CN112974932A - 一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，包括第一直线位移机构，角度微调装置，第二直线位移机构和激光诱导氧化装置。第一直线位移机构包括第一支座和第一滑块，第一滑块在第一支座上沿竖直方向滑动，第一支座用于固定安装在机床主轴上；角度微调装置包括固定件和转动件，转动件转动安装于固定件上，固定件固定于第一滑块上；第二直线位移机构包括第二支座和第二滑块，第二滑块沿第二支座的长度方向滑动，第二支座固定于转动件上；激光诱导氧化装置固定于第二滑块上。相比于现有技术，本发明能够精密调节距离和角度，实现精准对焦功能，保证氧气喷射方向与激光束方向相同。

Description

一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置

技术领域

本发明涉及铣削加工技术领域，特别是涉及一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置。

背景技术

铣削加工具有生产效率高、加工范围广以及能够加工复杂型面等优点，是零部件加工的一种常用的手段。但是随着各种新型材料的发展应用，针对如高硬陶瓷材料、复合材料、硬质合金等难加工材料，常规的铣削加工会出现诸如刀具磨损严重、加工质量差、加工表面完整性低等问题。这大大限制了铣削加工工艺在难加工材料领域的应用。

为解决这一问题，提高难加工材料的切削加工性能，主要解决方式有两种。一种是从提高刀具性能入手，针对难加工材料采用硬度更高的CBN或金刚石刀具，这样可以在一定程度上改善切削加工性能，减少刀具磨损，提高加工效率。但是由于各种高硬陶瓷或硬质合金等本身就是常用的刀具材料，所以即使是使用金刚石刀具也会难以避免的出现刀具磨损及崩刃现象。另一种是从改变工件材料的可切削性入手，通过使工件材料表面改性或变质以降低其切削载荷，改善材料的切削加工性。

激光加热辅助切削复合加工是一种通过激光束使得加工表面改性的加工方式，通过将高能激光束聚焦在刀具加工前端工作表面上，激光热效应使得代加工区域材料温度升高，从而使得材料软化，降低其切削载荷，随后利用刀具去除软化材料，可以降低切削载荷。但是，由于金刚石刀具在高温下容易发生石墨化及氧化反应，只能使用性能较差的CBN刀具；同时，又因为为了软化材料需要较高的激光功率，会在工件材料表面留下较为严重的热影响区；此外，由于软化的区域温度较高，刀具距离光斑位置很近，在加工过程中切削区温度较高，过高的温度会显著降低刀具的强度和硬度。

激光诱导氧化辅助铣削技术通过激光束辐照待加工区域，同时通以氧气作为辅助气体，利用激光束与氧化辅助气体的耦合作用，诱导目标区域材料发生氧化变质反应，生成疏松氧化层，随后可用铣刀快速去除。由于生成的氧化层结构疏松多孔，相对于基体材料而言其硬度低、极易去除，可以大大提高材料的切削加工性能。与激光加热辅助加工相比，该工艺所需激光功率较小，热影响区也较小，对已加工表面影响较小；同时，由于材料改性一直存在，不需要刀具与激光光斑处于相近的位置，切削区温度处于常温，避免刀具过热，因此可以使用性能更好的金刚石刀具。由于切削区材料已经变成了疏松多孔易去除的氧化变质层，切削力极小，刀具磨损情况大大改善，该工艺可以有效的应用于硬质合金，复合材料，高硬陶瓷等难加工材料的铣削加工中。

针对不同的加工情况，现有技术中的激光诱导氧化辅助铣削装置在使用时，难以保证激光束焦点位置和辅助气体喷射位置的准确性，影响加工精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，该装置一方面能够实现激光器与机床主轴的连接，能够精密调节距离和角度，实现精准对焦功能，另一方面实现辅助送气装置与激光器的随动，保证氧气喷射方向与激光束方向相同。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，包括：

