本发明专利技术激光加工设备技术领域，具体为一种超声辅助激光的表面改性装置，解决了背景技术中的技术问题，其包括超声振动切削装置和激光加热装置，超声振动切削装置中包括同轴相连的变幅杆和刀座，还包括超声发生器、非接触电信号传输器、加工刀具和用于连接机床主轴的安装刀柄；激光加热装置包括激光发生器、导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜。本发明专利技术可以实现切削加工过程中工件被加工表面的实时激光加热，在降低难加工材料切削加工性的同时，提高了加工效率；上环形导光镜的周向旋转可以实现激光的周向分光，下环形导光镜的轴向往复振动可以实现激光的轴向分光，从而实现对激光加热轨迹的控制，并且有效降低了工件被加工表面局部过热现象的出现。热现象的出现。热现象的出现。
【技术实现步骤摘要】
一种超声辅助激光的表面改性装置
[0001]本专利技术属于激光加工设备
，具体为一种超声辅助激光的表面改性装置。
技术介绍
[0002]激光表面改性技术是将高能量高密度的激光作用于工件表面，使工件表面材料经历快速的升温和降温，从而改变工件表面材料物理、化学和力学性能的过程。激光具有方向性强，波长稳定，相位一定以及功率密度高的特点。合理的激光可以在工件表面产生热效应、光化学效应、压强作用和电磁场效应，产生细小晶粒且包含多种介稳相和金属间化合物的表面强化层，从而提高工件的耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳等一系列性能，增加工件的服役寿命。而且，激光表面改性技术只会作用于工件一定深度的表面层，不会影响工件内部材料的组织结构，可以实现降低加工成本同时获得高性能加工表面的目的。
[0003]但是现有的激光表面改性技术仍然存在需要改进的地方。由于激光的方向性极强，在传统线性进给的作用下，激光在工件表面的加工并不均匀，因此会导致工件表面出现硬化不均匀或回火现象。此外，不均匀的激光加工会影响工件表面粗糙度。
技术实现思路
[0004]本专利技术旨在解决现有的激光表面改性技术中，由于激光的方向性极强，在传统线性进给的作用下，激光在工件表面的加工并不均匀，因此会导致工件表面出现硬化不均匀或回火现象的技术问题，提供了一种超声辅助激光的表面改性装置，在保证激光加工优势的基础上，提高工件表面的硬化程度，促进工件表面激光加工的均匀性，降低工件表面粗糙度，最终提高工件的服役寿命。
[0005]本专利技术解决其技术问题采用的技术手段是：一种超声辅助激光的表面改性装置，包括超声振动切削装置和激光加热装置，超声振动切削装置中包括同轴相连的变幅杆和刀座；激光加热装置包括激光发生器、导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜，上环形导光镜与刀座上部固定连接，下环形导光镜与刀座下部通过第一球轴承相连接；导光罩与变幅杆同轴，导光罩的上部与变幅杆之间通过第二球轴承相连接，导光罩的下部通过至少一个支撑连接结构与下环形导光镜固连；上环形导光镜的外侧沿周向设置有使激光束实现周向分光的旋转分光镜组，下环形导光镜朝前的外侧面上由上而下设置有使激光束实现轴向分光的数层外偏光镜组，与下环形导光镜前侧相对应的导光罩内侧壁上设置有与外偏光镜组径向相对且轴向交错的数层内偏光镜组；激光发生器连接有激光传输管道，激光传输管道穿置并固定在导光罩上，导光罩内侧的位于激光传输管道正上方的位置处设置有用于观察激光束是否照射在旋转分光镜组上的高清探头，从激光传输管道输出的激光束首先照射在旋转分光镜组上，然后依次被反射至内偏光镜组和外偏光镜组上，最后经过内偏光镜组和外偏光镜组多次反射后从导光罩下部开口的前侧射出形成激光加工区域；上环形导光镜随刀座旋转时，激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变。
[0006]当超声振动切削装置启动工作时，变幅杆将放大后的机械振动传递给刀座进而带
