本發(fā)明屬于精密加工，特別是涉及到硬脆難加工材料的微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工方法與裝置。

背景技術(shù)：

1、cf/sic等陶瓷基復(fù)材、鎳基高溫合金等硬脆難加工材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗腐蝕、密度低等優(yōu)點(diǎn)，在材料表面制備各種微結(jié)構(gòu)達(dá)到減阻、散熱等效果，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、航空航天、高端汽車等領(lǐng)域。但是由于微結(jié)構(gòu)的尺度較小，一致性要求高，對(duì)加工提出了越來越高的要求。當(dāng)前，對(duì)于微結(jié)構(gòu)的加工以常規(guī)加工方式為主，常規(guī)加工有刀具磨損大，加工表面質(zhì)量差等問題，常常需要二次修整，因此加工效率也較低。研究表明，激光可以有效提高硬脆材料的可加工性，改善加工表面質(zhì)量，降低刀具磨損，當(dāng)前并沒有將激光用于硬脆材料的微結(jié)構(gòu)加工-拋光一體化的人。目前，已有人對(duì)激光拋光技術(shù)做出了改進(jìn)。例如，一種激光拋光機(jī)以及該激光拋光機(jī)的拋光方法(cn117483957a)，雖然可以對(duì)于多尺寸物件進(jìn)行拋光，但是依然屬于二次修整的過程；一種內(nèi)孔的激光拋光裝置(cn218016412u)，但是并未說明能拋光多大的內(nèi)孔且需要配合特定的設(shè)備使用；一種用于陶瓷基復(fù)合材料的超快激光拋光加工方法(cn108890138b)，該專利中激光拋光效果明顯，但是激光對(duì)材料的加工角度只是90°-70°；一種硬脆材料復(fù)雜構(gòu)件飛秒激光精密成型加工系統(tǒng)(cn110788500b)流程較為復(fù)雜，在激光拋光之中還需要電化學(xué)的輔助。因此，亟需一種具備加工與激光拋光一體化、提升磨削質(zhì)量和效率的加工方法和裝置，在硬脆難加工材料的微結(jié)構(gòu)加工時(shí)，以實(shí)現(xiàn)陣列微結(jié)構(gòu)的高效率、高質(zhì)量磨削-拋光的效果。因此面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工方法與裝置的發(fā)明是必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置及方法，在磨削過程中，利用原位激光實(shí)現(xiàn)磨削-拋光一體化，解決了超精密加工過程中先加工后拋光效率低、流程復(fù)雜、設(shè)備適應(yīng)能力差等問題，降低了微結(jié)構(gòu)的加工周期。

2、面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，包括激光復(fù)合精密加工模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、安全防護(hù)模塊、支撐單元、連接單元以及觀測(cè)模塊，所述激光復(fù)合精密加工模塊包括激光器、準(zhǔn)直器、主軸以及織構(gòu)砂輪，所述織構(gòu)砂輪設(shè)置在主軸上，內(nèi)部設(shè)置有透鏡安裝架、透鏡安裝架上依次設(shè)置有第一分束鏡、第二分束鏡、第三分束鏡以及反射鏡，所述第一分束鏡的分光光路上設(shè)置有第一聚焦鏡、所述第二分束鏡的分光光路上設(shè)置有第二聚焦鏡、所述第三分束鏡的分光光路上設(shè)置有第三聚焦鏡、所述反射鏡的反射光路上設(shè)置有第四聚焦鏡；所述激光器出射激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直器進(jìn)入織構(gòu)砂輪內(nèi)部光學(xué)腔，經(jīng)過第一分束鏡透過一部分能量到下第二分束鏡，一部分能量經(jīng)過反射透過聚焦鏡在織構(gòu)的頂點(diǎn)同一面上形成聚焦。

3、所述支撐單元包括大理石龍門以及大理石工作臺(tái)；所述驅(qū)動(dòng)模塊包括x軸直線滑臺(tái)、y軸步進(jìn)電機(jī)、z軸步進(jìn)電機(jī)；所述連接單元包括加工平臺(tái)、轉(zhuǎn)接板ⅰ、連接板ⅱ、連接板ⅰ、激光器支撐架以及轉(zhuǎn)接板ⅰ；所述觀測(cè)模塊包括手動(dòng)滑臺(tái)以及工業(yè)相機(jī)；所述安全防護(hù)模塊包括防護(hù)罩以及安裝桿。

4、所述激光器通過激光器支撐架固定設(shè)置在連接板ⅱ上，所述連接板ⅱ設(shè)置在大理石工作臺(tái)上。

5、所述主軸通過主軸固定架設(shè)置在連接板ⅰ上，所述連接板ⅰ與z軸步進(jìn)電機(jī)連接。

6、所述x軸直線滑臺(tái)設(shè)置在大理石工作臺(tái)上，所述y軸步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在x軸直線滑臺(tái)上。

