一種激光加熱輔助的車削裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種激光加熱輔助的車削裝置及其方法，其裝置包括車削裝置，所述車削裝置上固定有刀具和工件，所述刀具與所述車削裝置可拆卸連接；激光裝置，用于通過激光對所述工件進行加熱；非接觸式測溫裝置，用于實時采集所述工件切削處的溫度；控制裝置，用于將其內存儲的最佳溫度場的數(shù)據(jù)與所述非接觸式測溫裝置實時采集的溫度數(shù)據(jù)進行比對，若有差別，則控制所述激光裝置調整激光參數(shù)以達到所述最佳的溫度場。本發(fā)明的有益效果在于，通過數(shù)據(jù)匹對的方式來調整激光參數(shù)，使所述工件切削處的溫度場與最佳的溫度場始終一致，在這樣的溫度場下進行切削，能夠使刀具壽命最長，工件加工表面質量最優(yōu)，車削效率最高。
【專利說明】
一種激光加熱輔助的車削裝置及其方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種車削裝置，尤其涉及一種激光加熱輔助的車削裝置及其方法。
【背景技術】
[0002] 激光加熱輔助切削技術是將高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被 切除前的短時間內，將局部加熱到很高的溫度使材料的切削性在高溫下發(fā)生改變，然后采 用刀具進行加工。通過對材料進行局部微小區(qū)域的加熱，提高材料塑性的同時使材料的屈 服強度降低，減小切削力，延長刀具使用壽命，抑制鋸齒形切肩產(chǎn)生，從而達到提高加工效 率、降低成本、增加表面質量的目的。
[0003] 然而，激光加熱車削加工的材料通常為難加工的材料，即使采用激光加熱車削進 行加工，由于在加工過程中未能在線監(jiān)測切削溫度且未能實時調整激光參數(shù)以滿足最佳的 溫度場，這樣，加工時，容易造成刀具磨損較嚴重，同時對零件的加工質量有著較大的影響， 使加工效率很低。
[0004] 鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明。

【發(fā)明內容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術方案在于，一方面提供一種激光加熱輔助的 車削裝置，包括一車削裝置，所述車削裝置上固定有一刀具和一待切削的工件，所述刀具與 所述車削裝置可拆卸連接;一激光裝置，用于通過激光對所述工件進行加熱;一非接觸式測 溫裝置，用于實時采集所述工件切削處的溫度;一控制裝置，其分別與所述激光裝置和所述 非接觸式測溫裝置相連，所述控制裝置用于將其內存儲的最佳溫度場的數(shù)據(jù)與所述非接觸 式測溫裝置實時采集的溫度數(shù)據(jù)進行比對，若有差別，則控制所述激光裝置調整激光參數(shù) 以達到所述最佳溫度場。
[0006] 進一步，所述非接觸式測溫裝置為紅外熱像儀。
[0007] 進一步，所述激光裝置包括激光聚焦頭和激光器，所述激光聚焦頭、激光器和所述 控制裝置依次相連。
[0008] 進一步，所述激光裝置還包括聚焦頭調整裝置，其用于固定所述激光聚焦頭且能 夠調整所述激光聚焦頭的激光入射方向和激光光斑的直徑。
[0009] 進一步，所述車削裝置包括數(shù)控車床工作臺和固定于所述數(shù)控車床工作臺上的三 爪卡盤，所述三爪卡盤用于固定所述工件。
[0010] 進一步，所述車削裝置還包括導軌和刀架，所述導軌設于所述數(shù)控車床工作臺上， 所述導軌、刀架和刀具依次層疊設置，所述導軌能夠使所述刀架在X軸方向移動。
[0011] 進一步，所述導軌與所述刀架之間設有調節(jié)裝置，所述調節(jié)裝置能夠使所述刀架 分別在Y軸和Z軸方向移動。
[0012] 另一方面，提供一種激光加熱輔助的車削裝置的車削方法，包括以下步驟：
[0013] (1)將所述工件安裝于所述車削裝置上；
[0014] (2)調整所述激光裝置和所述非接觸式測溫裝置的相對位置，使其對準所述工件 的待切削區(qū)域；
[0015] (3)通過溫度場有限元仿真選擇最佳溫度場，得到激光參數(shù)和切削參數(shù)，利用所述 非接觸式測溫裝置測量激光照射區(qū)域的溫度場以驗證仿真的準確性，并將所述最佳溫度場 的數(shù)據(jù)存儲于所述控制裝置中；
