一种激光复合超声辅助磨削机床及加工方法

技术领域

本发明涉及特种加工领域，尤其涉及一种激光复合超声辅助磨削机床及加工方法。

背景技术

超声辅助磨削是在传统磨削砂轮上施加小幅振动的超声频率对材料进行加工的方法。振动的存在使砂轮和工件产生间歇性的分离，通过改变加工工具的运动方式，改变工件加工条件，由单一的磨削作用变成机械磨削作用、高频微撞击以及超声的空化作用等。当对脆性材料进行切削时，超声振动辅助能够提高材料从脆性向延性域转变的临界切削深度。在超声辅助磨削过程中，高频的超声振动会产生空化、胀裂作用，可以防止砂轮堵塞，提高磨削效率。

激光辅助加工是以高能量的激光束作为热源，对工件材料加工区域进行加热，使工件材料加工区域温度迅速升高，达到使工件材料软化、表层硬脆性降低的目的。在激光辅助磨削过程中，加入激光后的磨削能够降低材料的脆性，改变材料的去除方式，增强工件的可塑性去除性，可以减小磨削力、减缓磨削振动、降低磨具磨损程度、提升加工后工件的表面质量。

碳化硅属于第三代半导体材料，因为其适中的密度、较小的热膨胀系数、带隙宽、耐热冲击性、抗辐射能力强等一系列优点而在空间光学系统和激光元器件中得到了广泛的应用。但由于碳化硅属于硬脆材料，在加工时容易出现脆性断裂现象，导致最终加工质量不好。研究表明，在进行碳化硅材料的平面磨削时，采用超声辅助磨削加工可以有效降低切削力，提高加工质量；此外，在碳化硅材料的激光辅助磨削加工过程中，激光辅助加热使待去除材料温度升高、材料软化、硬度降低，增加了材料的流动性，使材料的去除方式由脆性崩碎变为塑性去除，降低了材料的加工难度，提高了加工表面质量。

上述加工方法存在如下不足：

针对难加工硬脆材料(微晶玻璃、碳化硅等)、复合材料(颗粒增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等)的激光复合辅助磨削，目前激光头仅仅被安装在主轴的一侧，加工只能沿一个进给方向进行，加工具有局限性。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种激光复合超声辅助磨削机床及加工方法。本发明使激光可以聚焦在磨削刀具前方，解决了单进给方向加工的问题，实现高质量加工的同时缩短了复杂路径的加工时间。本发明采用的技术手段如下：

一种激光复合超声辅助磨削机床，包括床身、固定架、工作台、复合加工主轴和伺服驱动模组，所述固定架安装在床身上，所述复合加工主轴可移动地连接在所述固定架上，所述复合加工主轴上装有超声辅助加工系统和激光加工系统，可以实现超声辅助磨削和激光同步辅助加工，所述工作台可移动地连接在床身上，所述伺服驱动模组用于调整复合加工主轴相对于工作台的位置，所述复合加工主轴上转动连接有激光加工系统的激光头，所述复合加工主轴周围多个方向均分布有光路传输系统，还包括控制系统，所述控制系统用于控制复合加工主轴、工作台以及激光头绕复合加工主轴的运动，使激光聚焦在复合加工主轴输出端的砂轮进给方向的前方，对工件进行激光与超声复合辅助平面磨削。在加工时，激光可以对工件待加工区域进行改性，能够降低材料的脆性，提高工件的可加工性，提高超声辅助磨削加工质量；本发明将超声辅助加工系统和激光加工系统安装在同一复合加工主轴上，实现了激光和超声同步辅助磨削。

进一步地，所述固定架包括龙门架，龙门架上装有Z轴伺服驱动模组，Z轴伺服驱动模组与复合加工主轴连接并控制其Z方向运动，所述龙门架顶部安装有超声辅助加工系统和激光器系统。

进一步地，所述床身底部装有Y轴伺服驱动模组，连接Y轴平台并控制其Y方向运动，Y轴平台上装有X轴伺服驱动模组，连接工作台并控制其X方向运动。

进一步地，所述伺服驱动模组包括伺服电机、滚珠丝杠和直线导轨，伺服电机通过电路与机床控制柜相连。

进一步地，超声辅助加工系统包括超声电源、主轴电机、超声传输装置、超声刀柄和砂轮，所述超声电源用于产生高频正弦交流电信号，所述主轴电机用于实现砂轮的旋转，超声电源产生的高频正弦交流电信号经过超声传输装置传递到超声刀柄，使砂轮产生超声振动，实现工件的超声辅助磨削。

进一步地，所述激光加工系统包括光纤激光光源、光路转向机构、所述光路传输系统、对焦装置和激光头，所述光纤激光光源用于输出高强度激光，高强度激光经过激光头转向机构进入光路传输系统传输到对焦装置与激光头，聚焦在工件上，高温使工件软化，实现激光辅助加工。

