雷射預熱輔助車削調整裝置及包含其的雷射預熱輔助車削系統的製作方法

2024-02-28 08:10:15

本發明屬於車床領域，更具體地，涉及雷射預熱輔助車削調整裝置及包含其的雷射預熱輔助車削系統。

背景技術：

隨著航天航空、海洋工業和核工業等高端領域的快速發展，各行業對產品零部件的材料性能、加工效益和加工質量的追求也越來越高，一些高性能工程材料被逐漸得到廣泛應用。這些高性能材料如高硬度合金、工程陶瓷和複合材料等雖然具有高強度、高硬度、高脆性等優越特點，但是在機械加工領域中卻屬於難加工工程材料。

常規車削難加工材料時，由於工件的高強度、高硬度和高脆性等特點，導致切削力大、刀具磨損嚴重、加工效率低和工件表面質量不可控。近年來出現的雷射預熱輔助車削技術是解決難加工材料的一種有效的方法，其主要原理是將高功率雷射束聚焦於待切削區域材料的表面，在短時間內使得待切削材料局部迅速升溫軟化來改變材料的切削性能，然後採用刀具去除已預熱的待切削高溫材料。雷射預熱輔助車削通過對難加工材料進行預熱升溫軟化，一方面可以大幅度降低高強度材料的屈服強度，進而減少加工過程中的切削力和刀具磨損，另一方面可以增加高脆性材料的延展性，抑制鋸齒狀切屑的形成，減少切刀具與工件的衝擊；從而達到減弱切削顫振、改善加工表面質量、延長刀具使用壽命和提高加工效率的目的。

雷射預熱輔助車削難加工材料時不同的預熱工藝參數都會對工件表面質量產生影響。為研究工藝參數對工件質量的影響，本領域亟需一種可以同時改變預熱工藝參數的輔助車削裝置和包含其的雷射預熱輔助車削系統。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了雷射預熱輔助車削調整裝置及包含其的雷射預熱輔助車削系統，能降低加工過程中難加工材料的屈服強度和提高材料的延展性，減少切削力和降低刀具磨損，提高難加工材料的加工效率、表面質量和刀具的使用壽命。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了雷射預熱輔助車削調整裝置，其特徵在於，包括z向移動機構、c向旋轉機構、r向移動機構、x向旋轉機構和a向旋轉機構，其中，

所述z向移動機構包括支撐底板、z向直線導軌、上支撐板，所述z向直線導軌水平安裝在所述支撐底板上，所述上支撐板安裝在所述z向直線導軌上；

所述c向旋轉機構包括弧形導軌、弧形扇齒、弧形滑塊、驅動齒輪和齒輪驅動裝置，所述弧形導軌安裝在所述上支撐板上並且其中心線平行於z向直線導軌，該弧形導軌上設置所述弧形扇齒和弧形滑塊，所述驅動齒輪安裝在所述弧形滑塊上並且其與所述弧形扇齒嚙合，所述齒輪驅動裝置安裝在所述驅動齒輪上，以用於帶動所述驅動齒輪轉動；

所述r向移動機構包括r向支撐座、絲槓驅動裝置和滾珠絲槓機構，所述r向支撐座安裝在所述弧形滑塊上，所述絲槓驅動裝置和滾珠絲槓機構分別安裝在所述r向支撐座上，並且所述絲槓驅動裝置與所述滾珠絲槓機構的絲槓連接，此外，沿著所述弧形導軌的徑向布置所述滾珠絲槓機構的絲槓；

所述x向旋轉機構包括中間連接座和旋轉座，所述中間連接座安裝在所述滾珠絲槓機構的滾珠螺母上，所述旋轉座通過鉸軸可轉動安裝在所述中間連接座上，並且所述鉸軸垂直於所述滾珠絲槓機構的絲槓；

所述a向旋轉機構包括位姿調整板，所述位姿調整板可轉動安裝在所述旋轉座上，並且該位姿調整板進行旋轉的中心線與所述鉸軸垂直。

優選地，所述中間連接座上設置有弧形導向槽，所述弧形導向槽的中心線與所述鉸軸的軸線同線，所述旋轉座在對應於所述弧形導向槽的位置設置有滑動凸臺，所述滑動凸臺伸入所述弧形導向槽內，以便所述旋轉座繞所述鉸軸的軸線旋轉。

