一种氮化硅陶瓷激光辅助加工方法及系统

技术领域

本发明涉及氮化硅陶瓷加工技术领域，特别是涉及一种氮化硅陶瓷激光辅助加工方法及系统。

背景技术

氮化硅陶瓷具有优良的热物理性能，能够在恶劣的工作环境下保持高强度、耐腐蚀、抗磨损的性能，但其脆性与高硬度决定了其加工难度大、加工成本高，是一种典型的难加工材料。采用激光加热辅助切削技术可实现氮化硅陶瓷工件外圆、平面及复杂沟槽的加工，表面质量好、不产生裂纹并且加工后材料没有发生生物相变化。

当氮化硅陶瓷温度超过1000℃时，玻璃相开始软化，强度与硬度都有明显的下降，此时将软化的材料去除，可以达到加热辅助切削的目的。刀具与晶粒相互作用，重新分布，产生如传统金属切削相似的卷曲半连续切屑，表明此时是塑性切削过程。随着切削区域温度降低，材料软化程度下降，材料由切削区流出后即在刀具的作用下断裂，切屑会明显减小，逐渐变为针状切屑。随着激光技术、加热辅助切削技术及成套装备的出现，激光加热辅助切削技术将在未来难加工材料加工的应用中占有重要的位置。

但是在激光加热辅助切削过程中，并不是激光功率越高越好，激光功率过高会导致材料发生热损伤，激光功率低则导致材料塑性不足而易断裂。特别是对于复杂沟槽的加工过程，由于加工面深度变化、切削位置变化以及切削截面变化，导致激光加热辅助难以准确配合刀具切削位置。由此，如何实现对氮化硅陶瓷材料的智能激光辅助加工是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮化硅陶瓷激光辅助加工方法及系统，本发明通过激光功率及切割深度参数对切割速度的影响，优化氮化硅陶瓷的激光辅助加工过程，提高氮化硅陶瓷激光辅助加工的质量。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本申请提供了一种氮化硅陶瓷激光辅助加工方法，所述方法包括：

获取待加工数据模型，根据待加工数据模型生成切割变化图；

识别所述切割变化图中的切割特征，并依据所述切割特征及切割速度确定所述切割特征匹配的激光功率需求曲线；

依据所述激光功率需求曲线以及切割变化图确定所述步进切割图形位置的激光辅助参数。

进一步的，所述激光辅助参数至少包括激光功率及激光角度随切割位置变化的参数。

进一步的，根据待加工数据模型生成切割变化图包括：

根据待加工数据模型生成随时间变化的切割截面；

根据切割深度分段采集切割截面的步进切割图形；

将步进切割图形随时间的变化输出为所述切割变化图。

进一步的，所述切割速度的值为固定值，依据所述切割特征的面积计算需求功率，并将需求功率随时间的变化输出为所述激光功率需求曲线。

进一步的，所述切割速度的值为变化值，依据所述切割特征的面积及所述步进切割图形对应的切割速度计算需求功率，并将需求功率随时间的变化输出为所述激光功率需求曲线。

进一步的，识别所述切割变化图中的切割特征的方法包括：

S0为当前步进切割图形的面积；

Sn为当前步进切割图形之后所采集的第n个步进切割图形，n为自然数

将S0、S1、S2...Sm的步进切割图形进行重叠生成所述切割特征，m为预设的组合值。

另一方面，本申请提供一种氮化硅陶瓷激光辅助加工系统，所述系统包括：

图形生成模块，用于获取待加工数据模型，并根据待加工数据模型生成切割变化图；

需求计算模块，用于识别所述切割变化图中的切割特征，并依据所述切割特征及切割速度确定所述切割特征匹配的激光功率需求曲线；

参数计算模块，用于依据所述激光功率需求曲线以及切割变化图确定所述步进切割图形位置的激光辅助参数。

进一步的，所述图形生成模块至少包括；

截面生成单元，用于根据待加工数据模型生成随时间变化的切割截面；

切割图采集单元，用于根据切割深度分段采集切割截面的步进切割图形；

切割图组合单元，将步进切割图形随时间的变化输出为所述切割变化图。

进一步的，所述切割速度的值为固定值，所述需求计算模块依据所述切割特征的面积计算需求功率，并将需求功率随时间的变化输出为所述激光功率需求曲线。

进一步的，所述切割速度的值为变化值，所述需求计算模块依据所述切割特征的面积及所述步进切割图形对应的切割速度计算需求功率，并将需求功率随时间的变化输出为所述激光功率需求曲线。

本发明提供了一种氮化硅陶瓷激光辅助加工方法及系统，与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明首先采集了随时间变化的切割变化图和切割特征，根据切割特征确定加工所需的激光功率需求曲线，再依据切割变化图和激光功率需求曲线确定相应步进切割图形所匹配的激光功率及激光角度随切割位置变化的参数。本申请实现了在氮化硅陶瓷工件加工之前即根据工件自身尺寸参数生成加工过程的激光辅助参数，优化了加工过程中对激光角度调节以及激光功率调节的方式，从而提高了氮化硅陶瓷激光辅助加工的质量。

