CN110899981A - 一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，它涉及一种激光辅助加工硬脆材料方法，具体涉及一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法。本发明为了解决目前的激光辅助车削只能应用于圆柱面车削，激光焦点与切削区域置于同一个圆周面内，这使刀具与激光焦点的几何位置关系无法保持恒定的问题。本发明的步骤为步骤一、搭建激光辅助切削平台；步骤二、将激光输出头产生的连续激光束聚焦于工件表面；步骤三、使用刀具对改性后的工件表面进行切削加工。本发明属于机械加工领域。

Description

一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法
技术领域
本发明涉及一种激光辅助加工硬脆材料方法，具体涉及一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，属于机械加工领域。
背景技术
硬质合金、陶瓷、玻璃等硬脆材料在航空、光电子、医疗等领域都有着重要的应用价值和广阔的应用前景，由这些材料制成的关键零部件以其优越的机械、光学特性相比于传统的零件大大提高了使用寿命以及抵抗极端条件的能力。但是这些材料一般都具有较大的加工难度，如较高的硬度、较低的断裂韧性等等，在加工过程中会对刀具产生较大的磨损，给传统的机械加工手段带来了较大的难度。激光辅助加工被认为是一种加工硬脆材料的有效手段：它利用激光高能场对加工区域进行照射，使局部材料在高温下软化或相变，然后再进行机械加工。激光场的加入可以有效，从而降低材料表面的硬度，降低加工难度。但是目前，大部分激光辅助加工的方法都是针对于柱面车削加工，将激光与刀具保持相对位置不变，对激光加热并处于降温过程中的材料使用刀具进行材料去除加工。在加工的过程中，需要提前精确计算并调节好激光焦点与刀具的位置关系，并且只能对工件的某一简单形状的表面进行重复加工，无法适应具有复杂形状的表面；此外，目前的激光辅助车削只能应用于圆柱面车削，激光焦点与切削区域置于同一个圆周面内，这使刀具与激光焦点的几何位置关系无法保持恒定。
发明内容
本发明为解决目前的激光辅助车削只能应用于圆柱面车削，激光焦点与切削区域置于同一个圆周面内，这使刀具与激光焦点的几何位置关系无法保持恒定的问题，进而提出一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述方法的具体步骤如下：
步骤一、搭建激光辅助切削平台；
步骤二、将激光输出头产生的连续激光束聚焦于工件表面；
步骤三、使用刀具对改性后的工件表面进行切削加工。
进一步的，步骤一中激光辅助切削平台包括五轴手动位移平台和激光加工模块，激光加工模块安装在五轴手动位移平台上；
搭建激光辅助切削平台的步骤为：
步骤A、将激光加工模块安装在五轴位移平台上；
步骤B、将五轴位移平台安装在超精密机床上；
步骤C、将刀具安装在超精密机床上。
进一步的，五轴手动位移平台包括竖直Y方向手动位移平台、连接肋板、旋转R方向手动位移平台、直线Z方向手动位移平台、直线X方向手动位移平台和直线W方向手动位移平台；激光加工模块安装在直线W方向手动位移平台上，直线W方向手动位移平台安装在竖直Y方向手动位移平台上，竖直Y方向手动位移平台通过连接肋板与旋转R方向手动位移平台连接，旋转R方向手动位移平台安装在直线Z方向手动位移平台上，直线Z方向手动位移平台安装在直线X方向手动位移平台上。
进一步的，激光加工模块包括保护窗玻璃、会聚镜***、准直镜***、激光光纤、水冷接头、后保护板、激光器QBH输出头、底座板、防护罩和前保护板；保护窗玻璃、会聚镜***、准直镜***由前至后首尾依次连接，保护窗玻璃、会聚镜***、准直镜***由前至后依次安装在防护罩内，准直镜***通过激光器QBH输出头与激光光纤连接，前保护板安装在防护罩的前端，后保护板安装在防护罩的后端，水冷接头安装在后保护板上。
进一步的，步骤二中将激光输出头产生的连续激光束聚焦于工件表面的具体步骤如下：
步骤a、通过五轴位移平台调整激光加工模块的激光光斑在工件表面的位置；
步骤b、调节并确定激光光斑半径；