动超声振动切削装置的刀具在加工过程中轴向振动，导光罩上端通过第一球轴承与变幅杆相连，导光罩下端通过至少一个支撑连接结构与下环形导光镜相连，能够使导光罩连接结构稳定。当变幅杆转动时，导光罩不发生转动，下环形导光镜通过第二球轴承与刀座下部相连后，故下环形导光镜只进行轴向振动，上环形导光镜与刀座上部固定连接，则上环形导光镜会随刀座一同进行绕轴转动。激光发生器通过激光传输管道将激光传输至导光罩内部，激光首先打在上环形导光镜上，上环形导光镜的旋转分光镜组在旋转过程中对激光束进行周向分光，而且分光镜的镜面朝下倾斜因此会反射在内偏光镜组上，内偏光镜组再将激光反射至下环形导光镜的外偏光镜组上，外偏光镜组随下环形导光镜轴向振动可实现激光的轴向分光，故最后从导光罩下部射出的激光面具有一定的长度和宽度，形成激光加工区域。激光束的周向分光确定了激光加工区域的长度，激光束的轴向分光确定了激光加工区域的宽度。上环形导光镜随刀座旋转时，激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变是为了保证旋转分光镜组的周向分光到达内偏光镜组中的位置保持不变，确保激光加工区域长度不变。导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜均可以进行成套更换，每套导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜中的分光镜和偏光镜数量不同，根据工件材料和结构对激光加热频率、范围的要求，可以选择合适的配套导光罩、上环形导光镜和下环形导光镜进行超声辅助表面改性加工。激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变，即所述上环形导光镜在加工过程中随刀座旋转的同时，激光束照射到旋转分光镜组中分光镜的位置与激光传输管道出口的距离恒定不变。
[0007]本专利技术所述的超声辅助激光的表面改性装置可以同时对工件被加工表面进行超声振动辅助切削和激光加热。所述装置通过调节激光束强度并根据装置的运动方向可以实现两种加工模式，一是装置向着内外偏光镜组的方向运动，通过调节激光束强度可以实现先激光加热软化工件材料，后超声振动辅助切削工件材料，在提高材料去除率、减少刀具磨损的同时提高加工效率；二是装置向背离内外偏光镜组的方向运动，通过调节激光束强度可以实现先超声振动辅助切削工件材料，后激光加热强化材料组织结构，从而达到工件材料的复合强化效果。
[0008]优选的，上环形导光镜包括同轴设置的第一环形筒和第二环形筒，第一环形筒与刀座上部固定连接，旋转分光镜组通过多根第一支撑杆固定在第二环形筒的外壁上，第一环形筒和第二环形筒之间连接有用于调整旋转分光镜组相对位置的多个第一微型液压支柱，第一微型液压支柱绕第一环形筒的周向均匀分布。旋转分光镜组通过多根第一支撑杆固定在第二环形筒上，故旋转分光镜组与第二环形筒相对静止，调整第一微型液压支柱使得第一环形筒和第二环形筒的相对位置发生改变，进而调整旋转分光镜组的相对位置使激光束的出射点与旋转分光镜组上的入射点之间的距离保持不变，激光束的出射点位于激光传输管道的输出端口处。
[0009]优选的，旋转分光镜组包括多块分光镜，多块分光镜沿刀座周向均匀分布且拼接成倒置的正多棱台，每块分光镜的镜面均向正下方倾斜。镜面均向正下方倾斜是为了保证光被向下反射，分光镜的结构相同，尺寸相等，设置成正多棱台是为了激光束被每一块分光镜的周向分光长度均相等，保证激光加工效果的稳定性。
[0010]优选的，每层外偏光镜组均包括数个外偏光镜，所有外偏光镜均朝下倾斜，相邻外偏光镜之间相接，每层外偏光镜组沿下环形导光镜周向的长度保证能接收所有的反射光；
每层内偏光镜组包括数个内偏光镜，所有内偏光镜均朝下倾斜，相邻内偏光镜之间相接，每层内偏光镜组沿导光罩周向的长度保证能接收所有的反射光。限定每层内偏光镜组和每层外偏光镜组沿导光罩周向的长度是为了能够有效利用全部的激光，使激光加工区域最大化。
