一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法技术

本发明专利技术提供一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法。本发明专利技术首先进行激光单道烧蚀实验确定激光参数；其次进行激光烧蚀织构实验确定粗/精加工织构的激光和超声辅助磨削参数；最后根据难加工材料的加工要求，选择合适的加工参数进行激光烧蚀表面织构

【技术实现步骤摘要】
一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法


[0001]本专利技术涉及多能场复合的特种加工领域，尤其涉及一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法。

技术介绍

[0002]难加工材料包括高性能合金、陶瓷材料以及复合材料等，具有机械强度高、耐高温、抗氧化性强、热稳定性能好、热导率大、耐磨损性能好、抗热震性能好等优良的力学性能和热性能，广泛地应用于微电子机械系统、航空航天、国防军工、核能等领域，尤其在应对高温，强辐射和强振动冲击等恶劣环境方面表现突出。但是，难加工材料的硬度一般较高，目前主要采用磨削方式加工，存在加工质量不稳定、材料去除率低、刀具磨损严重等问题。因此，需要多道工序和频繁地修整砂轮，导致加工效率低、成本高，进而限制了难加工材料在各自领域的推广和应用。
[0003]激光烧蚀表面织构技术是激光作用在材料表面，通过激光的高温作用，对材料表面进行烧蚀出特定的结构(详见中国专利CN113500298A和CN113461417A)，但是难以确保加工的表面质量。超声辅助磨削技术是在传统磨削中引入超声高频振动(详见中国专利CN108637801A)，实现对材料的断续切削，具有减少加工损伤、改善表面质量、提高材料性能等优点，但是在加工过程中依然存在砂轮磨损大和加工效率低等问题。
[0004]目前，亟需兼顾加工效率和表面质量的创新加工方法，本专利技术专利提出一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法。激光烧蚀表面织构主要实现高的加工效率，超声辅助磨削主要实现高的加工质量，两者高度结合，在保证加工质量的同时，可以进一步降低砂轮磨损，提高材料去除率和刀具寿命。作为一种新型高质高效低损伤的加工工艺，目前对于这种新工艺的研究较少，尚无系统地研究多加工参数对加工结果的映射关系以及满足复合加工要求的复合加工工艺。