进一步地，所述光路转向机构包括旋转反射镜和与其相连的旋转电机，所述旋转电机用于驱动旋转反射镜转向，使激光反射到不同的光路中，并始终聚焦在磨削刀具的前方，实现不同进给方向的激光辅助磨削加工。

进一步地，光路传输系统安装在主轴周围的0°、90°、180°、270°四个方向，对焦装置和激光头安装在复合加工主轴末端的激光转向驱动装置上，所述激光转向驱动装置包括驱动电机和与其相连的齿轮调节机构。

本发明还公开了一种激光复合超声辅助磨削机床及加工方法，可以实现难加工硬脆材料的激光与超声复合辅助平面磨削，包括以下步骤：

步骤一：使用压板夹具将工件固定在在工作台上并完成工件的夹紧；

步骤二：将砂轮安装在超声刀柄上；

步骤三：通过驱动Y轴伺服驱动模组和X轴伺服驱动模组，将工作台移动至复合加工主轴下方，进行对刀；

步骤四：调节激光头的高度，开启光纤激光光源，使激光聚焦在工件上；

步骤五：开启超声电源，信号经过超声传输装置传输至超声刀柄，使砂轮产生轴向高频振动；

步骤六：开启超声加工主轴电机，通过超声刀柄带动砂轮产生高速旋转；

步骤七：通过机加工程序控制复合加工主轴、工作台以及激光头绕复合加工主轴的运动，使激光聚焦在砂轮进给方向的前方，对工件进行激光与超声复合辅助平面磨削；

步骤八：加工完成，关闭光纤激光光源、超声电源和主轴电机，将工件从工作台取下。

进一步地，所述步骤五中，振动频率为20-25kHz，振幅为5-10μm。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过齿轮将激光头安装在复合加工主轴上，实现了激光头绕复合加工主轴的转动，能实现四个进给方向(0°、90°、180°、270°)的加工，可以实难加工硬脆材料的高质加工，在保证加工质量的同时节省了复杂加工路径的加工时间。

2、本发明中的Y轴平台、工作台、复合加工主轴和激光头控制电机均可通过计算机程序实现多轴联动。

3、本发明弥补了难加工硬脆材料在激光复合超声辅助磨削时只能单方向进给的局限性，主轴周围四个方向(0°、90°、180°、270°)上分布着激光传输系统，并使用激光转向驱动装置实现了激光头绕加工主轴的转动，可以完成四个进给方向(0°、90°、180°、270°)上的激光复合超声辅助磨削，可以对工件进行回字形轨迹加工，缩短了复杂加工路径的加工时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的主视图。

图3为本发明实施例的激光器运动结构示意图。

图4为本发明实施例中的加工过程示意图。

图5为本发明实施例中激光与超声复合辅助加工示意图。

图6为为本发明实施例中四个进给方向加工示意图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为(0°、90°、180°、270°)的角度示意图。

图中：1、床身；2、龙门架；3、复合加工主轴；31、超声辅助加工系统；311、超声电源；312、主轴电机；313、超声传输装置；314、超声刀柄；315、砂轮；32、激光加工系统；321、光纤激光光源；322、旋转反射镜；323、旋转电机；324、光路传输系统；325、对焦装置；326、激光头；4、Z轴伺服驱动模组；5、X轴伺服驱动模组；6、Y轴平台；7、Y轴伺服驱动模组；71、伺服电机；72、滚珠丝杠；73、直线导轨；8、工作台；9、激光转向驱动装置；91、大齿轮；92、小齿轮；93、驱动电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种激光复合超声辅助磨削机床，包括床身1、固定架、工作台、复合加工主轴3和伺服驱动模组，所述固定架安装在床身1上，所述复合加工主轴3可移动地连接在所述固定架上，所述复合加工主轴上装有超声辅助加工系统31和激光加工系统32，可以实现超声辅助磨削和激光同步辅助加工，所述工作台8可移动地连接在床身上，所述伺服驱动模组用于调整复合加工主轴相对于工作台的位置，所述复合加工主轴上转动连接有激光加工系统32的激光头326，所述复合加工主轴3周围多个方向均分布有光路传输系统324，还包括控制系统，所述控制系统用于通过各伺服驱动模组和超声辅助加工系统、激光加工系统中的电机控制复合加工主轴3、工作台8以及激光头326绕复合加工主轴3的运动，使激光聚焦在复合加工主轴输出端的砂轮315进给方向的前方，对工件进行激光与超声复合辅助平面磨削。