7、所述防護(hù)罩內(nèi)部設(shè)置有液體循環(huán)通道，與冷卻系統(tǒng)連接。

8、面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工方法，采用所述的面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，包括以下步驟，

9、步驟一、將工件固定在加工平臺(tái)上，將織構(gòu)砂輪安裝在主軸上，啟動(dòng)控制系統(tǒng)，移動(dòng)x軸直線滑臺(tái)、y軸步進(jìn)電機(jī)、z軸步進(jìn)電機(jī)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過觀測(cè)模塊的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行對(duì)刀流程，使得轉(zhuǎn)動(dòng)的織構(gòu)砂輪貼近工件表面的預(yù)加工位置；

10、步驟二、將激光器固定在激光器支撐架上，調(diào)整位置使得激光器與準(zhǔn)直器處于同一平面，進(jìn)行激光器紅外預(yù)覽；

11、步驟三，輸入數(shù)控程序，防護(hù)罩下降，罩在加工區(qū)域上方，防護(hù)罩內(nèi)部冷卻液循環(huán)，啟動(dòng)激光器，光束經(jīng)光路引入砂輪內(nèi)部，到達(dá)第一分束鏡，部分能量經(jīng)過反射透過第一聚焦鏡在砂輪織構(gòu)同一平面上聚焦，部分能量透射至第二分束鏡并依次通過第三分束鏡、反射鏡，經(jīng)過第二聚焦鏡、第三聚焦鏡、第四聚焦鏡的作用，在同一平面聚焦；在砂輪加工過程中，實(shí)現(xiàn)原位激光拋光，非加工位置散發(fā)的激光能量打在防護(hù)罩內(nèi)部的吸光涂層上，被防護(hù)罩吸收。

12、通過上述設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明可以帶來如下有益效果：

13、1、提出了一種面向微結(jié)構(gòu)高效磨削及激光拋光一體化的方法。通過在砂輪內(nèi)部設(shè)計(jì)一種多角度分光腔室，完成對(duì)激光光路的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)激光拋光的效果。利用織構(gòu)砂輪加工陣列微結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部引入激光，與激光拋光相結(jié)合，在加工陣列微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)微結(jié)構(gòu)的毛刺、切屑粘著等缺陷進(jìn)行修整，提高加工表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)高效率、高質(zhì)量磨削-拋光一體化。

14、2、設(shè)計(jì)了一種多角度分光腔室，嵌入光學(xué)器件分束鏡和聚焦鏡，在主軸內(nèi)部引入激光，通過多角度分光腔室引入到微結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了陣列微結(jié)構(gòu)加工的激光拋光?？棙?gòu)砂輪內(nèi)部放置光學(xué)支架，支架有兩個(gè)安裝位，下方安裝位裝有聚焦鏡，上方的安裝位裝有不同透過率的分束鏡或反射鏡，且分束鏡和反射鏡的中心與聚焦鏡中心同軸；激光通過主軸內(nèi)部之后，引入砂輪的內(nèi)部，激光通過分束鏡的作用，一部分能量傳遞到下一面分束鏡，一部分反射光線經(jīng)過聚焦鏡通過砂輪織構(gòu)之間的縫隙結(jié)構(gòu)透出形成激光光束，聚焦點(diǎn)在砂輪織構(gòu)的頂部同一位置，在砂輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)加工的過程中，織構(gòu)加工-激光修型交替進(jìn)行，織構(gòu)加工殘留的毛刺、切屑粘著等經(jīng)過激光修型改善加工表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的高效磨削拋光。

15、3、加工區(qū)域上方增加內(nèi)冷防護(hù)罩，防護(hù)罩可以很好的遮掩住加工區(qū)域，防護(hù)罩材料熔融閾值較高，內(nèi)表面覆蓋紅外吸收率高的炭黑圖層，有效降低激光能量，內(nèi)部有液體通道，通過連接冷卻液循環(huán)系統(tǒng)降低防護(hù)罩的溫度，激光經(jīng)過分束鏡的作用穿過砂輪內(nèi)部到達(dá)防護(hù)罩時(shí)，能量較小，打在防護(hù)罩上時(shí)，首先經(jīng)過炭黑層吸收大部分紅外波段，使得激光能量大幅度減小，在經(jīng)過內(nèi)部冷卻液作用，不能對(duì)防護(hù)罩造成損傷并將熱傳遞出去；在加工過程中，砂輪上的激光束高于或低于織構(gòu)的位置處于離焦?fàn)顟B(tài)，能量小，達(dá)到有效防護(hù)作用，保障在激光加工過程中的安全性。