附图说明

图1是激光辅助加工示意图；

图2是本发明的实施例中氮化硅陶瓷激光辅助加工方法流程图；

图3是本发明的实施例中根据待加工数据模型生成切割变化图的流程图；

图4是本发明的实施例中由步进切割图形组合成切割变化图的示意图；

图5是本发明的实施例中切割特征生成示意图；

图6是本发明的实施例中计算激光辅助参数对照图。

附图标记：1、激光加热位置；2、待加工工件；3、切刀；4、步进切割图形；5、切割变化图；6、切割特征。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内侧的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参照图1，现有技术中，目标工件移动过程中会依据加工目标而需要切割出不同的表面，而激光功率对工件温度的影响最为重要，其次是切削深度。当部分位置切削过程进刀深度较大时，根据激光功率的变化，可能需要多次多层的切割，同时，在切割过程中由于进刀的纵深变化，所切割的位置也不会仅限于平面切割。然而，在现有技术中，随着待加工工件2移动，当出现进刀深度变化时，激光加热位置1及加热功率不能得到良好的控制，导致部分位置出现热损伤或易断裂的情况出现。本申请所提供方案旨在解决这一技术问题。

参照图2，为了解决上述技术问题，本申请提供一种氮化硅陶瓷激光辅助加工方法，具体方法内容如下。需要理解的是，在激光辅助加工过程中，激光的加热位置与切割位置的相对距离是保持不变的。

步骤S100：获取待加工数据模型，根据待加工数据模型生成切割变化图5。

所述待加工数据模型为待加工待氮化硅陶瓷工件的3D数据模型，所述切割变化图5为切割过程中切断面随时间变化的图。

参照图3，根据待加工数据模型生成切割变化图5包括以下步骤：

步骤S101：根据待加工数据模型生成随时间变化的切割截面；

步骤S102：根据切割深度分段采集切割截面的步进切割图形4；

步骤S103：将步进切割图形4随时间的变化输出为所述切割变化图5。

步骤S101中所述切割截面为根据切刀3所在3D数据模型中的位置对3D数据模型进行切割后所得到的截面。在获取到3D数据模型后，通过3D软件模拟待加工数据模型在各切割节点的形状变化，从而在各切割节点获取到所述切割截面，所述切割节点表示切割过程的时间节点。随切割工作的进行，切割截面的形状随切割时间节点的变化而变化。

参照图4，在本申请方案中，通过预设的时间频率采集切断面形成各切割节点的步进切割图形4。为了实现对切割过程的激光辅助精确控制，切刀3进入待加工工件2的深度不变，即切刀3切割过程中，切刀3最低点与被切割位置的最高点的高差不变，所以形成的每个步进切割图形4的高差也是预设的固定值。在步骤S103中，所述切割变化图5为多个步进切割图形4依照时间次序排列而成，由于切刀3自身宽度固定，所形成的步进切割图形4的最大宽度也为固定值。

切割变化图5的获取能够表达氮化硅陶瓷工件加工过程中所切割部位形状的变化规律，基于其形成原理，所述预设的时间频率越小越好，在一个优选的示例中，时间频率为1ms/次，即模拟实际切割氮化硅陶瓷的速度，每1毫秒采集一次步进切割图形4，再将每个步进切割图形4按照时间次序排列形成切割变化图5。由于时间频率设定小，所以切割变化图5中相邻的步进切割图形4的形状相差较小，图4中所表示的切割变化图5是为了清楚显示每一步进切割图形4，所以相邻的步进切割图形4的形状相差较大。

步骤S200：识别所述切割变化图5中的切割特征6，并依据所述切割特征6及切割速度确定所述切割特征6匹配的激光功率需求曲线。

所述切割特征6为多个步进切割图形4的集合，具体的：S0为当前步进切割图形4的面积；Sn为当前步进切割图形4之后所采集的第n个步进切割图形4，n为自然数；将S0、S1、S2...Sm的步进切割图形4进行重叠生成所述切割特征6，m为预设的组合值。如图5所示，步进切割图形4a、b、c、d进行组合后形成切割特征6M。

在一个示例中，切割速度为固定值，即通过调整氮化硅陶瓷工件的进料速度和转动速度，使得切刀3相对待加工氮化硅陶瓷工件表面移动的速度为固定值，则直接根据切割特征6的面积计算需求功率，如：切割特征6的面积为N，需求功率为F1，则F1＝N＊K，K1为固定系数。

在另一个示例中，切割速度为变化值，依据所述切割特征6的面积及所述步进切割图形4对应的切割速度计算需求功率。如：切割特征6的面积为N，需求功率为F1，Sd为当前步进切割图形4所对应的切割速度，则F1＝N＊Sd＊K1。

所述激光功率表示在激光辅助加热切割过程中对激光功率的期望值。当每一步进切割图形4所对应的需求功率计算完成之后，将需求功率随时间的变化输出为所述激光功率需求曲线。

步骤S300：依据所述激光功率需求曲线以及切割变化图5确定所述步进切割图形4位置的激光辅助参数。所述激光辅助参数至少包括激光功率及激光角度随切割位置变化的参数。由于获取的切割变化图5以及切割特征6的过程均位于实际切割之前，所以本申请所述的激光角度仅表示激光所朝向的切刀3位置。