優選地，所述旋轉座上同心設置有兩條弧形滑槽，所述位姿調整板在對應於每條所述弧形滑槽的位置分別設置一旋轉凸臺，並且每個所述旋轉凸臺分別伸入對應位置處的一所述弧形滑槽內，從而使所述位姿調整板可轉動安裝在所述旋轉座上。

優選地，所述上支撐板上設置有用於支撐弧形扇齒和弧形導軌的支座。

按照本發明的另一個方面，還提供了適用於難加工材料的雷射預熱輔助車削系統，包括所述的雷射預熱輔助車削調整裝置，其特徵在於，還包括車削單元、雷射預熱單元，其中，

所述車削單元包括車床主體、刀架和車削進給臺，所述車床主體具有主軸和導向軌，並且所述主軸和導向軌均與z向直線導軌平行，所述車削進給臺安裝在所述導向軌上，所述刀架安裝在該車削進給臺上，所述刀架上安裝車刀；

所述雷射預熱單元包括雷射器聚焦頭、半導體雷射器和水冷箱，所述雷射器聚焦頭安裝在所述雷射預熱輔助調整裝置的位姿調整板上，所述半導體雷射器和水冷箱均安裝在支撐底座上，所述雷射器聚焦頭和所述水冷箱分別與所述半導體雷射器連接；

優選地，該雷射預熱輔助車削系統還包括測溫拍照單元，所述測溫拍照單元包括紅外測溫儀和ccd工業相機，並且它們均與所述雷射預熱單元的雷射器聚焦頭集成安裝在同一殼體內。

優選地，該雷射預熱輔助車削系統還包括切削力測量單元，所述切削力測量單元安裝在所述刀架上，以用於檢測所述車刀加工工件時的切削力。

優選地，該雷射預熱輔助車削系統還包括plc控制器，所述plc控制器分別與所述半導體雷射器、切削力測量單元、紅外測溫儀和ccd工業相機連接，所述plc控制器通過紅外測溫儀採集工件上的溫度，然後與plc控制器內置最佳溫度資料庫比較，以調整半導體雷射器的輸出功率，進而保持工件上待切削預熱區域的溫度最佳化，此外，plc控制器還根據切削力數據和加工後工件的表面形貌圖像數據，從而獲得預熱工藝參數對加工後工件表面質量的影響規律。

優選地，所述預熱工藝參數為雷射光斑與切削刃之間沿工件軸向的軸向距離la、雷射光束與豎直面的夾角θa、雷射光斑與切削刃之間沿工件周向的距離lc、雷射光束與水平面的夾角θc、雷射光斑的直徑d和/或半導體雷射器的功率p。

優選地，通過光束分離器使所述非接觸式紅外測溫儀的雷射、ccd工業相機的鏡頭軸線、雷射器聚焦頭髮出的雷射同軸。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發明的雷射預熱輔助車削調整裝置可同時調整預熱工藝參數，以研究不同預熱工藝參數對加工後工件表面質量的影響規律。

2)本發明利用了光束分離器，把紅外測溫單元、拍照單元與雷射器聚焦頭集成安裝在同一殼體內，此結構的設計避免了測溫和拍照單元的夾具重新設計和安裝時空間的佔用。

3)本發明在雷射預熱、紅外測溫和ccd拍照後，還同時採用了動態測力儀進行採集切削力信號，通過觀察切削力信號的變化，可以優化雷射預熱輔助切削的相應參數，以使得此時的刀具壽命使用最長，加工經濟效益最高和加工表面質量最優。

附圖說明

圖1是本發明中雷射預熱輔助車削系統的結構示意圖；

圖2、圖3分別是本發明中雷射預熱輔助車削調整裝置不同視角下的結構示意圖；

圖4是plc控制器連接雷射預熱單元和測溫拍照單元的示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

參照圖2、圖3，雷射預熱輔助車削調整裝置100，包括z向移動機構、c向旋轉機構、r向移動機構、x向旋轉機構和a向旋轉機構，其中，

所述z向移動機構包括雙頭螺釘101、支撐底板102、z向直線導軌103、上支撐板104，通過四顆雙頭螺釘101將支撐底板102安裝在車床上，z向直線導軌103水平安裝在所述支撐底板102上；所述上支撐板104安裝在所述z向直線導軌103上並能沿所述z向直線導軌103的縱向移動；