技術(shù)特征：

1.面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，包括激光復(fù)合精密加工模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、安全防護(hù)模塊、支撐單元、連接單元以及觀測(cè)模塊，其特征是：所述激光復(fù)合精密加工模塊包括激光器(13)、準(zhǔn)直器(12)、主軸(10)以及織構(gòu)砂輪(6)，所述織構(gòu)砂輪(6)設(shè)置在主軸(10)上，內(nèi)部設(shè)置有透鏡安裝架(17)、透鏡安裝架(17)上依次設(shè)置有第一分束鏡(27)、第二分束鏡(28)、第三分束鏡(29)以及反射鏡(30)，所述第一分束鏡(27)的分光光路上設(shè)置有第一聚焦鏡(23)、所述第二分束鏡(28)的分光光路上設(shè)置有第二聚焦鏡(24)、所述第三分束鏡(29)的分光光路上設(shè)置有第三聚焦鏡(26)、所述反射鏡(30)的反射光路上設(shè)置有第四聚焦鏡(25)；所述激光器(13)出射激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直器(12)進(jìn)入織構(gòu)砂輪(6)內(nèi)部光學(xué)腔，經(jīng)過第一分束鏡(27)透過一部分能量到下第二分束鏡(28)，一部分能量經(jīng)過反射透過聚焦鏡在織構(gòu)的頂點(diǎn)同一面上形成聚焦。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，其特征是：所述支撐單元包括大理石龍門(1)以及大理石工作臺(tái)(2)；所述驅(qū)動(dòng)模塊包括x軸直線滑臺(tái)(8)、y軸步進(jìn)電機(jī)(9)、z軸步進(jìn)電機(jī)(16)；所述連接單元包括加工平臺(tái)(7)、轉(zhuǎn)接板ⅰ(4)、連接板ⅱ(15)、連接板ⅰ(11)、激光器支撐架(14)以及轉(zhuǎn)接板ⅰ(20)；所述觀測(cè)模塊包括手動(dòng)滑臺(tái)(3)以及工業(yè)相機(jī)(5)；所述安全防護(hù)模塊包括防護(hù)罩(18)以及安裝桿(19)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，其特征是：所述激光器(13)通過激光器支撐架(14)固定設(shè)置在連接板ⅱ(15)上，所述連接板ⅱ(15)設(shè)置在大理石工作臺(tái)(2)上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，其特征是：所述主軸(10)通過主軸固定架設(shè)置在連接板ⅰ(11)上，所述連接板ⅰ(11)與z軸步進(jìn)電機(jī)(16)連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，其特征是：所述x軸直線滑臺(tái)(8)設(shè)置在大理石工作臺(tái)(2)上，所述y軸步進(jìn)電機(jī)(9)設(shè)置在x軸直線滑臺(tái)(8)上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，其特征是：所述防護(hù)罩(18)內(nèi)部設(shè)置有液體循環(huán)通道，與冷卻系統(tǒng)連接。

7.面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工方法，其特征是：采用權(quán)利要求1所述的面向微結(jié)構(gòu)高效磨削-拋光的激光復(fù)合加工裝置，包括以下步驟，

技術(shù)總結(jié)
面向微結(jié)構(gòu)高效磨削?拋光的激光復(fù)合加工裝置及方法，屬于精密加工技術(shù)領(lǐng)域，包括激光復(fù)合精密加工模塊，具體包括激光器、準(zhǔn)直器、主軸以及織構(gòu)砂輪，織構(gòu)砂輪設(shè)置在主軸上，內(nèi)部設(shè)置有透鏡安裝架、透鏡安裝架上依次設(shè)置有第一分束鏡、第二分束鏡、第三分束鏡以及反射鏡，第一分束鏡的分光光路上設(shè)置有第一聚焦鏡，第二分束鏡的分光光路上設(shè)置有第二聚焦鏡，第三分束鏡的分光光路上設(shè)置有第三聚焦鏡，反射鏡的反射光路上設(shè)置有第四聚焦鏡。本發(fā)明在磨削過程中，利用原位激光實(shí)現(xiàn)磨削?拋光一體化，解決了超精密加工過程中先加工后拋光效率低、流程復(fù)雜、設(shè)備適應(yīng)能力差等問題，降低了微結(jié)構(gòu)的加工周期。

技術(shù)研發(fā)人員：陳先慶,許金凱,王佳琦,于占江,李繼成,徐浩然,黃筠瀚,張文通,李玉卓,孫浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長(zhǎng)春理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/12