[0016] (4)設置所述激光參數(shù)和所述切削參數(shù)，打開光閘，通過預熱使所述工件的切削區(qū) 域溫度達到加工要求，利用所述非接觸式測溫裝置實時采集的溫度數(shù)據(jù)與所述控制裝置內 的最佳溫度場數(shù)據(jù)進行對比，若有差別，則發(fā)出反饋信號給所述激光裝置，控制所述激光裝 置調整激光參數(shù)以達到所述最佳的溫度場；
[0017] (5)加工完成后，關閉所述光閘。
[0018] 與現(xiàn)有技術比較本發(fā)明的有益效果在于：
[0019] 1.本發(fā)明通過數(shù)據(jù)匹對的方式來調整激光參數(shù)，使所述工件切削處的溫度場與最 佳的溫度場始終一致，在這樣的溫度場下進行切削，能夠使得刀具壽命最長，加工表面質量 最優(yōu)，保證激光加熱車削的效率最高；
[0020] 2.所述非接觸式測溫裝置優(yōu)選所述紅外熱像儀，其不僅具有無接觸、靈敏度高、測 溫范圍大、響應快、抗干擾性強等優(yōu)點，而且其不受材料的限制，幾乎所有的金屬和非金屬 材料在一定條件下均有紅外輻射，使其適用范圍很廣；
[0021] 3.所述導軌和所述調節(jié)裝置，實現(xiàn)了所述刀架在X軸、Y軸和Z軸方向的移動，從而 使所述刀架在移動的過程中能夠帶動所述刀具對準所述工件的待切削區(qū)域。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明一種激光加熱輔助的車削裝置的功能結構框圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明一種激光加熱輔助的車削裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 以下結合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術特征和優(yōu)點作更詳細的說明。
[0025] 實施例一
[0026] 請參閱圖1和圖2,其分別為本發(fā)明一種激光加熱輔助車削裝置的功能結構框圖和 結構示意圖。
[0027] 結合圖1和圖2所示，一種激光加熱輔助的車削裝置，包括一車削裝置1，所述車削 裝置上1固定有一工件13和一刀具16,所述刀具16與所述車削裝置可拆卸連接;一激光裝置 2，用于通過激光對所述工件13進行加熱;一非接觸式測溫裝置3，用于實時采集所述工件13 切削處的溫度;一控制裝置4,其分別與所述激光裝置2和所述非接觸式測溫裝置3相連，所 述控制裝置4用于將其內存儲的最佳溫度場的數(shù)據(jù)與所述非接觸式測溫裝置3實時采集的 溫度數(shù)據(jù)進行比對，若有差別，則發(fā)出反饋信號給所述激光裝置2,控制所述激光裝置2調整 激光參數(shù)以達到所述最佳的溫度場，其中，所述刀具16與所述車削裝置1可拆卸連接方式為 螺絲、螺栓或卡扣等連接方式，方便在所述刀具16磨損時，方便更換所述刀具16。本發(fā)明中 通過數(shù)據(jù)匹對的方式來調整激光參數(shù)，使所述工件13切削處的加熱的溫度場與最佳的溫度 場始終一致，在這樣的溫度場下進行切削，能夠使得刀具壽命最長，加工表面質量最優(yōu)，保 證激光加熱車削的效率最高。
[0028] 所述的最佳溫度場的數(shù)據(jù)庫的建立是基于有限元模型的結果進行選擇優(yōu)化的，并 提前存儲于所述控制裝置4中供使用。具體為，按照實際工件13的大小建立模型劃分網(wǎng)格， 將激光看做為表面熱流，加載熱輻射與對流邊界條件，并通過溫度測量試驗修正邊界條件 后，即可得到準確的溫度分布預測模型。根據(jù)試驗系統(tǒng)采用選定的工藝參數(shù)進行仿真，以工 件13切削區(qū)域處的溫度為優(yōu)化目標，結合所述車削裝置的工藝參數(shù)選擇特點，即可得到最 佳的溫度場參數(shù)。為了修正當前工件13加熱切削處的溫度，需要不同的激光參數(shù)與溫度場 對應的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也是通過溫度分布預測模型得到的，提前存儲于所述控制裝置4內。
[0029] 其中，通過溫度場有限元仿真選擇，能夠得到激光功率、激光運動速度、預熱時間、 激光光斑中心到銑刀中心距離等工藝參數(shù)，利用紅外儀測量激光照射區(qū)域的溫度場以驗證 仿真的準確性。
