一种采用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法

技术领域

本发明涉及木材加工技术领域，具体地说是一种采用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法。

背景技术

木材、竹材等生物质材料及其制品是重要的原材料，可用于建筑、园林、家具、工艺品等诸多领域。特别是在用于家具和工艺品的加工中，存在着部分难加工的硬质生物质材料，如重组竹（亦成为竹钢），黄花梨等人造或者天然生物质材料。针对这类生物质材料如果采用传统的切削加工，加工效率低且刀具磨损快。激光加工是典型的高效热加工方法，由于生物质材料对激光（如波长10.6μm）的吸收能力强，加工时能量利用率高，因此越来越多的研究和实验尝试将激光用于生物质材料的加工。然而生物质材料的燃点低，利用激光加工这类材料时，存在着两种机制，即气化和燃烧。其中，在激光热源集中作用的区域，生物质材料瞬间被蒸发气化，形成蚀坑。而激光外围区域由于能量密度降低，仅能加热工件引起炭化烧蚀而不能蒸发工件材料。一般认为，激光在蒸发竹生物质材料的同时必然伴随着燃烧和炭化过程。因此，炭化过程不可避免（

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种采用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法，该方法能够对激光加工生物质材料时产生的炭化层进行控制并切除。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种采用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：首先利用激光发生装置产生激光束作用在生物质材料上，生物质材料在被高温气化的同时产生有害炭化层；同时利用射流发生装置产生低压射流，并在低压射流中添加磨料，低压射流和磨料通过喷头喷出后形成磨料射流；其次，将磨料射流喷向炭化层，炭化层连同其结合部的生物质材料被切除并冲刷走。

所述的低压射流发生装置所产生的低压射流压力低于30MPa，射流为液体或气体。

所述的喷头通过管道分别与低压射流发生装置和装有磨料的磨料仓相连接，磨料仓出口处的管道上装有阀门且该阀门采用磨料调节装置控制。

所述的射流发生装置能够产生压力和速度可调的低压射流且通过磨料调节装置能够调节磨料射流中的磨料的添加量，形成参数可调的磨料射流，从而实现炭化层的切除厚度控制。

所述的喷头和激光发生装置安装在机床主轴上并能够跟随机床主轴运动进给，使得激光发生装置产生的激光束和喷头喷出的磨料射流跟随机床主轴运动。

所述的机床主轴能够驱动激光束和喷头作分层扫描运动，实现复杂立体轮廓、立体异表面的加工。

所述机床主轴的周侧设有多个呈圆周分布的喷头，且多个喷头喷出的磨料射流的交汇点位于激光束在生物质材料上的作用区域。

在激光束作用在待加工的生物质材料上之前的行程中，磨料射流和激光束不接触。

所述的激光发生装置通过调整功率和焦距生产不同能量密度的激光束。

所述的生物质材料放置在水槽中加工、或者放置在水槽的上方加工。

特别需说明的是，传统的高压水射流加工一般用于切除加工，难以用于表层材料的切除；低压水射流一般用于清洗且不添加磨料。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明提出利用磨料射流去除激光加工中生成的炭化层的新型加工方法，即利用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法，该方法中使用的磨料射流为低压射流，利用30MPa以下的气体或者液体加速磨料，利用磨料的动能切除炭化层以及炭化层毗邻的过渡区域（该区域材料硬度高，无磨料添加的低压射流难以去除），实现高效加工和高表面质量加工相统一。

本发明将激光加工和磨料射流相互结合，低压磨料射流辅助在线切除激光加工生成的炭化层，解决了长期困扰激光加工中的炭化烧蚀难题，特别适用于生物质材料表面纹饰、浮雕、立体异形面之类的加工，加工表面精度高且无炭化层，可用于生物质材料的高效、低成本加工。