技术实现思路

[0005]为解决以上所述难加工材料加工和复合加工方法的不足，本专利技术提供了一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，该方法首先利用激光烧蚀表面织构提前去除材料并且改变了材料可加工性，接着进行超声辅助磨削，能够有效提高加工效率和加工质量。该方法属于复合加工技术的高度结合，需充分考虑工艺参数较多的情况，提供了一套较为系统的选择工艺参数的方法，为难加工材料的复合加工技术研究提供了一种参考。本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：使用夹具将待加工工件安装在工作台上面，定位并夹紧；
[0008]步骤二：开启激光器，基于不同的激光参数进行激光单道烧蚀实验，对不同的激光参数烧蚀后的工件上的单道织构进行检测分析，得到激光参数变化对烧蚀结构的影响规律，针对不同的加工要求选择合适的激光加工参数；
[0009]步骤三：基于步骤二不同的激光加工参数进行的激光单道烧蚀实验数据，针对粗/精加工微织构超声辅助磨削，选择不同的激光加工参数进行正交实验，建立粗/精加工参数与磨削力、表面粗糙度的映射关系，根据评价指标采用优化方法选择合适的粗/精加工参数；
[0010]步骤四：根据工件的实际加工余量，设计粗加工和精加工工序，依次进行激光烧蚀表面织构
‑
超声辅助磨削粗/精加工；
[0011]步骤五：完成加工，将工件从工作台上卸掉。
[0012]进一步地，所述不同的激光加工参数包括激光功率P、光斑重叠率R
p
。
[0013]进一步地，该方法基于如下装置进行加工，具体包括控制系统，多轴控制器，工件，工作台，激光烧蚀织构单元和超声辅助磨削单元，激光烧蚀织构单元包括激光器、激光控制器、激光传输装置以及振镜模组，超声辅助磨削单元包括砂轮、超声刀柄、机床主轴以及超声电源，所述控制系统分别与激光控制器、振镜模组、多轴控制器、机床主轴相连，所述多轴控制器与工作台相连，所述工件放置在工作台上，所述机床主轴的底端通过超声刀柄与砂轮相连，所述机床主轴的输入端与超声电源相连，所述激光控制器与激光器相连，所述激光器的输出端通过激光传输装置与振镜模组相连，之后，其发射的激光传输至工件表面。
[0014]进一步地，所述激光器包括连续激光器、长脉冲激光器、短脉冲激光器和超短脉冲激光器；所述激光传输装置包括反射镜光路传输单元或光纤传输单元。
[0015]进一步地，根据加工质量和加工效率为评价标准，由合适的烧蚀深度H
a
、烧蚀宽度D
a
和残留高度H
r
选定包括激光功率P、光斑重叠率R
p
的激光参数。
[0016]进一步地，步骤三中，粗/精加工微织构超声辅助磨削及参数确定流程中，进行包括织构行间距d
d
、行重叠率R
d
、超声辅助磨削粗/精加工切深a
ph
/a
pl
、超声振幅A和粗/精加工进给速度v
uh
/v
ul
的多参数的正交实验，确定各参数对磨削力F、残留深度h
rh
和表面粗糙度S
a
的映射关系及权重指数，根据具体评价指标，确定合适的激光参数和超声辅助磨削参数。
[0017]进一步地，步骤四中，粗加工和精加工工序具体为：
[0018]根据确定的粗加工参数先进行激光烧蚀粗表面织构，移动工作台至超声辅助磨削单元，进行超声辅助磨削粗加工；所述确定的粗加工参数包括粗加工进给速度v
uhc
、粗加工切深a
phc
和粗加工振幅A
hc
；
[0019]在粗加工后，根据确定的精加工参数，进行激光烧蚀粗表面织构，移动工作台至超声辅助磨削单元，进行超声辅助磨削精加工；所述确定的精加工参数精加工进给速度v
ulc
、精加工切深a
plc
和精加工振幅A
lc
。
[0020]进一步地，步骤四中，粗加工和精加工工序过程中，砂轮与表面织构的夹角α范围为0
°
～90
°
，根据粗加工的加工效率和精加工的加工质量确定合适的夹角。
[0021]进一步地，所述待加工工件的材料为难加工材料，高性能合金材料(钛合金、钨合金等)、陶瓷材料(碳化硅陶瓷、氮化铝陶瓷等)以及复合材料(颗粒增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等)等。
[0022]进一步地，激光表面织构的形状，包括圆形、椭圆形、多边形(三角形、菱形)、V字形。
[0023]本专利技术具有以下优点：
[0024]1、本专利技术提供了一种新颖的加工难加工材料的方法，利用激光烧蚀表面织构先去
除一部分材料，同时激光作用改变了材料的可加工性(降低了硬度和断裂韧性)，当进行超声磨削时可以降低磨削力、刀具磨损、亚表面损伤并提高加工质量，另外表面织构和超声辅助磨削均可以在一定程度增加加工深度；
[0025]2、本专利技术实现了激光烧蚀表面织构和超声辅助磨削的复合加工控制，根据实际加工余量要求，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：使用夹具将待加工工件安装在工作台上面，定位并夹紧；步骤二：开启激光器，基于不同的激光参数进行激光单道烧蚀实验，对不同的激光参数烧蚀后的工件上的单道织构进行检测分析，得到激光参数变化对烧蚀结构的影响规律，针对不同的加工要求选择合适的激光加工参数；步骤三：基于步骤二不同的激光加工参数进行的激光单道烧蚀实验数据，针对粗/精加工微织构超声辅助磨削，选择不同的激光加工参数进行正交实验，建立粗/精加工参数与磨削力、表面粗糙度的映射关系，根据评价指标采用优化方法选择合适的粗/精加工参数；步骤四：根据工件的实际加工余量，设计粗加工和精加工工序，依次进行激光烧蚀表面织构
‑
超声辅助磨削粗/精加工；步骤五：完成加工，将工件从工作台上卸掉。2.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，所述不同的激光加工参数包括激光功率P、光斑重叠率R
p
。3.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，该方法基于如下装置进行加工，具体包括控制系统，多轴控制器，工件，工作台，激光烧蚀织构单元和超声辅助磨削单元，激光烧蚀织构单元包括激光器、激光控制器、激光传输装置以及振镜模组，超声辅助磨削单元包括砂轮、超声刀柄、机床主轴以及超声电源，所述控制系统分别与激光控制器、振镜模组、多轴控制器、机床主轴相连，所述多轴控制器与工作台相连，所述工件放置在工作台上，所述机床主轴的底端通过超声刀柄与砂轮相连，所述机床主轴的输入端与超声电源相连，所述激光控制器与激光器相连，所述激光器的输出端通过激光传输装置与振镜模组相连，之后，其发射的激光传输至工件表面。4.根据权利要求3所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，所述激光器包括连续激光器、长脉冲激光器、短脉冲激光器和超短脉冲激光器；所述激光传输装置包括反射镜光路传输单元或光纤传输单元。5.根据权利要求1所述的激光烧蚀表面织构化辅助超声磨削方法，其特征在于，根据加工质量和加工效率为评价标准，由合适的烧蚀深度H
a
、烧蚀宽度D
a
和残留高度H
r
...

【专利技术属性】
技术研发人员：董志刚，牛方勇，杨峰，康仁科，孙文超，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：