一种双束激光加热辅助钻削集成装置制造方法及图纸

一种双束激光加热辅助钻削集成装置，属于机械加工技术领域。所述双束激光加热辅助钻削集成装置包括连续激光发生系统和脉冲激光发生系统，连续激光发生系统包括连续激光发生器和连续激光聚焦头，机械手夹持连续激光聚焦头移动以调整连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离，脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器和准直系统，脉冲激光束经准直系统从钻头内部沿钻尖向工件表面照射。所述双束激光加热辅助钻削集成装置比单束激光加热具有更高的加工效率和更低的表面损伤，实现了透明难加工材料的钻削加工，降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种双束激光加热辅助钻削集成装置
本技术涉及机械加工
，特别涉及一种双束激光加热辅助钻削集成装置。
技术介绍
激光加热辅助切削技术是将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时间内，将局部加热到很高的温度使材料的切削性在高温下发生改变，然后采用常规的刀具进行加工。通过对材料进行局部微小区域的加热，提高材料塑性的同时使材料的硬度降低，减小切削力，延长刀具使用寿命，抑制表面损伤形成，防止切削振颤，从而达到提高加工效率、降低成本、提高表面质量的目的。针对脆性大、加工难度高的硬脆陶瓷、玻璃材料，采用激光加热辅助钻削技术可以使材料变形由脆性转变为塑性，切屑变得连续，得到更好的质量加工表面。随着现代制造业的发展，新型材料及难加工材料复杂件的应用愈来愈多，加热辅助切削技术能有效地解决难加工材料的切削加工，但是，单一的激光加热辅助切削技术的激光加热诱致的温度场难以充分软化被加工材料，加工效率和加工质量提升不明显，使其不能够高效低损伤的加工超硬脆材料，尤其是新出现的陶瓷及玻璃。对于透明难加工材料，例如氮氧化铝(AlON)透明陶瓷、掺钕钇铝石榴石、镁铝尖晶石、玻璃等超硬脆性材料，在这些难加工材料复杂件的钻削加工时，对钻削刀具磨损十分严重，孔入口和出口易于出现崩边等缺陷，并且加工效率低，成本很高。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的技术问题，本技术提供了一种针对难加工材料复杂零件的双束激光加热辅助钻削集成装置，其比单束激光加热具有更高的加工效率和更低的表面损伤，实现了透明难加工材料的钻削加工，降低了成本。为了实现上述目的，本技术的技术方案是：一种双束激光加热辅助钻削集成装置，包括设置于数控钻床的连续激光发生系统和脉冲激光发生系统；所述连续激光发生系统包括通过激光光纤连接的连续激光发生器和连续激光聚焦头，所述连续激光聚焦头位于工件的下方，并且所述连续激光聚焦头设置于机械手，所述机械手夹持连续激光聚焦头移动以调整连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离；所述脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器和准直系统，所述脉冲激光发生器发出的脉冲激光束经准直系统从钻头内部沿钻尖向工件表面照射。进一步的，所述机械手与工控机连接，工控机控制机械手的移动。进一步的，所述工件通过夹具安装于数控钻床工作台上方，所述钻头通过钻卡头安装于钻床主轴下方。进一步的，所述双束激光加热辅助钻削集成装置还包括测力仪，所述测力仪设置于钻床主轴和钻头的连接处，用于采集钻头钻削工件过程中的钻削力和扭矩数据；所述测力仪与连续激光发生器连接，连续激光发生器根据钻削力和扭矩数据实时调整激光功率进行加工，以保证高的加工效率和质量。进一步的，所述双束激光加热辅助钻削集成装置还包括红外热像仪，用于采集工件上加工孔的位置经不同激光功率的连续激光束加热后的温度；所述红外热像仪与连续激光发生器连接，红外热像仪将加工过程中采集的温度实时传输到连续激光发生器中，连续激光发生器实时调整激光功率，使工件加工过程中的加热温度始终保持在二分之一熔点温度范围内。进一步的，所述连续激光束的光斑中心与工件表面距离为1-5mm。