附图说明

附图1为本发明的采用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法的原理图之一；

附图2为本发明的采用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法的原理图之二。

其中：1—机床主轴；2—激光发生装置；3—激光束；4—生物质材料；5—炭化层；6—磨料射流；7—喷头；8—水槽；9—磨料仓；10—磨料调节装置；11—射流发生装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示：一种采用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法，该方法的步骤如下：首先利用激光发生装置2产生激光束3作用在生物质材料4上，生物质材料4在被高温气化的同时产生有害炭化层5（如图1中的黑弧部分）；同时利用射流发生装置11产生低压射流，并在低压射流中添加磨料9，低压射流和磨料9通过喷头7喷出后形成磨料射流6；其次，将磨料射流6喷向炭化层5，炭化层5连同其结合部的生物质材料4被切除并冲刷走。需要说明的是，在激光束3作用在待加工的生物质材料4上之前的行程中，磨料射流6和激光束3不会提前接触，这样可以降低磨料射流6对激光的影响，避免激光束3的能量在传播过程中被磨料射流6吸收。

进一步的来说，低压射流发生装置11所产生的低压射流压力低于30MPa，射流为液体或气体；且优选水。喷头7通过管道分别与低压射流发生装置11和装有磨料9的磨料仓相连接，磨料仓出口处的管道上装有阀门且该阀门采用磨料调节装置10控制，当然该阀门也可采用手工调节，采用磨料调节装置10自动调节时需结合激光参数，因为不同的激光参数造成的炭化层5的厚度不同；射流发生装置11能够产生压力和速度可调的低压射流且通过磨料调节装置10调节磨料射流6中的磨料9的添加量，形成参数可调的磨料射流6，从而实现炭化层5的切除厚度控制。另外激光发生装置2通过调整功率和焦距能够生产不同能量密度的激光束3，喷头7和激光发生装置2安装在机床主轴1上并跟随机床主轴1运动进给，使得激光发生装置2产生的激光束3和喷头7喷出的磨料射流6跟随机床主轴1运动；同时，机床主轴1的周侧设有多个呈圆周分布的喷头7，且多个喷头7喷出的磨料射流6的交汇点位于激光束3在生物质材料4上的作用区域。机床主轴1能够驱动激光束3和喷头7作分层扫描运动，实现复杂立体轮廓、立体异表面的加工。

还有另一个技术方案，如图2所示，该方法是将喷头7或者多个喷头7按照圆周方向布置，并设置于机床主轴1的外侧，这样的方案可以降低机床主轴1的复杂程度，但是，同样要求喷头7可以跟随机床主轴1同步运动。

进一步的来说，生物质材料4放置在水槽8中加工、或者放置在水槽8的上方加工，设置水槽8的目的主要是为了承接冲刷炭化层5后的磨料射流6。

本发明的方法的工作原理如下：生物质材料4在激光束3的作用下瞬间被气化，同时也有部分未气化的材料被烧蚀成为炭化层5；为去除该炭化层5，通过磨料射流6冲刷炭化层5区域实现表层切除；磨料9通过磨料调节装置10调节添加量，通过调节磨料9的添加量控制所切除的炭化层5厚度。由于激光束3和磨料射流6同时工作，因此两者均可随着机床主轴1运动，可进行复杂形状的数控加工。

本发明提出利用磨料射流去除激光加工中生成的炭化层的新型加工方法，即利用激光和磨料射流进行生物质材料复合加工的方法，该方法中使用的磨料射流为低压射流，利用30MPa以下的气体或者液体加速磨料，利用磨料的动能切除炭化层5以及炭化层5毗邻的过渡区域（该区域材料硬度高，无磨料添加的低压射流难以去除），实现高效加工和高表面质量加工相统一。该方法通过将激光加工和磨料射流相互结合，通过低压磨料射6流辅助在线切除激光加工生成的炭化层5，解决了长期困扰激光加工中的炭化烧蚀难题，特别适用于生物质材料表面纹饰、浮雕、立体异形面之类的加工，加工表面精度高且无炭化层，可用于生物质材料的高效、低成本加工。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。