[0011]优选的，每个外偏光镜与下环形导光镜外壁之间均连接第二支撑杆和用于调整外偏光镜镜面方向的第二微型液压柱，第二支撑杆与外偏光镜相铰接；每个内偏光镜与导光罩内壁之间均连接有第三支撑杆和用于调整内偏光镜镜面方向的第三微型液压柱，第三支撑杆与内偏光镜相铰接。通过调整第二微型液压柱或本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，包括超声振动切削装置和激光加热装置，超声振动切削装置中包括同轴相连的变幅杆（1）和刀座（2）；激光加热装置包括激光发生器（3）、导光罩（4）、上环形导光镜（5）和下环形导光镜（6），上环形导光镜（5）与刀座（2）上部固定连接，下环形导光镜（6）与刀座（2）下部通过第一球轴承（7）相连接；导光罩（4）与变幅杆（1）同轴，导光罩（4）的上部与变幅杆（1）之间通过第二球轴承（8）相连接，导光罩（4）的下部通过至少一个支撑连接结构（10）与下环形导光镜（6）固连；上环形导光镜（5）的外侧沿周向设置有使激光束（16）实现周向分光的旋转分光镜组（11），下环形导光镜（6）朝前的外侧面上由上而下设置有使激光束（16）实现轴向分光的数层外偏光镜组（12），与下环形导光镜（6）前侧相对应的导光罩（4）内侧壁上设置有与外偏光镜组（12）径向相对且轴向交错的数层内偏光镜组（13）；激光发生器（3）连接有激光传输管道（14），激光传输管道（14）穿置并固定在导光罩（4）上，导光罩（4）内侧的位于激光传输管道（14）正上方的位置处设置有用于观察激光束（16）是否照射在旋转分光镜组（11）上的高清探头（15），从激光传输管道（14）输出的激光束（16）首先照射在旋转分光镜组（11）上，然后依次被反射至内偏光镜组（13）和外偏光镜组（12）上，最后经过内偏光镜组（13）和外偏光镜组（12）多次反射后从导光罩（4）下部开口的前侧射出形成激光加工区域；上环形导光镜（5）随刀座（2）旋转时，激光束（16）的出射点与旋转分光镜组（11）上的入射点之间的距离保持不变。2.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，上环形导光镜（5）包括同轴设置的第一环形筒（17）和第二环形筒（18），第一环形筒（17）与刀座（2）上部固定连接，旋转分光镜组（11）通过多根第一支撑杆（19）固定在第二环形筒（18）的外壁上，第一环形筒（17）和第二环形筒（18）之间连接有用于调整旋转分光镜组（11）相对位置的多个第一微型液压支柱（20），第一微型液压支柱（20）绕第一环形筒（17）的周向均匀分布。3.根据权利要求2所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，旋转分光镜组（11）包括多块分光镜，多块分光镜沿刀座（2）周向均匀分布且拼接成倒置的正多棱台，每块分光镜的镜面均向正下方倾斜。4.根据权利要求2所述的一种超声辅助激光的表面改性装置，其特征在于，每层外偏光镜组（12）均包括数个外偏光镜，所有外偏光镜均朝下倾斜，相邻外偏光镜之间相接，每层外偏光镜组（12）沿下环形导光镜（6）周向的长度保证能接收所有的反射光；每层内偏光镜组（13）包括数个内偏光镜，所有内偏光镜均朝下倾斜，相邻内偏光镜之间相接，每层内偏光镜组（13）沿导光罩（4）周向的长度保证能接收所有的反射光。5.根据权利要求4所述的一种超声...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵建，崔隽，梁国星，黄永贵，刘东刚，李光，郝新辉，杨世清，贾文婷，张喆，王圣芳，张朵朵，张雅茹，张宇航，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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