[0030] 激光加熱過程的溫度場有限元仿真理論如下所述:激光照射在固體表面時，光能 的吸收主要發(fā)生在式樣表層，因此激光在固體表面的熱作用可以視為發(fā)生在表面一個無限 薄的區(qū)域內，在此區(qū)域內激光可以看做表面熱源。該表面熱源用（1)公式表示為：
(1)
[0032] 式中，Pi表示激光功率(W)，A表示激光吸收率，r表示激光光斑中心到銑刀中心的 距離，R表示激光半徑(m)。
[0033]激光傳熱過程簡化為旋轉圓柱體受高斯移動熱源與對流邊界作用下三維瞬態(tài)傳 熱問題。假設材料熱性能等向，圓柱坐標系下導熱微分方程如公式(2)所示：
⑵
[0035] 式中，A表示材料的導熱系數(shù)(W/m ? °C)，P表示密度(kg/m3)，cP表示比熱容(J/kg ? °C)，qv表示內熱源功率密度。
[0036] 在激光的照射下材料表面吸收的激光能量轉化為熱能，表面溫度升高，與此同時 材料內部進行著由表及里、由高溫向低溫的熱傳導。材料由激光獲得熱能視為一種邊界條 件，即材料表面存在一個隨時間變化的外部熱源。在工件圓周表面，激光光斑作用區(qū)域內
⑶
[0038]式中，qi,abs表示材料吸收激光熱量，q。表示材料表面對流換熱，qc^hjT-To) ;E(T) 表示材料表面輻射換熱，h。表示復合換熱系數(shù)(W/m ? °C)，To表示環(huán)境溫度。
[0039] 實施例二
[0040] 如上所述的一種激光加熱輔助車削裝置，本實施例與其不同之處在于，如圖2所 示，所述非接觸式測溫裝置3為紅外熱像儀、紅外測溫儀和非接觸式溫度傳感器中的一種。
[0041] 本實施例中，所述非接觸式測溫裝置3優(yōu)選所述紅外熱像儀3,所述紅外熱像儀3很 容易實現(xiàn)激光加熱輔助車削的在線溫度監(jiān)測，其不僅具有無接觸、靈敏度高、測溫范圍大、 響應快，在監(jiān)控過程中無需停機等優(yōu)點，而且能夠剔除在加工過程中其他環(huán)境噪聲的影響， 提高了激光加熱輔助車削的效率，除此之外，紅外熱像儀不受材料的限制，幾乎所有的金屬 和非金屬材料在一定條件下均有紅外輻射，且紅外熱像儀安裝簡單，其只需在原有激光加 熱輔助車削裝置的基礎上集成就能夠實現(xiàn)激光加熱輔助車削溫度場的在線溫度監(jiān)測。
[0042] 實施例三
[0043] 如上所述的一種激光加熱輔助的車削裝置，本實施例與其不同之處在于，如圖2所 示，所述激光裝置2包括激光器21和激光聚焦頭22,所述激光聚焦頭22通過發(fā)射激光對所述 工件13進行加熱，所述控制裝置4、所述激光器21和所述激光聚焦頭22依次相連。
[0044]所述激光裝置2還包括聚焦頭調整裝置23,所述聚焦頭調整裝置23用于固定所述 激光聚焦頭22且能夠調整所述激光聚焦頭22的激光入射方向以及入射在所述工件13表面 的光斑的直徑大小，所述紅外熱像儀3安裝在所述工件13的一側，并以一定角度照射在所述 工件13待切削區(qū)域。
[0045]因光纖具有傳輸容量大、抗干擾性強、信號穩(wěn)定、傳播速度快等優(yōu)點，實施例一至 實施例三中各部件的連接方式優(yōu)選為光纖5連接。
[0046] 實施例四
[0047] 如上所述的一種激光加熱輔助車削裝置，本實施例與其不同之處在于，如圖2所 示，所述車削裝置1包括數(shù)控車床工作臺11、三爪卡盤12、所述工件13、導軌14、刀架15和所 述刀具16。
[0048]所述三爪卡盤12固定于所述數(shù)控車床工作臺11上，所述三爪卡盤12用于固定待切 削的所述工件13,所述導軌14卡接于所述數(shù)控車床工作臺11上，所述導軌14能夠在所述數(shù) 控車床工作臺11上滑動，即在所述X軸方向滑動，所述導軌14上設有刀架15,所述刀架15上 設有刀具16,所述刀架15與所述刀具16可拆卸連接，其可拆卸連接方式為螺絲、螺栓或卡扣 等連接方式，方便在所述刀具16磨損時，方便更換所述刀具16。
[0049] 所述導軌14與所述刀架15之間設有調節(jié)裝置，所述調節(jié)裝置能夠使所述刀架15分 別在在Y軸和Z軸方向上移動。
[0050] 本發(fā)明通過設置所述導軌和所述調節(jié)裝置，實現(xiàn)了所述刀架在X軸、Y軸和Z軸方向 的移動，從而使所述刀架在移動的過程中能夠帶動所述刀具對準所述工件的待切削區(qū)域。 [0051 ] 實施例五
[0052]上述所述裝置的激光加熱輔助車削步驟包括：
[0053] (1)將所述工件13安裝于所述車削裝置1上；
[0054] (2)調整所述激光裝置2和所述非接觸式測溫裝置3的相對位置，使其對準所述工 件13的待切削區(qū)域；