调节激光聚焦于工件表面，此时激光的离焦量Z＝0；当Z＝Z+>0或＜0时，激光处于离焦状态；当激光产生离焦量时，激光光斑会变大；
步骤c、进行激光扫描烧蚀实验，获得功率、黑体涂层溶液溶度、离焦量三个参数；
步骤d、对不同的激光扫描速度进行分组烧蚀研究；
步骤e、使用COMSOL软件对步骤d中扫描过程进行有限元仿真；
步骤f、在COMSOL软件处理中，分别求解模型温度峰值、激光光斑处截面应力分布；
步骤g、确定激光参数。
进一步的，步骤b中根据激光原理，激光光斑半径表达式为：
Figure BDA0002302576120000021
Figure BDA0002302576120000031
公式①中ZR表示瑞利长度，
Figure BDA0002302576120000032
表示激光器所产生激光光束的束腰半径，且ω0＝70μm，ω(z)表示激光光斑半径，Z表示激光离焦量，公式②中λ表示激光中心波长。
进一步的，步骤b中激光在工件表面点蚀时间为1秒。
进一步的，步骤c中进行激光扫描烧蚀实验，获得功率、黑体涂层溶液溶度、离焦量三个参数的步骤为：
一、分组调节激光功率、黑体涂层溶液浓度；激光功率的调节范围为20W～100W，黑体涂层溶液浓度10％～20％；
二、对各烧蚀点进行显微观测并测量烧蚀区域的面积，挑选烧蚀区域有烧熔痕迹并没有明显黑体涂层残留的功率与涂层浓度作合理的参数；
三、通过五轴位移平台调节激光***的位移，产生激光离焦量，离焦量的数值范围为0～45mm，使用上一步骤中获得的激光功率、黑体涂层溶液浓度参数对离焦量进行分组烧蚀实验，对得到的烧蚀点进行观测、测量，选择烧蚀面积最大并且表层材料烧熔效果最明显且无黑体涂层残留的离焦量参数。
进一步的，步骤d中使用步骤c中获得的激光功率、黑体涂层溶液浓度、离焦量三个参数进行激光对工件表面动态扫描烧蚀过程实验，并获取激光扫描速度，激光扫描速度公式为：
vc＝2δ·N③，
公式③中N表示超精密机床的主轴转速，δ表示激光烧蚀半径，vc表示激光扫描速度。
本发明的有益效果是：本发明针对激光辅助车削端面工艺，提供了实现激光对车削刀具刀尖位置对焦较便捷的可调整平台。
本发明针对激光辅助车削端面工艺参数选择，提供了能改变激光离焦量、激光入射角度、激光焦点与车削刀具刀尖位置距离等工艺参数的可调节平台。
本发明的激光烧蚀策略提高了透明硬脆材料对于激光能量的吸收率，实现了激光辅助车削的基本要求。
本发明针对于激光辅助车削端面加工工艺中激光参数、超精密车削加工参数以及两者参数之间的匹配关系，提出了参数优选方法。
附图说明
图1是激光辅助切削平台的结构示意图；
图2是激光加工模块的结构示意图；
图3是五轴手动位移平台的结构示意图；
图4是对工件的激光烧蚀策略示意图。
图5为使用COMSOL建模激光扫描烧蚀过程示意图。
图6为表面激光改性后超精密切削过程截面图。
图4至图6中23-有助于吸收激光能量的黑体图层、24-工件有限元模型、25-二维椭圆高斯热源激光能量密度模型、26-激光烧蚀的热影响区域截面。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的具体步骤如下：
步骤一、搭建激光辅助切削平台；
步骤二、将激光输出头产生的连续激光束聚焦于工件表面；
步骤三、使用刀具2对改性后的工件表面进行切削加工。
具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的步骤一中激光辅助切削平台包括五轴手动位移平台3和激光加工模块4，激光加工模块4安装在五轴手动位移平台3上；
搭建激光辅助切削平台的步骤为：
步骤A、将激光加工模块4安装在五轴位移平台3上；
步骤B、将五轴位移平台3安装在超精密机床1上；
步骤C、将刀具2安装在超精密机床1上。
具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的五轴手动位移平台3包括竖直Y方向手动位移平台16、连接肋板17、旋转R方向手动位移平台18、直线Z方向手动位移平台19、直线X方向手动位移平台20和直线W方向手动位移平台21；激光加工模块4安装在直线W方向手动位移平台21上，直线W方向手动位移平台21安装在竖直Y方向手动位移平台16上，竖直Y方向手动位移平台16通过连接肋板17与旋转R方向手动位移平台18连接，旋转R方向手动位移平台18安装在直线Z方向手动位移平台19上，直线Z方向手动位移平台19安装在直线X方向手动位移平台20上。
