返回路径，9、螺旋进给路径。

具体实施方式

以下将结合实施例具体说明本发明的技术方案：

实施例1

参照图1，一种难加工材料激光辅助点磨削加工方法，包括以下步骤：

步骤一：根据所需加工的材料特性，选择某种类型的激光，包括激光功率、激光波长、脉冲宽度等。

本实施例中，所述的难加工材料是氮化硅陶瓷，因为其硬脆以及激光吸收率相对较大特性，因此发明人采用红外激光，其包括激光功率、激光波长、脉冲宽度分别是30W-50W，1064nm，8ns-120ns。

步骤二：在选用的激光辐照参数下，对激光光斑预加热材料的温度分布进行仿真，得到激光热影响区深度h和温度场分布，在此基础上确定激光中心距砂轮磨削弧区的距离L以及磨削深度a_p。

仿真过程为：

由能量守恒定律和傅里叶定律，采用热力学传导控制方程为：

式(1)中，k_r,k_θ,k_z分别是r，θ，z方向的材料的导热系数W/(m·K)，由于将工件看作各向同性材料，则k_r＝k_θ＝k_z；c为材料的比热容J/(kg·K)；T为某一时刻的温度(℃)；

ρ为工件材料的密度(kg/m³)；

q”'为单位体积内产生的热量，考虑到实际工件无内部热源，则q”'＝0。

将工件的整体初始温度设定为

T(r,θ,z,t＝0)＝T_o (2)

工件表面存在热流密度输入和对流换热边界条件，所以满足

式中，A为工件的热吸收系数，取0.88。激光作用过程中产生的对流热流。单位面积换热能量为：

q_conv＝h_c(T_s-T_b) (4)

式中，h_c为周围空气对流换热系数取200W/(m·K)；T_s为工件表面温度；T_b为环境温度(22℃)。

在整个激光加热***中，砂轮处于同时辐射和吸收热量状态，他们之间的净热量传递可以用史蒂芬-波尔兹曼方程计算(辐射热流密度)：

式中，σ为波尔兹曼常数5.67×10-8W/(m²·K⁴)；ε为热辐射率。

将激光束近似为理想的高斯光束，透明材料激光辐照形成的能量密度可以表示为：

其中A为透明材料对激光的吸收率，与激光波长，材料性能、工件表面状态以及几何形貌有关；P为激光平均功率；f_l为激光重复频率；r为激光辐照范围内任一点距光斑中心的半径。

激光辅助加热温度场分析需要选择三维瞬态热分析单元，单元类型选为SOLID70。划分网格划分后的工件如图4所示，网格尺寸为0.001mm。采用ANSYS有限元软件，通过加载激光热流密度、出事条件和边界条件可以得到激光温度场的分布情况和热影响深度h，在小于h范围内，氮化硅陶瓷得到充分软化，只需要保证a_p＜h即可。

步骤三：根据所使用的激光器及砂轮，合理布置并搭建激光辅助点磨削加工平台，如图1、2所示，工件2安装于装夹主轴1上，由激光头3发出的激光束4沿入射角辐照于工件待加工表面，在工件表面产生激光热影响区6，砂轮5在距激光辐照中心L距离处以磨削深度a_p的磨削深度进行磨削加工(见图2)。由于装夹主轴1的运动方式的不同，可以将磨削方式分成四种形式；1、装夹主轴固定，砂轮旋转方向与进给方向垂直(见图3(a))，形成“Z”字磨削路径；2、装夹主轴固定，砂轮旋转方向与进给方向水平(见图3(b))，形成“Z”字磨削路径；3、装夹主轴转动，砂轮线速度与工件速度水平(见图3(c))，形成螺旋磨削路径；4、装夹主轴转动，砂轮线速度与工件速度垂直(见图3(d))，形成螺旋磨削路径)。

步骤四：采用修整器对V形砂轮进行修整获得尖锐的磨削边缘。

步骤五：根据步骤二确定的激光辐照区域的温度分布状况，选择合适的点磨削深度，保证磨削深度a_p小于热影响区深度h，通过仿真可知a_p在0.2mm左右，根据氮化硅材料的不同选择砂轮进给速度10-30mm/min及砂轮转速为400-800r/min，L＝2mm左右。步骤五中磨削进给方向为直线或螺旋线进给。

