一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法技术

本发明专利技术针对难加工材料加工困难的问题，公开了一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法，属于机械加工领域。本发明专利技术是利用激光同步加热的作用，在降低砂轮前方材料的强度、硬度或断裂韧性的同时，减小超声磨削难加工材料的磨削力、刀具磨损和亚表面损伤，并在一定程度上提高表面加工质量和加工效率。该方法利用了实际温度场、磨削力和表面粗糙度的实测数据，针对多能场加工提供了一套系统的、行之有效的确定工艺参数的方案，解决了过多的参数对实际加工造成的困难。本发明专利技术为加工难加工材料提出了一种新颖的方法，并可为多能场辅助加工的研究提供参考。加工的研究提供参考。加工的研究提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法


[0001]本专利技术属于机械加工领域，涉及一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法。

技术介绍

[0002]难加工材料普遍具有硬度高、机械强度高、抗氧化能力强的特点，例如包括高性能合金(钨合金、钛合金等)、硬脆材料(微晶玻璃、碳化硅、氮化铝等)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)在内的难加工材料已经被广泛地应用在航空航天、军事、能源等需耐高温和强热稳定性的领域。但是该类材料的硬度较大，在使用常规手段进行加工时存在着材料去除效率较低且易导致刀具磨损等问题。不仅如此，由于其同样具有脆性大的特点，在加工过后的材料表面、亚表面会出现裂纹、崩边、材料成块脱落等不利于提升加工质量和保证使役性能等缺陷。
[0003]解决难加工材料加工困难问题的有效方法是在传统车削、铣削或磨削等常规加工手段的基础上，添加额外的能场来达到改善材料去除的加工环境、降低材料硬度强度或预先去除部分材料进而减小后续加工难度的效果。例如，有学者提出将超声振动施加于刀具之上(详见中国专利CN208556901U和CN 201810864416.6)，使刀具做超声频的微小振动，超声振动使零件表面材料被锤击成微粒并改变刀具在材料表面的轨迹，进而利于减小材料的表面和亚表面损伤。再如，在刀具去除材料之前添加辅助热场来提高难加工材料的可加工性，常用的热场可为激光束(详见中国专利CN 205816815 U和CN 107363552 A)，激光束可在瞬间软化材料、使材料发生氧化或预置裂纹，材料硬度和强度的降低有利于减小切削力和刀具磨损。
[0004]为实现难加工材料的精密、超精密加工目标，有学者研发了激光辅助切削或磨削难加工材料的装置(如中国专利CN 110899981 A、CN 109604832 A和CN 109454325 A)。以上专利提供的装置和方法虽然利于减小刀具磨损等，但是并未实现难加工材料表面和亚表面损伤的有效降低。且外加能场之后的加工工艺参数繁多，例如能场的强度、加工滞后距离、进给速度、主轴转速和切削深度等，较多的可变参数会对选择较优的工艺造成困扰。
[0005]综上，现有专利技术技术可以在有效降低难加工材料表面和亚表面的加工损伤的同时，进一步减小刀具切削力和磨损，并保证加工质量和加工效率的加工方法较少。同时，针对同步的多能场辅助加工的实验或研究方法偏少，且缺少行之有效的优选并确定繁多工艺参数的方法。