第一直线位移机构，所述第一直线位移机构包括第一支座和第一滑块，所述第一滑块在所述第一支座上沿竖直方向滑动，所述第一支座用于固定安装在机床主轴上；

角度微调装置，所述角度微调装置包括固定件和转动件，所述转动件转动安装于所述固定件上，所述固定件固定于所述第一滑块上；

第二直线位移机构，所述第二直线位移机构包括第二支座和第二滑块，所述第二滑块沿所述第二支座的长度方向滑动，所述第二支座固定于所述转动件上；

激光诱导氧化装置，所述激光诱导氧化装置固定于所述第二滑块上。

优选地，还包括连接装置，机床主轴与所述第一支座分别固定连接于所述连接装置的两端。

优选地，所述连接装置包括连接件、连接杆和连接块，所述连接件与所述连接块分别固定于所述连接杆的两端，所述连接件为抱箍，所述连接件用于固定在机床主轴上，所述连接块与所述第一支座固定相连。

优选地，所述角度微调装置包括所述转动件、调节旋钮、连杆、悬垂块、连接销轴和所述固定件，所述转动件与所述固定件通过所述连接销轴转动相连，所述固定件上设有第一凸起，所述转动件上设有弧形槽，所述弧形槽的圆心为所述连接销轴所在位置，所述第一凸起在所述弧形槽内滑动，所述调节旋钮固定于所述连杆的一端，所述悬垂块套设于所述连杆的另一端，所述悬垂块在所述连杆的轴向限位，所述连杆与所述固定件螺纹连接，所述悬垂块上设有开口朝下的凹槽，所述转动件上设有第二凸起，所述第二凸起在所述凹槽内滑动，所述连接销轴、所述第一凸起和所述第二凸起由下至上依次分布。

优选地，所述固定件上设有角度尺，所述角度尺以所述连接销轴所在位置为圆心。

优选地，所述第一支座包括第一导轨、第一滑块，第一滚珠丝杠和第一调节手柄，所述第一滚珠丝杠转动安装于所述第一导轨上，所述第一滑块与所述第一滚珠丝杠螺纹连接，所述第一滑块滑动安装于所述第一导轨上，所述第一调节手柄固定于所述第一滚珠丝杠的一端。

优选地，所述第二支座包括第二导轨、第二滑块，第二滚珠丝杠和第二调节手柄，所述第二滚珠丝杠转动安装于所述第二导轨上，所述第二滑块与所述第二滚珠丝杠螺纹连接，所述第二滑块滑动安装于所述第二导轨上，所述第二调节手柄固定于所述第二滚珠丝杠的一端。

优选地，所述激光诱导氧化装置的后端用于通过光纤与激光器连接以及通过通气软管与氧气气源连接，所述激光诱导氧化装置内由后至前依次设置有扩束镜、DOE衍射光学元件、聚焦透镜和激光出射口，所述激光诱导氧化装置内还设有氧气通道，氧气从所述氧气通道流出后从所述激光出射口喷出。

优选地，所述激光器为纳秒脉冲光纤激光器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明能够实现激光诱导氧化装置的位置及角度调整，保证激光束焦点位置能够辐照在工件所需加工位置，实现光斑与机床主轴同步运行；同时该装置包含辅助气体送气功能，能够将辅助气体喷口随激光器移动，随光束喷射到目标区域。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置的结构示意图；

图2为本实施例用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置的爆炸图；

图3为角度微调装置的爆炸图；

图4为激光诱导氧化装置的内部结构示意图；

附图标记说明：1-机床主轴；2-连接装置；3-第一直线位移机构；4-角度微调装置；5-第二直线位移机构；6-激光诱导氧化装置；7-加工平台；8-激光器；9-氧气气源；11-刀柄；12-铣刀；21-连接件；22-连接杆；23-连接块；31-第一导轨；32-第一滑块；33-第一滚珠丝杠；34-第一调节手柄；41-转动件；42-调节旋钮；43-连杆；44-固定件；51-第二导轨；52-第二滑块；53-第二滚珠丝杠；54-第二调节手柄；61-扩束镜；62-DOE衍射光学元件；63-聚焦透镜；64-氧气通道；81-光纤；91-通气软管。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，该装置一方面能够实现激光器与机床主轴的连接，能够精密调节距离和角度，实现精准对焦功能，另一方面实现辅助送气装置与激光器的随动，保证氧气喷射方向与激光束方向相同。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-4所示，本实施例提供一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，包括第一直线位移机构3、角度微调装置4、第二直线位移机构5和激光诱导氧化装置6。