实施例2

与实施例1不同的是，步骤四将超硬磨料砂轮与凹圆弧边缘的碳化硅砂轮对磨，以产生一定圆弧半径(r＝5mm)的砂轮边缘。

按照砂轮位姿和工作台旋转方式不同将材料去除路径分为四种，如图3所示。1、装夹主轴固定，砂轮旋转方向与进给方向垂直(见图3(a))，形成“Z”字磨削路径；2、装夹主轴固定，砂轮旋转方向与进给方向水平(见图3(b))，形成“Z”字磨削路径；3、装夹主轴转动，砂轮线速度与工件速度水平(见图3(c))，形成螺旋磨削路径；4、装夹主轴转动，砂轮线速度与工件速度垂直(见图3(d))，形成螺旋磨削路径。

以上所述的实施例并非用于限定本发明的范围，本领域技术人员可以根据该***进行各种变形和改进，而基于本发明原理的所有技术变化均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：根据所需加工的难加工材料特性，选择激光类型；

步骤二：在选用的激光辐照参数下，对激光光斑预加热材料的温度分布进行仿真，在此基础上确定合适的激光离焦量及激光光斑和砂轮磨削区域的距离L；

步骤三：根据所使用的激光器及砂轮，搭建激光辅助点磨削加工平台；

步骤四：采用修整器对砂轮进行修整获得尖锐的磨削边缘；所述的砂轮为V形砂轮或圆弧砂轮；

步骤五：根据步骤二确定的激光辐照区域的温度分布状况，选择合适的点磨削深度，根据材料的不同选择砂轮进给速度及砂轮转速；磨削进给方向为直线或螺旋线进给。

2.权利要求1所述的适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，其特征在于，步骤一中，激光类型的选择原则是对于工程陶瓷类难加工材料，采用波长为紫外或深紫外激光；对于高温合金与钛合金类难加工材料采用波长为1060nm的CO₂或YAG激光，脉冲宽度为纳秒或毫秒。

3.权利要求1所述的适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，其特征在于，步骤三中，激光辅助点磨削加工平台是：工件安装于旋转工作台上，激光沿待加工区域一侧入射，超硬磨料砂轮在激光辐照区后方L处进行磨削加工，L是激光光斑和砂轮磨削区域的距离。

4.权利要求3所述的适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，其特征在于超硬磨料砂轮位姿有两种布局，一种是砂轮线速度与工件线速度平行的布局方式，另一种是线速度与工件线速度垂直的布局方式。

5.权利要求1所述的适用于难加工材料的激光辅助点磨削加工方法，其特征在于，步骤三的仿真过程为：

由能量守恒定律和傅里叶定律，采用热力学传导控制方程，如下面的式(1)所示：

式(1)中，k_r,k_θ,k_z分别是r，θ，z方向的材料的导热系数，W/(m·K)，

由于将工件看作各向同性材料，则k_r＝k_θ＝k_z；

c为材料的比热容J/(kg·K)；

T为某一时刻的温度(℃)；

ρ为工件材料的密度(kg/m³)；

q”'为单位体积内产生的热量，考虑到实际工件无内部热源，则q”'＝0；

将工件的整体初始温度设定，如式(3)所示

T(r,θ,z,t＝0)＝T_o 式(3)

工件表面存在热流密度输入和对流换热边界条件，所以满足式(4)：

式中，A为工件的热吸收系数，取0.88；

激光作用过程中产生的对流热流。单位面积换热能量如式(5)：

q_conv＝h_c(T_s-T_b) 式(5)

式中，h_c为周围空气对流换热系数取200W/(m·K)；T_s为工件表面温度；T_b为环境温度；

在整个激光加热***中，砂轮处于同时辐射和吸收热量状态，之间的净热量传递可以用式(6)的史蒂芬-波尔兹曼方程计算：

式中，σ为波尔兹曼常数5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；ε为热辐射率；

将激光束近似为理想的高斯光束，透明材料激光辐照形成的能量密度可以表示为式(6)：

其中A为透明材料对激光的吸收率，与激光波长，材料性能、工件表面状态以及几何形貌有关；

P为激光平均功率；f_l为激光重复频率；r为激光辐照范围内任一点距光斑中心的半径；

激光辅助加热温度场分析需要选择三维瞬态热分析单元；采用ANSYS有限元软件，通过加载激光热流密度、初始条件和边界条件可以得到激光温度场的分布情况和热影响深度h，在小于h范围内，氮化硅陶瓷得到充分软化，只需要保证a_p＜h即可。