在一个优选的示例中，如图6所示，切割特征6M的两个边L1、L2分别表示切刀3切割工件过程中，工件与切刀3接触而被切割的两个边，通过L1和L2做圆，所得圆的半径为r1；以切刀3进入待加工工件2的深度和切刀3自身宽度为两个直角边做圆，所得圆的半径为r2。则根据r1和r2的比值以及需求功率F1计算激光功率F2，即F2＝F1＊r2/r1。

参照图6，在设定激光角度时，激光朝向切刀3对应L1和L2的交点O的角为标准角度，切割特征6M顶部的宽度为L3，则调整参数g的计算方式为：

g＝K2＊(L3/L2－1)，L为切刀3自身宽度，K2为固定参数。

则激光朝向沿交点O向上调整g的距离。

在另一个优选的示例中，由于切割特征6顶部宽度L3存在为零的时候，在计算调整参数过程中，将顶部宽度L3替换为中位线L4，即：

g＝K3＊(L4/L2－1)，K3为固定参数。

在激光辅助参数计算完毕后，依据激光辅助参数调整激光在加热辅助切割过程中的加工参数。

在本申请方案中，首先采集了随时间变化的切割变化图5和切割特征6，根据切割特征6确定加工所需的激光功率需求曲线，再依据切割变化图5和激光功率需求曲线确定相应步进切割图形4所匹配的激光功率及激光角度随切割位置变化的参数。本申请实现了在氮化硅陶瓷工件加工之前即根据工件自身尺寸参数生成加工过程的激光辅助参数，优化了加工过程中对激光角度调节以及激光功率调节的方式，从而提高了氮化硅陶瓷激光辅助加工的质量。

基于相同的技术构思，本发明还相应地提供了一种氮化硅陶瓷激光辅助加工系统，所述系统包括：

图形生成模块，用于获取待加工数据模型，并根据待加工数据模型生成切割变化图5；

需求计算模块，用于识别所述切割变化图5中的切割特征6，并依据所述切割特征6及切割速度确定所述切割特征6匹配的激光功率需求曲线；

参数计算模块，用于依据所述激光功率需求曲线以及切割变化图5确定所述步进切割图形4位置的激光辅助参数。

其中，图形生成模块包括；

截面生成单元，用于根据待加工数据模型生成随时间变化的切割截面；

切割图采集单元，用于根据切割深度分段采集切割截面的步进切割图形4；

切割图组合单元，将步进切割图形4随时间的变化输出为所述切割变化图5。

上述辅助加工系统中的模块和单元所实现的功能均为上述辅助加工方法中的实现方式。需要说明的是，在本申请方案中，所述需求计算模块计算激光辅助参数过程中，可根据实际加工需求进行选择性计算，例如图形生成模块仅生成待加工工件2部分位置的切割变化图5，则参数计算模块仅计算所述待加工工件2部分位置的激光辅助参数；又例如待加工工件2表面结构不能满足激光的加热位置与切割位置距离不变时，通过调整切割速度，降低因距离变化所影响的激光加热温度变化，在此不再赘述。

由于切割速度的不同，所影响的激光功率也会有不同，在一个示例中，切割速度为固定值，即通过调整氮化硅陶瓷工件的进料速度和转动速度，使得切刀3相对待加工氮化硅陶瓷工件表面移动的速度为固定值，则需求计算模块直接根据切割特征6的面积计算需求功率，如：切割特征6的面积为N，需求功率为F1，则F1＝N＊K，K1为固定系数。在另一个示例中，切割速度为变化值，需求计算模块依据所述切割特征6的面积及所述步进切割图形4对应的切割速度计算需求功率。如：切割特征6的面积为N，需求功率为F1，Sd为当前步进切割图形4所对应的切割速度，则F1＝N＊Sd＊K1。

综上所述，由于功率需求曲线是根据多个步进切割图形4叠加所形成的切割特征6面积计算而出，使得所计算的需求功率能够适应一段距离的工件切割，在持续切割过程中保证了激光辅助参数的稳定性。另一方面，由于激光辅助参数计算过程中同样有叠加后所形成的切割特征6参与计算，使得激光辅助参数的计算结果能够兼顾到当前加工位置以及当前加工位置之后的一段距离的加工位置，进一步的提高了激光辅助参数在持续切割过程中对工件切割的稳定辅助，在复杂沟槽的加工过程中，满足了激光加热功率与切刀3的配合需求。本申请实现了在氮化硅陶瓷工件加工之前即根据工件自身尺寸参数生成加工过程的激光辅助参数，优化了加工过程中对激光角度调节以及激光功率调节的方式，从而提高了氮化硅陶瓷激光辅助加工的质量。以上所述仅为本发明的一个实施例子，但不能以此限制本发明的范围，凡依据本发明所做的结构上的变化，只要不失本发明的要义所在，都应视为落入本发明保护范围之内受到制约。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD－ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。