其中，第一直线位移机构3包括第一支座和第一滑块32，第一滑块32在第一支座上沿竖直方向滑动，第一支座用于固定安装在机床主轴1上。当机床主轴1运动时，第一支座与机床主轴1同步运动。角度微调装置4包括固定件44和转动件41，转动件41转动安装于固定件44上，固定件44固定于第一滑块32上。通过调整第一滑块32的竖直位置，可改变角度微调装置4的高度。第二直线位移机构5包括第二支座和第二滑块52，第二滑块52沿第二支座的长度方向滑动，第二支座固定于转动件41上，激光诱导氧化装置6固定于第二滑块52上。通过调整第二滑块52在第二支座上的位置，可改变角度微调装置4与加工平台7的距离。

本实施例的调节装置在使用时，整个调节装置随主轴同步运动，保证激光诱导氧化装置6射出激光束的焦点位置能够聚焦在所需位置，同时保证辅助气体能够随主轴移动，喷射到目标区域。通过设置第一直线位移机构3、角度微调装置4、第二直线位移机构5，能够精密调节距离和角度，实现精准对焦功能。

第一支座与机床主轴1可以直接固定相连，也可以通过中间结构间接相连。本实施例中还包括连接装置2，机床主轴1与第一支座分别固定连接于连接装置2的两端。具体的，连接装置2包括连接件21、连接杆22和连接块23，连接件21与连接块23分别固定于连接杆22的两端，连接件21为抱箍，连接件21用于固定在机床主轴1上，连接块23与第一支座固定相连。

现有技术中，角度微调装置4有多种类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。本实施例中，角度微调装置4包括转动件41、调节旋钮42、连杆43、悬垂块、连接销轴和固定件44。转动件41与固定件44通过连接销轴转动相连，使转动件41能够以连接销轴为中心相对于固定件44旋转。固定件44上设有第一凸起，转动件41上设有弧形槽，弧形槽的圆心为连接销轴所在位置，第一凸起在弧形槽内滑动，通过第一凸起和弧形槽的配合限制转动件41的旋转角度范围。调节旋钮42固定于连杆43的一端，悬垂块套设于连杆43的另一端，悬垂块套与连杆43之间具有间隙，悬垂块在连杆43的轴向限位，连杆43与固定件44螺纹连接，悬垂块上设有开口朝下的凹槽，转动件41上设有第二凸起，第二凸起在凹槽内滑动，连接销轴、第一凸起和第二凸起由下至上依次分布。需要说明的是，凹槽的槽底高度不应低于第二凸起运动时的高点。

当转动调节旋钮42时，由于连杆43与固定件44螺纹连接，连杆43在旋转时将沿其轴向平移。此时，悬垂块只随连杆43平动而不随连杆43转动，悬垂块上的凹槽始终向下。当凹槽运动时，带动第二凸起运动，从而使转动件41做摆动动作。

为了提高角度调整精度，本实施例中固定件44上设有角度尺，角度尺以连接销轴所在位置为圆心，便于操作人员观察角度调整情况。

现有技术中的直线位移机构有多种，对应有多种支座结构。本实施例中，第一直线位移机构3和第二直线位移机构5均为滚珠丝杠导轨。第一支座包括第一导轨31、第一滑块32，第一滚珠丝杠33和第一调节手柄34，第一滚珠丝杠33转动安装于第一导轨31上，第一滑块32与第一滚珠丝杠33螺纹连接，第一滑块32滑动安装于第一导轨31上，第一调节手柄34固定于第一滚珠丝杠33的一端。第二支座包括第二导轨51、第二滑块52，第二滚珠丝杠53和第二调节手柄54，第二滚珠丝杠53转动安装于第二导轨51上，第二滑块52与第二滚珠丝杠53螺纹连接，第二滑块52滑动安装于第二导轨51上，第二调节手柄54固定于第二滚珠丝杠53的一端。