一种双束激光加热辅助钻削方法，采用上述双束激光加热辅助钻削集成装置加工孔，包括如下步骤：S1、准备阶段，将工件通过绝热材料包覆后，通过夹具安装固定于数控钻床工作台上；通过工控机控制机械手移动，机械手夹持连续激光聚焦头到达设定位置，使连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离实现软化工件表面层；通过准直系统对脉冲激光束的激光光斑大小和照射方向进行调整，使脉冲激光束能够烧蚀软化后的工件表面层材料，并且加工出底孔；S2、设置连续激光发生器的加热参数，所述加热参数包括激光功率和预热时间；S3、钻削加工，先打开连续激光发生器的光闸，通过预热使工件待切削区域温度达到材料脆塑转变值；然后打开脉冲激光发生器的光闸烧蚀工件表面，去除孔内材料，加工出底孔；最后开启钻床，钻头按照设定的数控代码进行钻削加工，完成孔的全部加工；同时，通过测力仪采集钻头钻削过程中的钻削力和扭矩数据，通过红外热像仪采集钻削过程中孔的温度数据，并将钻削力、扭矩和温度数据均输入到连续激光发生器中，连续激光发生器实时调整激光功率；S4、加工完成，孔加工完成后，先关闭脉冲激光发生器的光闸，再关闭连续激光发生器的光闸，将钻头移动至下一个待加工位置。进一步的，所述连续激光发生器的加热参数通过有限元方法建立工件的温度场预测模型得到，激光加热过程符合傅立叶三维热传导特征，三维直角坐标导热控制方程如下所述:式中，T为加热温度(℃)；λ为工件材料导热系数(W/m·K)；Q为内热源(W/m3)；ρ为工件材料密度(kg/m3)；cp为工件材料比热容(J/kg·K)；t为预热时间(s)；激光加热过程中的热传递包括工件表面吸收的热量，以及工件表面向外界对流与热辐射的热量；在激光光斑作用区域内式中，ql,abs为工件表面吸收的热量(J)；qc为工件表面对流换热(J)，qc＝hc(T-T0)，hc为工件材料表面对流传热系数，hc的单位为W/(m2·K)；qrad为工件表面热辐射换热(J)；工件表面向外界对流与热辐射的边界条件为：工件表面热辐射换热假设为工件向周围开放式空间辐射换热，辐射换热量为：qrad＝εσ(T4-T04)式中，σ为波尔兹曼常数W/(m2·℃)，ε为材料热辐射率(无量纲)；工件的初始边界条件为：T(r,φ,z,t)t＝0＝T0式中，T0为初始环境温度，r为平面上的投影到坐标原点的距离，φ为投影点的方位角。与现有技术相比，本技术的有益效果：1)本技术通过连续激光加热，改善材料的脆性，使得材料升温迅速、易于控制、热效率高，通过调整连续激光发生器的激光功率和预热时间起到控制激光加热辅助钻削加热温度的作用，在钻削的过程中配合测力仪和红外热像仪，实时调整连续激光发生器的激光功率；2)本技术利用脉冲激光束烧蚀软化层材料，并且加工出底孔，起到烧蚀预打孔的作用，大大降低了钻头钻削过程所去除的材料，提高了加工效率，降低了加工成本；3)通过分析红外热像仪采集的温度信号经网线传输到激光发生器中，激光发生器中的控制系统实时调节激光功率使工件加工过程中的加热温度始终保持在二分之一熔点温度范围内，保证钻削的效率和精度；4)双束激光加热辅助钻削比单束激光加热辅助加工钻削力更低，加工表面质量更高，刀具磨损更低；5)本技术为难加工材料复杂零件的钻削加工提供了一种双束激光加热辅助钻削集成装置，为解决透明难加工材料的加工提出了一种新的方法，能够进行氮氧化铝透明陶瓷、玻璃等透明硬脆材料结构件的孔加工，使加热钻削这一技术有更广泛的应用，将会成为加热切削领域发展的新趋势，为进一步研究双束激光下材料的变形机理提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，包括设置于数控钻床的连续激光发生系统和脉冲激光发生系统；/n所述连续激光发生系统包括通过激光光纤连接的连续激光发生器和连续激光聚焦头，所述连续激光聚焦头位于工件的下方，并且所述连续激光聚焦头设置于机械手，所述机械手夹持连续激光聚焦头移动以调整连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离；/n所述脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器和准直系统，所述脉冲激光发生器发出的脉冲激光束经准直系统从钻头内部沿钻尖向工件表面照射。/n

【技术特征摘要】
1.一种双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，包括设置于数控钻床的连续激光发生系统和脉冲激光发生系统；
所述连续激光发生系统包括通过激光光纤连接的连续激光发生器和连续激光聚焦头，所述连续激光聚焦头位于工件的下方，并且所述连续激光聚焦头设置于机械手，所述机械手夹持连续激光聚焦头移动以调整连续激光束的照射方向、激光光斑大小、激光运动速度以及光斑中心与工件表面距离；
所述脉冲激光发生系统包括相互连接的脉冲激光发生器和准直系统，所述脉冲激光发生器发出的脉冲激光束经准直系统从钻头内部沿钻尖向工件表面照射。


2.根据权利要求1所述的双束激光加热辅助钻削集成装置，其特征在于，所述机械手与工控机连接。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔宪俊，王明海，王奔，郑耀辉，马书娟，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：新型
国别省市：辽宁;21