本实施例中，所述固定架包括龙门架2，所述龙门架2的两端安装在床身的左右两侧，所述复合加工主轴3可移动地连接在所述固定架上具体为龙门架的横梁部分上设置的Z轴伺服驱动模组4，Z轴伺服驱动模组4与复合加工主轴3连接并控制其Z方向运动，所述龙门架2顶部安装有超声辅助加工系统和激光器系统。

作为可选的实施方式，所述床身底部装有Y轴伺服驱动模组7，连接Y轴平台6并控制其Y方向运动；Y轴平台6上装有X轴伺服驱动模组5，连接工作台并控制其X方向运动，从而使得所述工作台8可移动地连接在床身上；在其他可选的实施方式中，X轴伺服驱动模组和Y轴伺服驱动模组的位置对调，Y轴平台作为X轴平台，同样能够完成对工作台位置的调节。

本实施例中，所述X轴伺服驱动模组7、Y轴伺服驱动模组5、Z轴伺服驱动模组4均由包括伺服电机71、滚珠丝杠72和直线导轨73，伺服电机通过电路与机床控制柜相连，伺服驱动模组根据机加工程序控制Y轴平台6、工作台8和复合加工主轴3的移动，实现平面磨削加工。

如图2所示，本实施例采用的超声辅助加工系统包括超声电源311、主轴电机312、超声传输装置313、超声刀柄314和砂轮315，所述超声电源用于产生高频正弦交流电信号，所述主轴电机312用于实现砂轮315的旋转，超声电源产生的高频正弦交流电信号经过超声传输装置313传递到超声刀柄314，使砂轮315产生超声振动，实现工件的超声辅助磨削。

如图3所示，所述激光加工系统包括光纤激光光源321、光路转向机构、所述光路传输系统324、对焦装置325和激光头326，所述光纤激光光源用于输出高强度激光，高强度激光经过光路转向机构进入光路传输系统传输到对焦装置与激光头，聚焦在工件上，高温使工件软化，实现激光辅助加工。

本发明复合加工主轴末端装有激光转向驱动装置9，可以驱动激光头绕主轴旋转，保证激光聚焦点始终保持在磨削刀具前端，实现沿X轴和Y轴四个进给方向运动的激光复合超声辅助磨削。作为优选的实施方式，所述光路转向机构包括旋转反射镜323和与其相连的旋转电机323，二者安装在复合加工主轴3顶部，旋转电机与所述控制系统相连，所述旋转电机用于驱动旋转反射镜转向，使激光反射到不同的光路中，并始终聚焦在磨削刀具的前方，实现不同进给方向的激光辅助磨削加工。光路传输系统安装在主轴周围的0°、90°、180°、270°四个方向，可以实现激光在四个方向上的传输，对焦装置和激光头安装在复合加工主轴末端的激光转向驱动装置9上，所述激光转向驱动装置包括驱动电机93和与其相连的齿轮调节机构，所述齿轮调节机构包括连接在驱动电机上的小齿轮和与其啮合的大齿轮，依靠驱动电机93驱动小齿轮92和大齿轮91实现对焦装置325和激光头326绕复合加工主轴3的旋转，进而实现如图6所示的四个进给方向0°、90°、180°、270°上的激光复合超声辅助磨削。

本发明还公开了一种激光复合超声辅助磨削机床及加工方法，可以实现难加工硬脆材料的激光与超声复合辅助平面磨削，如图4、图5所示，包括以下步骤：

步骤一：使用压板夹具将工件固定在在工作台上并完成工件的夹紧；

步骤二：将砂轮安装在超声刀柄上；

步骤三：通过驱动Y轴伺服驱动模组和X轴伺服驱动模组，将工作台移动至复合加工主轴下方，进行对刀；

步骤四：调节激光头的高度，开启光纤激光光源，使激光聚焦在工件上，对零件材料加热，降低材料硬度；

步骤五：开启超声电源，信号经过超声传输装置传输至超声刀柄，使砂轮产生轴向高频振动；本实施例中，振动频率为20-25kHz，振幅为5-10μm。

步骤六：开启超声加工主轴电机，通过超声刀柄带动砂轮产生高速旋转；

步骤七：通过机加工程序控制复合加工主轴、工作台以及激光头绕复合加工主轴的运动，使激光聚焦在砂轮进给方向的前方，对工件进行激光与超声复合辅助平面磨削；

步骤八：加工完成，关闭光纤激光光源、超声电源和主轴电机，将工件从工作台取下。

本发明在主轴上方设置了一个旋转反射镜，可以反射激光到主轴周围四个方向(0°、90°、180°、270°)的光路中，同时，本发明在加工主轴末端设有激光转向驱动装置，实现了激光头绕加工主轴的旋转，使激光可以聚焦在四个进给方向(0°、90°、180°、270°)上，可以充分利用激光与超声复合辅助磨削的优势，在保证加工质量的同时节省了复杂加工路径的加工时间，弥补了单方向进给加工的局限性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。