具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的激光加工模块4包括保护窗玻璃5、会聚镜***6、准直镜***7、激光光纤8、水冷接头9、后保护板10、激光器QBH输出头11、底座板12、防护罩13和前保护板14；保护窗玻璃5、会聚镜***6、准直镜***7由前至后首尾依次连接，保护窗玻璃5、会聚镜***6、准直镜***7由前至后依次安装在防护罩13内，准直镜***7通过激光器QBH输出头11与激光光纤8连接，前保护板14安装在防护罩13的前端，后保护板10安装在防护罩13的后端，水冷接头9安装在后保护板10上。
具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的步骤二中将激光输出头产生的连续激光束聚焦于工件表面的具体步骤如下：
步骤a、通过五轴位移平台3调整激光加工模块4的激光光斑在工件表面的位置；
步骤b、调节并确定激光光斑半径；
调节激光聚焦于工件表面，此时激光的离焦量Z＝0；当Z＝Z+>0或＜0时，激光处于离焦状态；当激光产生离焦量时，激光光斑会变大；
步骤c、进行激光扫描烧蚀实验，获得功率、黑体涂层溶液溶度、离焦量三个参数；
步骤d、对不同的激光扫描速度进行分组烧蚀研究；
步骤e、使用COMSOL软件对步骤d中扫描过程进行有限元仿真；
步骤f、在COMSOL软件处理中，分别求解模型温度峰值、激光光斑处截面应力分布；
步骤g、确定激光参数。
本实施方式中使用COMSOL软件对步骤d中扫描过程进行有限元仿真的过程中使用传热模块与固体力学模块相互耦合；为了简化模型，节省模型计算时间，工件被定义为一个5mm×4mm×1mm的矩形24。工件材料属性定义为COMSOL材料库中自带的相应材料，材料属性中有光热力学的相关性质参数需要采用实际测量值进行修正：真空热导率、热膨胀系数、恒压比热容以及密度，以上参数皆为随温度变化的参数。激光光束被定义为作用于工件表面的移动热源，表面涂层效应通过改变激光作用表面边界的放射率来实现，未添加黑体涂层的模型表面放射率为实际的材料放射率，添加了黑体涂层的放射率定义为0.9。对工件整体进行自由四面体网格划分，单元最大尺寸为100μm，最小尺寸为30μm。为了提高计算精度，对激光扫描区域进行三级细分网格。本设计中本研究中所采用的激光束能量分布为高斯分布，此外，在实验过程中激光束不垂直于工件表面，因此实际的激光光斑区域为一椭圆区域。在高斯分布中沿X和Y方向的场强分布方程分别为：
Figure BDA0002302576120000061
在上式中，c为分布标准差，c＝r’/3，r’为最小光斑半径，r’＝150μm。假设激光传播方向与工件表面之间的角度为α，在X方向上的高斯分布公式转化为：
Figure BDA0002302576120000062
激光光源移动速度为vL，Y方向上高斯分布的表达式为：
Figure BDA0002302576120000063
因此本研究中激光移动热源在二维方向上的移动热源功率密度方程可以表示为：
Ixy＝P·qx·qy (7)
在COMSOL软件后处理中，分别求解模型温度峰值、激光光斑处截面Von-Mises应力分布。将温度峰值与材料的相变点、熔点进行对比，当材料的“相变点＜温度峰值＜材料熔点”时，认为激光加热导致材料产生相变；在Von-Mises应力分布图中，将热应力分布与材料的断裂强度相对比，当“热应力>断裂强度”时，认为激光加热导致材料碎裂。将仿真结果与实验结果相对比，优化激光扫描的工艺参数，并得到激光的热影响深度dT。
使用圆弧刃车刀对激光改性的表面进行切削去除，如图6中所示。为了保证刀具始终切削激光改性的材料，则圆弧刃车刀的刀尖半径R≤RT，RT为烧蚀截面的曲率半径，RT由SEM观测烧蚀截面的形状后拟合得出；在切削深度方向上刀具不能超过激光改性层，因此背吃刀量dc＜dT；同时，应当区分激光改性导致的是变性层碎裂还是变性层组织结构变化，如果激光改性层有明显裂纹延展，则改性层在热应力的作用下崩裂，dc可以取较大的值而不会损伤刀具(dc～dT)；若改性截面无明显裂纹，则观测其烧熔区域形状或使用EDS元素分析，截面材料富氧区域为改性区域，此时应尽量减小dc，并通过多次切削将改性截面逐步去除(dc＝dT/n；)。