所述c向旋轉機構包括弧形導軌111、弧形扇齒112、支座113、弧形滑塊114、驅動齒輪115和齒輪驅動裝置116，所述弧形導軌111安裝在所述上支撐板104上並且其中心線平行於z向直線導軌103，該弧形導軌111上設置所述弧形扇齒112和弧形滑塊114，所述驅動齒輪115安裝在所述弧形滑塊114上並且其與所述弧形扇齒112嚙合，所述齒輪驅動裝置116安裝在所述驅動齒輪115上，以用於帶動所述驅動齒輪115轉動；優選地，所述齒輪驅動裝置116為旋轉手輪。

所述r向移動機構包括絲槓驅動裝置121、r向支撐座122、滾珠絲槓機構123、導向光杆124和r向滑動塊125，所述r向支撐座122安裝在所述弧形滑塊114上，所述絲槓驅動裝置121、滾珠絲槓機構123和導向光杆124分別安裝在所述r向支撐座122上，並且所述絲槓驅動裝置121與所述滾珠絲槓機構123的絲槓連接，且沿著所述弧形導軌111的徑向布置所述滾珠絲槓機構123的絲槓，r向滑動塊125穿裝在所述導向光杆124上，以使滾珠絲槓機構123的滾珠螺母上支撐的物體移動時保持平穩；優選地，所述絲槓驅動裝置121為旋轉手柄；

所述x向旋轉機構包括鉸軸131、中間連接座132、旋轉板133、弧形導向槽134和滑動凸臺135，所述中間連接座132安裝在所述滾珠絲槓機構的滾珠螺母上，所述旋轉板133通過鉸軸131可在所述中間連接座132上的弧形導向槽內轉動，並且所述鉸軸131垂直於所述滾珠絲槓機構的絲槓；

所述a向旋轉機構包括旋轉座141和位姿調整板142，所述位姿調整板142可轉動安裝在所述旋轉座141上，並且該位姿調整板142的旋轉中心線與所述鉸軸131垂直。優選地，所述旋轉座141上同心設置有兩條弧形滑槽，所述位姿調整板142在對應於每條所述弧形滑槽的位置分別設置有旋轉凸臺，並且所述旋轉凸臺伸入所述弧形滑槽內，從而使所述位姿調整板142可轉動安裝在所述旋轉座141上，並且旋轉中心與所述鉸軸131垂直。

所述弧形扇齒112通過螺釘安裝在弧形導軌111上，進一步，所述弧形導軌111與所述上支撐板104之間設置有支座113，支座113同時支撐所述弧形扇齒112和弧形導軌111。

進一步，所述中間連接座132上設置有弧形導向槽134，弧形導向槽134的中心線與所述鉸軸131的軸線同線，所述旋轉板133在對應於所述弧形導向槽134的位置設置有滑動凸臺135，所述滑動凸臺135伸入所述弧形導向槽134內，以便所述旋轉板133繞所述鉸軸131的軸線旋轉。

按照本發明的另一個方面，還提供了適用於難加工材料的雷射預熱輔助車削系統，包括所述的雷射預熱輔助車削調整裝置100、雷射器預熱單元200、車削單元300、測溫拍照單元400和切削力測量單元500，其中，

所述雷射預熱單元200包括水冷箱201、半導體雷射器202和雷射雷射器聚焦頭203，所述雷射雷射器聚焦頭203安裝在所述雷射預熱輔助調整裝置100的位姿調整板142上，所述水冷箱201和半導體雷射器202均安裝在支撐底座405上，支撐底座405優選採用移動拖車，所述水冷箱201和所述雷射器聚焦頭203分別與所述半導體雷射器202連接；

所述車削單元300包括車床主體、刀架和車削進給臺，所述車床主體具有主軸和導向軌，並且所述主軸和導向軌均與z向直線導軌平行，所述車削進給臺安裝在所述導向軌上，所述刀架安裝在該車削進給臺上，所述刀架上安裝車刀，刀架能沿x軸方向和z軸方向移動；