[0055] (3)通過溫度場有限元仿真選擇最佳溫度場，得到激光參數(shù)和切削參數(shù)，利用所述 非接觸式測溫裝置3測量激光照射區(qū)域的溫度場以驗證仿真的準確性，并將所述最佳溫度 場的數(shù)據(jù)存儲于所述控制裝置4中；
[0056] (4)設置所述激光參數(shù)和所述切削參數(shù)，打開光閘，通過預熱使所述工件13的切削 區(qū)域溫度達到加工要求，利用所述非接觸式測溫裝置3實時采集的溫度數(shù)據(jù)與所述控制裝 置4內的最佳溫度場數(shù)據(jù)進行對比，若有差別，則發(fā)出反饋信號給所述激光裝置2,控制所述 激光裝置2調整激光參數(shù)以達到所述最佳的溫度場；
[0057] (5)加工完成后，關閉所述光閘。
[0058] 其中，所述的激光參數(shù)包括激光功率、預熱時間、激光運動速度和激光光斑中心到 刀具中心的距離;所述的切削參數(shù)包括切削速度、切削深度和進給速度。
[0059] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為 本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種激光加熱輔助的車削裝置，包括一車削裝置，所述車削裝置上固定有一刀具和 一待切削的工件，所述刀具與所述車削裝置可拆卸連接，其特征在于，還包括： 一激光裝置，用于通過激光對所述工件進行加熱； 一非接觸式測溫裝置，用于實時采集所述工件切削處的溫度； 一控制裝置，其分別與所述激光裝置和所述非接觸式測溫裝置相連，所述控制裝置用 于將其內存儲的最佳溫度場的數(shù)據(jù)與所述非接觸式測溫裝置實時采集的溫度數(shù)據(jù)進行比 對，若有差別，則控制所述激光裝置調整激光參數(shù)以達到所述最佳溫度場。2. 根據(jù)權利要求1所述的激光加熱輔助的車削裝置，其特征在于，所述非接觸式測溫裝 置為紅外熱像儀。3. 根據(jù)權利要求2所述的激光加熱輔助的車削裝置，其特征在于，所述激光裝置包括激 光聚焦頭和激光器，所述激光聚焦頭、激光器和所述控制裝置依次相連。4. 根據(jù)權利要求3所述的激光加熱輔助的車削裝置，其特征在于，所述激光裝置還包括 聚焦頭調整裝置，其用于固定所述激光聚焦頭且能夠調整所述激光聚焦頭的激光入射方向 和激光光斑的直徑。5. 根據(jù)權利要求1所述的激光加熱輔助的車削裝置，其特征在于，所述車削裝置包括數(shù) 控車床工作臺和固定于所述數(shù)控車床工作臺上的三爪卡盤，所述三爪卡盤用于固定所述工 件。6. 根據(jù)權利要求5所述的激光加熱輔助的車削裝置，其特征在于，所述車削裝置還包括 導軌和刀架，所述導軌設于所述數(shù)控車床工作臺上，所述導軌、刀架和刀具依次層疊設置， 所述導軌能夠使所述刀架在X軸方向移動。7. 根據(jù)權利要求6所述的激光加熱輔助的車削裝置，其特征在于，所述導軌與所述刀架 之間設有調節(jié)裝置，所述調節(jié)裝置能夠使所述刀架分別在Y軸和Z軸方向移動。8. -種如權利要求1-7任一所述的激光加熱輔助的車削裝置的車削方法，包括以下步 驟： (1) 將所述工件安裝于所述車削裝置上； (2) 調整所述激光裝置和所述非接觸式測溫裝置的相對位置，使其對準所述工件的待 切削區(qū)域； (3) 通過溫度場有限元仿真選擇最佳溫度場，得到激光參數(shù)和切削參數(shù)，利用所述非接 觸式測溫裝置測量激光照射區(qū)域的溫度場以驗證仿真的準確性，并將所述最佳溫度場的數(shù) 據(jù)存儲于所述控制裝置中； (4) 設置所述激光參數(shù)和所述切削參數(shù)，打開光閘，通過預熱使所述工件的切削區(qū)域溫 度達到加工要求，利用所述非接觸式測溫裝置實時采集的溫度數(shù)據(jù)與所述控制裝置內的最 佳溫度場數(shù)據(jù)進行對比，若有差別，則發(fā)出反饋信號給所述激光裝置，控制所述激光裝置調 整激光參數(shù)以達到所述最佳的溫度場； (5) 加工完成后，關閉所述光閘。
【文檔編號】B23Q17/09GK106001613SQ201610605406
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】楊立軍, 孔憲俊, 張宏志, 王揚
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學