通过转动第一调节手柄34与第二调节手柄54，可对应调节第一滑块32在第一导轨31上的位置以及第二滑块52在第二导轨51上的位置，操作简单方便。

进一步的，本实施例中，激光诱导氧化装置6的后端用于通过光纤81与激光器8连接以及通过通气软管91与氧气气源9连接，激光诱导氧化装置6内由后至前依次设置有扩束镜61、DOE衍射光学元件62、聚焦透镜63和激光出射口。激光诱导氧化装置6内还设有氧气通道64，氧气从氧气通道64流出后从激光出射口喷出。激光器8发射的激光束通过光纤81传导到扩束镜61中，经扩束镜61扩束准直后，再经过DOE衍射光学元件62改变光束形状及光束质量，通过聚焦透镜63聚焦到加工平台7上的工件表面。本实施例中，激光器8优选为纳秒脉冲光纤激光器，本领域技术人员也可根据需要选择其它类型的激光器。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，包括：

第一直线位移机构，所述第一直线位移机构包括第一支座和第一滑块，所述第一滑块在所述第一支座上沿竖直方向滑动，所述第一支座用于固定安装在机床主轴上；

角度微调装置，所述角度微调装置包括固定件和转动件，所述转动件转动安装于所述固定件上，所述固定件固定于所述第一滑块上；

第二直线位移机构，所述第二直线位移机构包括第二支座和第二滑块，所述第二滑块沿所述第二支座的长度方向滑动，所述第二支座固定于所述转动件上；

激光诱导氧化装置，所述激光诱导氧化装置固定于所述第二滑块上。

2.根据权利要求1所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，还包括连接装置，机床主轴与所述第一支座分别固定连接于所述连接装置的两端。

3.根据权利要求2所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，所述连接装置包括连接件、连接杆和连接块，所述连接件与所述连接块分别固定于所述连接杆的两端，所述连接件为抱箍，所述连接件用于固定在机床主轴上，所述连接块与所述第一支座固定相连。

4.根据权利要求1所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，所述角度微调装置包括所述转动件、调节旋钮、连杆、悬垂块、连接销轴和所述固定件，所述转动件与所述固定件通过所述连接销轴转动相连，所述固定件上设有第一凸起，所述转动件上设有弧形槽，所述弧形槽的圆心为所述连接销轴所在位置，所述第一凸起在所述弧形槽内滑动，所述调节旋钮固定于所述连杆的一端，所述悬垂块套设于所述连杆的另一端，所述悬垂块在所述连杆的轴向限位，所述连杆与所述固定件螺纹连接，所述悬垂块上设有开口朝下的凹槽，所述转动件上设有第二凸起，所述第二凸起在所述凹槽内滑动，所述连接销轴、所述第一凸起和所述第二凸起由下至上依次分布。

5.根据权利要求4所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，所述固定件上设有角度尺，所述角度尺以所述连接销轴所在位置为圆心。

6.根据权利要求1所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，所述第一支座包括第一导轨、第一滑块，第一滚珠丝杠和第一调节手柄，所述第一滚珠丝杠转动安装于所述第一导轨上，所述第一滑块与所述第一滚珠丝杠螺纹连接，所述第一滑块滑动安装于所述第一导轨上，所述第一调节手柄固定于所述第一滚珠丝杠的一端。

7.根据权利要求1所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，所述第二支座包括第二导轨、第二滑块，第二滚珠丝杠和第二调节手柄，所述第二滚珠丝杠转动安装于所述第二导轨上，所述第二滑块与所述第二滚珠丝杠螺纹连接，所述第二滑块滑动安装于所述第二导轨上，所述第二调节手柄固定于所述第二滚珠丝杠的一端。

8.根据权利要求1所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，所述激光诱导氧化装置的后端用于通过光纤与激光器连接以及通过通气软管与氧气气源连接，所述激光诱导氧化装置内由后至前依次设置有扩束镜、DOE衍射光学元件、聚焦透镜和激光出射口，所述激光诱导氧化装置内还设有氧气通道，氧气从所述氧气通道流出后从所述激光出射口喷出。

9.根据权利要求8所述的用于激光诱导氧化和铣削同步复合加工的调节装置，其特征在于，所述激光器为纳秒脉冲光纤激光器。

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