在刀架上安裝切削力測量單元500，以用於檢測所述車刀加工工件時的切削力。

所述測溫拍照單元400包括紅外測溫儀401和ccd工業相機402，通過光束分離器將它們與雷射預熱單元的雷射器聚焦頭集成安裝在同一殼體內。

進一步，該雷射預熱輔助車削系統還包括plc控制器403，所述plc控制器403分別與所述半導體雷射器202、紅外測溫儀401、ccd工業相機402和切削力測量單元500連接，以根據切削力數據和加工後工件的表面形貌圖像數據，從而獲得預熱工藝參數對加工後工件表面質量的影響規律。

所述切削力測量單元500安裝在所述刀架下，以用於檢測所述車刀加工工件時的切削力；

進一步，所述預熱工藝參數為雷射光斑與切削刃之間沿工件軸向的軸向距離la、雷射光束與豎直面的夾角θa、雷射光斑與切削刃之間沿工件周向的距離lc、雷射光束與水平面的夾角θc、雷射光斑的直徑d和/或半導體雷射器的功率p。

進一步，所述水冷箱201有兩路迴路，分別用於冷卻半導體雷射器和雷射器聚焦頭203。

進一步，通過光束分離器使所述非接觸式紅外測溫儀401的雷射、ccd工業相機402的鏡頭軸線、雷射器聚焦頭203發出的雷射同軸。

綜上所述，位姿調整板142的「z向」的移動是沿z向直線導軌103縱向移動的動作，位姿調整板142「c向」的旋轉是沿所述弧形導軌112的輪廓進行周向旋轉的動作，位姿調整板142「r向」的移動是沿所述弧形導軌112的徑向移動的動作，位姿調整板142「x向」的旋轉是指繞著鉸軸131中心線旋轉的動作，位姿調整板142「a向」的旋轉是指繞著與所述鉸軸131垂直的旋轉中心線旋轉的動作。

車削單元300的z軸平行於z向直線導軌，其x軸也位於水平面上，其y軸為豎直方向。

參照圖1，在車削單元300上安裝好工件和刀具，並利用試切法進行對刀，確定好刀具與工件的位置；開啟水冷箱讓冷卻水充滿整個水管，然後開啟雷射控制器讓雷射器聚焦頭產生可見的紅色指示光，隨後利用調整單元100調整雷射照射在工件上對工件進行預熱，最後運行工具機代碼讓其正常車削，並通過plc控制器開啟雷射預熱單元200、測溫拍照單元400和切削力測量單元500，採集相關的數據到計算機。

參照圖2和圖3，雷射預熱輔助車削調整裝置100是雷射預熱輔助車削裝置的重要組成部分，用來調整雷射器照射在工件上的光斑與切削刃之間的相對位置，以研究不同預熱工藝參數對難加工材料車削的表面質量影響規律。支撐底板102通過四個雙頭螺栓安裝在車削進給臺上，此設計方式合理利用了車床，不需在車床上額外擴孔，並且可以通過螺母上下運動來調整雷射預熱輔助調整裝置100的整體位置，為後面調整弧形扇齒112軸線與工件軸線同心提供保證。

切削單元300工作時，首先利用三夾夾盤裝夾固定圓棒狀的工件，然後將刀柄安裝在半開式的刀架上，並通過三顆緊固螺釘從上面對刀柄進行緊固安裝，此結構的設計有利於刀柄的安裝和更換。隨後在刀柄上安裝耐高溫陶瓷刀片，並移動車削進給臺，採用試切對刀法進行z向和x向對刀，最後根據加工參數如轉速、切深、進給率等進行編寫數控代碼進行實際切削加工。

參照圖4，雷射器聚焦頭203、ccd相機402和紅外測溫儀401共同安裝在一外殼體內。該雷射預熱單元200具有水冷箱201，半導體雷射器202、雷射器聚焦頭203和一些水管等其它配件。水冷箱201出水口冷卻迴路分為兩路，其中一路進入半導體雷射器用來冷卻雷射器內部模塊，另一路進入雷射器聚焦頭用來冷卻雷射器聚焦頭裡面的光學鏡片。啟動半導體雷射器，讓其首先顯示可見的紅色指示光，根據紅色指示光和上述的雷射器位置調整單元來確定雷射器光束照射在工件500上的位置，然後通過plc控制器輸入合適的預熱功率和預熱時間。