为了能够充分切削去除激光改性材料层，车削进给速度fc＜fT，根据以上参数，可以降低刀具磨损，增加材料的去除效率，提高工件的表面切削质量。
具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的步骤b中根据激光原理，激光光斑半径表达式为：
Figure BDA0002302576120000071
Figure BDA0002302576120000072
公式①中ZR表示瑞利长度，
Figure BDA0002302576120000073
表示激光器所产生激光光束的束腰半径，且ω0＝70μm，ω(z)表示激光光斑半径，Z表示激光离焦量，公式②中λ表示激光中心波长。
具体实施方式七：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的步骤b中激光在工件表面点蚀时间为1秒。
具体实施方式八：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的步骤c中进行激光扫描烧蚀实验，获得功率、黑体涂层溶液溶度、离焦量三个参数的步骤为：
一、分组调节激光功率、黑体涂层溶液浓度；激光功率的调节范围为20W～100W，黑体涂层溶液浓度10％～20％；
二、对各烧蚀点进行显微观测并测量烧蚀区域的面积，挑选烧蚀区域有烧熔痕迹并没有明显黑体涂层残留的功率与涂层浓度作合理的参数；
三、通过五轴位移平台3调节激光***的位移，产生激光离焦量，离焦量的数值范围为0～45mm，使用上一步骤中获得的激光功率、黑体涂层溶液浓度参数对离焦量进行分组烧蚀实验，对得到的烧蚀点进行观测、测量，选择烧蚀面积最大并且表层材料烧熔效果最明显且无黑体涂层残留的离焦量参数。
具体实施方式九：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：步骤d中使用步骤c中获得的激光功率、黑体涂层溶液浓度、离焦量三个参数进行激光对工件表面动态扫描烧蚀过程实验，并获取激光扫描速度，激光扫描速度公式为：
vc＝2δ·N③，
公式③中N表示超精密机床1的主轴转速，δ表示激光烧蚀半径，vc表示激光扫描速度。
由于各类材料对激光的吸收率不同，在进行某些具有高红外透过率的陶瓷材料加工时，大部分激光能量会穿透材料，无法聚焦到材料表面，实现辅助加工。考虑到这一点，本设计中借助于能够大幅度提升激光吸收效率的红外黑体涂层23。黑体涂层对红外光具有较高的吸收率，当激光照射其表面上时，只有少部分能量会被反射或折射，大部分能量都将被涂层材料所吸收，在激光光斑区域集中转化为热量。本设计中所选用的涂层材料是一种易溶于有机溶剂的有机黑体漆颜料，放射率高达0.9±0.05，放射率即为材料对光的吸收效率。在激光烧蚀工件表面的过程中，黑体涂层的厚度起着很重要的作用。和黑体涂层主要成分为有机颜料，极易溶于丙酮，通过使用丙酮试剂稀释黑体漆溶液并控制黑体涂层与所溶丙酮的质量分数比，即可以控制黑体涂层的喷涂厚度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法的具体步骤如下：
步骤一、搭建激光辅助切削平台；
步骤二、将激光输出头产生的连续激光束聚焦于工件表面；
步骤三、使用刀具(2)对改性后的工件表面进行切削加工。
2.根据权利要求1所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：步骤一中激光辅助切削平台包括五轴手动位移平台(3)和激光加工模块(4)，激光加工模块(4)安装在五轴手动位移平台(3)上；
搭建激光辅助切削平台的步骤为：
步骤A、将激光加工模块(4)安装在五轴位移平台(3)上；
步骤B、将五轴位移平台(3)安装在超精密机床(1)上；
步骤C、将刀具(2)安装在超精密机床(1)上。
