[发明专利]一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法

说明书

本发明公开了一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法，采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行作用时间控制，控制后的激光再通过快刀伺服装置及快刀伺服装置所夹持的单晶金刚石刀具对硬脆材料自由曲面零件进行原位辅助加工。通过激光续断器控制后的激光作用频率与快刀伺服装置的加工频率同步,能够使激光能量通过单晶金刚石刀具直接有效地对快刀伺服加工硬脆材料的内部进行原位加热辅助作用,有效增大快刀伺服加工硬脆材料作用区域的脆塑转变临界切削厚度数值，显著提高切削用量,提高硬脆材料自由曲面零件的加工效率和加工质量。

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法。

背景技术

目前，采用单晶金刚石刀具进行的超精密快刀伺服加工主要应用于光学自由曲面车削、微结构表面创成等领域，但在加工硬脆材料自由曲面零件时，控制算法复杂、不能有效实现任意加工位置处的塑性域去除，导致加工质量和加工效率不佳。虽然激光辅助加工方法可以大大加热、软化被加工硬脆材料的切削区域，增大作用区域的脆塑转变临界切削厚度数值，但是常采用的离位激光辅助加工时激光远离刀具，激光能量易受到切削液和流出切屑的干扰影响，无法有效到达材料内部，直接影响了加工质量的提高；而透过金刚石刀具的激光原位辅助加工方法多采用连续激光辅助连续切削作用，无法进行硬脆材料自由曲面的快刀伺服断续辅助加工，不利于硬脆材料自由曲面加工质量的提高。本发明提出的基于激光原位辅助的快刀伺服加工方法，采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行断续作用的时间控制，能够配合快刀伺服装置及单晶金刚石刀具的作用频率对硬脆材料自由曲面进行高质量、高效加工。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法。

本发明通过以下方案实现：

采用激光续断器对快刀伺服加工中同轴原位辅助的连续激光进行作用时间控制，控制后的激光再通过快刀伺服装置及快刀伺服装置所夹持的单晶金刚石刀具对硬脆材料自由曲面零件进行原位辅助加工。通过激光续断器控制后的激光作用频率与快刀伺服装置的加工频率同步,能够使激光能量通过单晶金刚石刀具直接有效地对快刀伺服加工硬脆材料的内部进行原位加热辅助作用。

进一步地，所述激光续断器采用压电陶瓷、音圈电机等高频驱动装置，能够对同轴原位辅助的连续激光进行直线往复移动式或回转运动的周期性阻断装置；所述高频驱动装置的周期运动频率应当不小于快刀伺服装置的周期驱动频率；激光续断器的运动方向与快刀伺服加工的运动方向可垂直、平行，运动过程中不发生干涉；激光续断器设置在激光到达单晶金刚石刀具之前的位置处，并与快刀伺服装置在结构上能够有效兼容。

进一步地，所述的单晶金刚石刀具可以换成对不同波段激光有透射效应的材料制成的刀具，但应当与所采用的原位辅助激光的特性相匹配，能够让大部分的激光能量从刀具中有效输出并被被加工硬脆材料的作用区域吸收。

进一步地，具体包括如下步骤：

S1、根据被加工零件的材料类型、自由曲面特征和加工要求选择单晶金刚石刀具、连续激光工艺参数；保证同轴原位辅助的连续激光能准确通过单晶金刚石刀具在前方的特定位置处进行准确聚焦；

S2、在超精密机床的主轴夹具上装夹被加工零件，根据加工要求规划单晶金刚石刀具的加工路径，并设置激光续断器的周期性阻断频率；

S3、经过超精密机床的对刀操作后，设定快刀伺服加工时单晶金刚石刀具的初始位置；

S4、启动超精密机床快刀伺服的加工程序，并同步开启激光器和激光续断器，主轴带动被加工零件作旋转运动，快刀伺服装置根据规划的刀具加工路径进行激光原位辅助的快刀伺服加工，同时激光续断器按照规划的运动频率控制连续激光的作用时间，直至完成加工；

S5、加工完毕，退刀，关闭激光器和激光续断器。