在本發明實施例測溫拍照單元400中，測溫拍照單元主要用於監測雷射預熱輔助車削中的預熱溫度和採集雷射預熱輔助加工後工件的表面形貌圖像，以評估不同工藝參數對加工表面質量的影響。為避免測溫拍照單元的二次設計和安裝，節省時間和空間，測溫拍照單元被與雷射器聚焦頭集成安裝在同一殼體內。由圖4所示，該測溫拍照單元具有接觸式紅外測溫儀401、ccd工業相機402和plc控制器403等。為方便搬運和線路布局，預熱單元200和測溫拍照單元400涉及的採集器和控制器擺放在三層的移動拖車上。首先將雷射預熱輔助車削有限元仿真獲得的最佳的預熱溫度資料庫儲存在plc控制器中，在加工中利用非接觸式紅外測溫儀測量切削區域的預熱溫度，並與預先在plc裡面存儲的溫度進行比較，然後通過plc控制器調整相應雷射器的功率，進而保持工件上待切削預熱區域的溫度最佳化。在雷射預熱輔助切削後，利用ccd工業相機對加工後的工件進行拍照獲得加工表面形貌的圖像，並通過顯示器404進行初步觀察分析加工後的工件表面質量，為後期利用圖像來表徵雷射輔助預熱車削的表面質量。

針對高強度的難加工材料，雷射預熱輔助車削可降低材料的屈服強度改善其可加工性，針對硬脆材料可將其脆性轉化為延展性，減少了振動和降低了切削力。切削力測量單元500可以監測雷射預熱輔助車削過程中切削力的動態變化。該切削力測量單元500主要包括了動態測力儀kistler9257b、信號放大器5070、ni採集器和電腦顯示器等。首先通過螺釘將動態測力儀kistler9257b安裝在小託板上，然後用螺釘將刀架固定在動態測力儀kistler9257b上，然後將動態測力儀kistler9257b、信號放大器5070、ni採集器、電腦顯示器依次相連。雷射預熱輔助車削加工過程中採用測力儀實時採集加工過程中的壓電信號，然後將壓電信號接入信號放大器5070進行放大，最後通過ni數據採集系統和電腦顯示器實時顯示加工過程中的三向動態切削力。

為了更好的說明本發明提供的雷射預熱輔助車削調整裝置及包含其的雷射預熱輔助車削系統的使用過程，以下以難加工材料inconel718為具體實例進行詳細說明，具體步驟如下：

1.根據所加工的難加工材料inconel718確定相應的切削三要素和雷射預熱輔助工藝參數，詳見表1。

表1雷射預熱輔助車削相關參數

2.首先將調整單元、雷射預熱單元、車削單元、測溫拍照單元和切削力測量單元等各個單元單獨組裝完成，然後通過兩兩之間的關係依次連接線路，最後使得雷射預熱輔助車削裝置能夠空運行。

3.按照表1確定的輔助預熱工藝參數，根據雷射器位置調整單元調整好相應的雷射器光斑與切削刃之間沿工件軸向的軸向距離la＝0mm，雷射光束與豎直面的夾角θa＝5°，雷射光斑與切削刃之間沿工件周向的距離lc＝5mm，雷射光束與水平面的夾角θc＝0°，光斑直徑d＝2mm；根據雷射預熱單元調整好相應的雷射器功率p＝500w；根據切削三要素編寫好切削單元的數控代碼。

4.打開水冷箱，讓冷卻水在填滿各迴路；在plc控制器中設置好雷射器啟動關閉時間，然後開啟數控工具機，並同時開啟非接觸式紅外測溫和切削力測量單元，將測量的預熱溫度與plc控制器中內置的最佳預熱溫度資料庫進行對比，根據溫度差值來重新調製雷射器功率的大小。在雷射器預熱輔助車削後，開啟拍照單元，採集加工後工件不同位置的表面形貌圖像，為後期對圖像進行處理來表徵不同工藝參數對雷射預熱輔助車削的工件表面質量的影響提供基礎。

綜上所述，本發明提供的本發明提供的一種適用於難加工材料的雷射預熱輔助車削裝置，一方面可用於研究輔助預熱工藝參數對加工後工件表面質量的影響規律，為雷射輔助預熱車削的資料庫的建立提供平臺；另一方面雷射預熱單元、測溫拍照單元和切削力測量單元等多個單元的協同工作，可以實現雷射預熱輔助車削難加工材料的工藝參數最優化進而提高刀具的使用壽命、材料的去除率、降低加工成本、提高表面質量，為高效高精加工提供了有效的平臺支持。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。