3.根据权利要求2所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：五轴手动位移平台(3)包括竖直Y方向手动位移平台(16)、连接肋板(17)、旋转R方向手动位移平台(18)、直线Z方向手动位移平台(19)、直线X方向手动位移平台(20)和直线W方向手动位移平台(21)；激光加工模块(4)安装在直线W方向手动位移平台(21)上，直线W方向手动位移平台(21)安装在竖直Y方向手动位移平台(16)上，竖直Y方向手动位移平台(16)通过连接肋板(17)与旋转R方向手动位移平台(18)连接，旋转R方向手动位移平台(18)安装在直线Z方向手动位移平台(19)上，直线Z方向手动位移平台(19)安装在直线X方向手动位移平台(20)上。
4.根据权利要求2或3所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：激光加工模块(4)包括保护窗玻璃(5)、会聚镜***(6)、准直镜***(7)、激光光纤(8)、水冷接头(9)、后保护板(10)、激光器QBH输出头(11)、底座板(12)、防护罩(13)和前保护板(14)；保护窗玻璃(5)、会聚镜***(6)、准直镜***(7)由前至后首尾依次连接，保护窗玻璃(5)、会聚镜***(6)、准直镜***(7)由前至后依次安装在防护罩(13)内，准直镜***(7)通过激光器QBH输出头(11)与激光光纤(8)连接，前保护板(14)安装在防护罩(13)的前端，后保护板(10)安装在防护罩(13)的后端，水冷接头(9)安装在后保护板(10)上。
5.根据权利要求1所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：步骤二中将激光输出头产生的连续激光束聚焦于工件表面的具体步骤如下：
步骤a、通过五轴位移平台(3)调整激光加工模块(4)的激光光斑在工件表面的位置；
步骤b、调节并确定激光光斑半径；
调节激光聚焦于工件表面，此时激光的离焦量Z＝0；当Z＝Z+>0或＜0时，激光处于离焦状态；当激光产生离焦量时，激光光斑会变大；
步骤c、进行激光扫描烧蚀实验，获得功率、黑体涂层溶液溶度、离焦量三个参数；
步骤d、对不同的激光扫描速度进行分组烧蚀研究；
步骤e、使用COMSOL软件对步骤d中扫描过程进行有限元仿真；
步骤f、在COMSOL软件处理中，分别求解模型温度峰值、激光光斑处截面应力分布；
步骤g、确定激光参数。
6.根据权利要求5所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：步骤b中根据激光原理，激光光斑半径表达式为：
Figure FDA0002302576110000021
Figure FDA0002302576110000022
公式①中ZR表示瑞利长度，
Figure FDA0002302576110000023
表示激光器所产生激光光束的束腰半径，且ω0＝70μm，ω(z)表示激光光斑半径，Z表示激光离焦量，公式②中λ表示激光中心波长。
7.根据权利要求5所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：步骤b中激光在工件表面点蚀时间为1秒。
8.根据权利要求5所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：步骤c中进行激光扫描烧蚀实验，获得功率、黑体涂层溶液溶度、离焦量三个参数的步骤为：
一、分组调节激光功率、黑体涂层溶液浓度；激光功率的调节范围为20W～100W，黑体涂层溶液浓度10％～20％；
二、对各烧蚀点进行显微观测并测量烧蚀区域的面积，挑选烧蚀区域有烧熔痕迹并没有明显黑体涂层残留的功率与涂层浓度作合理的参数；
三、通过五轴位移平台(3)调节激光***的位移，产生激光离焦量，离焦量的数值范围为0～45mm，使用上一步骤中获得的激光功率、黑体涂层溶液浓度参数对离焦量进行分组烧蚀实验，对得到的烧蚀点进行观测、测量，选择烧蚀面积最大并且表层材料烧熔效果最明显且无黑体涂层残留的离焦量参数。
9.根据权利要求5所述一种激光改性超精密切削的激光辅助加工硬脆材料方法，其特征在于：步骤d中使用步骤c中获得的激光功率、黑体涂层溶液浓度、离焦量三个参数进行激光对工件表面动态扫描烧蚀过程实验，并获取激光扫描速度，激光扫描速度公式为：
vc＝2δ·N③，
公式③中N表示超精密机床(1)的主轴转速，δ表示激光烧蚀半径，vc表示激光扫描速度。
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