技术实现思路

[0006]为解决以上所述难加工材料加工和多能场辅助加工方法的不足，本专利技术提供了一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法，该方法利用激光同步加热作用，提前预热并软化难加工材料，降低砂轮前方材料的强度、硬度或断裂韧性，为减小超声磨削难加工材料的磨削力、刀具磨损和亚表面损伤提供保障，并在一定程度上提高表面加工质量和加
工效率。该方法充分考虑了工艺参数较多的情况，提供了一套较为系统的优化选择工艺参数的方法，为多能场辅助加工的研究提供参考。
[0007]针对上述目的，本专利技术采用下述技术方案实现：
[0008]一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法，在进行超声端面磨削加工前，利用激光同步加热导致的改性作用，提前预热并降低砂轮前方难加工材料的强度、硬度或断裂韧性，此过程包括试验加工阶段和实际加工阶段。其中的试验加工阶段，记录磨削材料表面中心点温度随时间变化的数据进而通过设置的激光参数和超声端面磨削参数计算激光束聚焦中心点和磨削砂轮前沿之间的滞后距离，对滞后于激光束辐照的超声端面磨削工艺条件进行优化，随后将优化后的数据应用到实际加工阶段中。
[0009]实现激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法所需装置包括磨削机床、超声刀柄、磨削砂轮、激光头夹持单元、激光头、激光器、测力仪、非接触测温装置、磨削机床工作台、难加工材料样件。其中，将磨削机床、超声刀柄和磨削砂轮组合为超声辅助端面磨削装置，将磨削机床和激光头通过激光头夹持单元连接在一起，其中激光头可通过激光头夹持单元更改空间位置和姿态，使磨削机床的运动轴可以带动激光头的移动，激光头通过光纤连接在激光器上，激光器的控制程序耦合进磨削机床的程序中。
[0010]优选地，所述的试验加工阶段包括如下步骤：
[0011]步骤一：完成激光同步辅助超声端磨设备的搭建和激光同步辅助超声端面磨削程序的耦合，具体地，将磨削机床、超声刀柄和磨削砂轮组合为超声辅助端面磨削装置，将磨削机床和激光头通过激光头夹持单元连接在一起，其中激光头可通过激光头夹持单元更改位置和姿态，使磨削机床运动轴可以带动激光头的移动，激光头通过光纤连接在激光器上，激光器的控制程序耦合进磨削机床的程序中。
[0012]步骤二：安装固定测试设备，所述测试设备包括非接触测温装置和测力仪，具体地，将测力仪固定于磨削机床工作台上，将所需磨削的难加工材料试验样件固定于测力仪上，并将非接触测温装置的测温区域对准所需磨削的试验样件表面。
[0013]步骤三：开始利用试验样件探索加工参数。根据加工需求和材料特性，选取超声辅助端面磨削进给速度v
进给
和辐照在难加工材料表面的激光参数，所述的激光参数包括激光功率P。
[0014]步骤四：调节激光头夹持单元使激光头输出的激光束聚焦于试验样件表面，并确保激光光斑中心与砂轮中心的连线与扫描方向平行，以激光功率P、扫描速度v
进给
条件下沿试验样件表面中心线单道扫描，并使用非接触测温装置记录试验样件表面中心点温度随时间变化的数据。
[0015]步骤五：根据上述难加工材料表面中心点温度随时间变化的数据，确定激光束扫到难加工材料表面中心点所对应的时间t
激光
、降温阶段砂轮材料软化温度T
砂轮
所对应的时间t
砂轮
、难加工材料软化温度T
材料
所对应的时间t
材料
。定义激光束聚焦中心点和磨削砂轮前沿之间的距离为滞后距离，则可利用l
极小
＝(t
砂轮
‑
t
激光
)
×
v
进给
计算滞后距离极小值，其中d
砂轮
为磨削砂轮的直径，利用l
极大
＝(t
材料
‑
t
激光
)
×
v
进给
‑
d
砂轮
计算滞后距离极大值，从l
极小
和l
极大
之间确定激光束聚焦点与磨削砂轮前沿之间的滞后距离l
滞后
。
[0016]步骤六：根据实际加工余量确定超声端面磨削切深a
p粗
，以便于进行粗加工。
[0017]步骤七：调节激光头夹持单元使得激光头输出的激光束聚焦点和磨削砂轮前沿之
间的距离为l
滞后
。根据测力仪的测力结果和激光同步辅助超声端面磨削后的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法，其特征在于：在进行超声端面磨削加工前，利用激光同步加热导致的改性作用，提前预热并降低砂轮前方难加工材料的强度、硬度或断裂韧性，此过程包括试验加工阶段和实际加工阶段，其中的试验加工阶段，记录磨削材料表面中心点温度随时间变化的数据进而通过设置的激光参数和超声端面磨削参数计算激光束聚焦中心点和磨削砂轮前沿之间的滞后距离，对滞后于激光束辐照的超声端面磨削工艺条件进行优化，随后将优化后的数据应用到实际加工阶段中。2.根据权利要求1所述的一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法，其特征在于：实现该方法所需装置包括磨削机床(1)、超声刀柄(2)、磨削砂轮(3)、激光头夹持单元(4)、激光头(5)、激光器(6)、测力仪(7)、非接触测温装置(8)、磨削机床工作台(9)、难加工材料样件(10)，其中，将磨削机床(1)、超声刀柄(2)和磨削砂轮(3)组合为超声辅助端面磨削装置，将磨削机床(1)和激光头(5)通过激光头夹持单元(4)连接在一起，其中激光头(5)通过激光头夹持单元(4)更改空间位置和姿态，使磨削机床(1)的运动轴带动激光头(5)的移动，激光头(5)通过光纤连接在激光器(6)上，激光器(6)的控制程序耦合进磨削机床(1)的程序中。3.根据权利要求1所述的一种激光同步辅助超声端面磨削难加工材料的方法，其特征在于：试验加工阶段包括如下步骤：步骤一：完成激光同步辅助超声端磨设备的搭建和激光同步辅助超声端面磨削程序的耦合；步骤二：安装固定测试设备，所述测试设备包括非接触测温装置(8)和测力仪(7)；步骤三：根据加工需求和材料特性，选取超声辅助端面磨削进给速度v
进给
和辐照在难加工材料表面的激光功率P；步骤四：调节激光头(5)输出的激光束聚焦于难加工材料表面，以激光功率P、扫描速度v
进给
条件下沿难加工材料表面中心线单道扫描，并使用非接触测温装置(8)记录难加工材料表面中心点温度随时间变化的数据；步骤五：根据上述难加工材料表面中心点温度随时间变化的数据，确定激光束扫到难加工材料表面中心点所对应的时间、降温阶段砂轮材料软化温度所对应的时间和难加工材料软化温度所对应的时间，基于上述数据和进给速度计算激光束聚焦中心点和磨削砂轮(3)前沿之间的滞后距离；步骤六：根据实际加工余量确定超声端面磨削切深a
p粗
，以便于进行粗加工；步骤七：根据测力仪(7)的测力结果和加工后的表面粗糙度为目标，对...

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