一种微型车刀表面织构的制造装置及制造方法与流程

本发明属于机械自动化技术领域，具体涉及一种微型车刀表面织构的制造装置及制造方法。

背景技术：

高速微切削时高主轴转速、微切深，刀屑和刀工之间的接触时间大幅度减小，形成了“以车代磨”或“以铣代磨”。加工过程中，切削热更多地被切屑带走，实现可代替磨削的加工质量，但随之而来的是刀具磨损的急剧加剧。尽管高速微切削可以达到更高的去除效率和更好的表面质量，被广泛应用于航天航空、微电子、生物医疗等领域中的微小型结构件的精密超精密加工，但目前的刀具的耐用度仍然制约着高速微切削技术的发展。

非光滑表面微织构在材料表面的应用在抗磨减阻，抗粘附，提高表面耐磨性和承载性能方面的积极作用，在相关文献及研究中已被证明。通过在刀具表面合理布置微织构，传统切削过程中可以降低切削力和切削热，减少积屑瘤粘附，从而降低刀具磨损，提高刀具耐用度。

刀具表面织构的传统制造方法有激光诱导制造法、微磨削法、刻蚀法、微细电加工、水射流加工、聚焦粒子束加工等，加工尺度从纳米级到微米级，适合在刀具是大面积表面织构制造。对于高速微切削而言，由于刀具刃口钝圆半径与材料晶粒尺度相当，刃口钝圆半径的影响不容忽略，在制造表面织构时，更多的需要考虑在接近刃口钝圆区域进行表面织构的选择性加工，而不是刀面表面大面积加工。而上述的相关制造工艺已不适合在刃口钝圆区域的表面织构定位及加工。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微型车刀表面织构的制造装置及制造方法，能够充分考虑刀具刃口钝圆的影响，在刃口钝圆区域进行定位及织构加工。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种微型车刀表面织构的制造装置，其特征在于，该装置包括：底座、X伺服电机运动平台，Y伺服电机运动平台，Z伺服电机运动平台，显微镜筒、CCD相机、激光器、激光聚焦物镜、环形光源、X电动狭缝、Y电动狭缝、分光棱镜、狭缝二维调整架，立柱、刀具、刀具卡具、激光控制器、图像采集卡、多轴运动控制器、电动狭缝控制器和PC处理机；立柱设置在大理石底座上，X伺服电机运动平台装配在立柱上，Z伺服电机运动平台装配在X伺服电机运动平台上，完成X、Z方向进给运动，Y伺服电机运动平台设置于底座上，并完成Y方向进给运动；刀具卡具设置于Y平台上，将被加工刀具装配在刀具卡具上，并定位；X电动狭缝和Y电动狭缝固定于狭缝二维调整架上，通过调节狭缝二维调整架，使二维狭缝的中心线与激光光轴重合；显微镜筒、CCD相机、激光器、激光聚焦物镜、环形光源、X电动狭缝、Y电动狭缝、分光棱镜和狭缝二维调整架通过连接板装配在Z伺服电机运动平台上；

激光器发出激光，通过X电动狭缝和Y电动狭缝后进入分光棱镜中，其中，分光棱镜为半反半透棱镜，通过二维狭缝的激光经过激光聚焦物镜的汇聚后打到被加工刀具表面上；部分入射光在被加工刀具上构织加工，部分原路返回，经过激光聚焦物镜后由分光棱镜反射，通过显微镜筒成像在CCD相机上；而环形光源发光，照射在被加工刀具表面上，反射光经由激光聚焦物镜汇聚，通过分光棱镜反射，通过显微镜筒成像在CCD相机上；

X伺服电机运动平台、Y伺服电机运动平台和Z伺服电机运动平台通过多轴运动控制器与PC处理机相连，由PC处理机下达加工路径的数控指令；激光器通过激光控制器与PC处理机相连，由PC处理机下达激光控制指令；X电动狭缝和Y电动狭缝通过电动狭缝控制器与PC处理机相连，由PC处理机下达X、Y电动狭缝移动指令；激光控制器控制CCD相机通过图像采集卡采集实时图像，经PC处理机实时图像处理。

一种微型车刀表面织构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：将被加工刀具固定于刀具卡具上，刀具主切削刃前刀面水平；

步骤二：打开激光器、环形光源、CCD相机，CCD相机实时采集显微镜筒放大的图像，在图像中显示十字中心线，并计算激光光斑的中心；

步骤三：调整狭缝二维调整架，使穿过狭缝的激光导引光光斑中心和图像十字中心重合。

步骤四：控制X伺服电机运动平台和Y伺服电机运动平台，将被加工刀具的刀尖部位移动到图像区域内，控制Z伺服电机运动平台，对被加工刀具主切削刃和副切削刃显微成像，通过直线提取算法找到图像中刀具主切削刃和副切削刃，并计算图像中主切削刃和副切削刃的交点与图像十字中心的距离；

步骤五：控制X电动狭缝和Y电动狭缝进行同步移动，根据所设计的表面织构尺寸，调整激光导引光斑的尺寸；

步骤六：根据所设计的表面织构，以主切削刃和副切削刃交点为基准，确定加工路径，路径中的坐标值为织构中微小结构的中心与主切削刃和副切削刃交点的偏差值；

步骤七：根据由PC处理机控制激光控制器将激光导引光切换到当前光斑为实际激光光斑，根据加工路径及步骤四所计算的主切削刃和副切削刃交点与图像中心的距离值，控制X伺服电机运动平台和Y伺服电机运动平台移动，将激光调节至进行加工的功率，完成刀具表面织构加工。

本发明的有益效果是：本发明实现了微型刀具表面织构加工过程中考虑刀具切削刃口钝圆影响，在切削刃口钝圆区域进行表面织构的选择性加工。在加工过程中，配合显微视觉，进行表面织构在刀具的高精度定位及观测。与传统织构加工相比，减少了加工中对切削刃钝圆的损伤，充分发挥表面织构在刃口钝圆不同位置所带来的刀具加工性能。通过在光路中加入二维狭缝单元，可以对不同尺寸的织构进行加工，不需要改变工作距离或加入其他的光学元件。采用了视觉和激光共光路设计，激光物镜和显微镜筒采用共焦设计，通过调整Z向平台，能够在试样表面离焦时实现快速聚焦，保证了织构加工尺寸的一致性。本发明中的微型车刀表面织构的制造装置及制造方法同时适用于其他类型刀具表面织构加工。

附图说明

图1本发明一种微型车刀表面织构的制造装置结构示意图。

图2本发明一种微型车刀表面织构的制造装置光路图。

图3本发明微型车刀表面织构的制造装置控制流程图。

图4本发明微型车刀表面织构的制造装置激光聚焦流程图。

图5本发明微型车刀表面织构及制造路径生成流程图。

图中：1、大理石底座，2、X伺服电机运动平台，3、Y伺服电机运动平台，4、Z伺服电机运动平台，5、显微镜筒，6、CCD相机，7、激光器，8、激光聚焦物镜，9、环形光源，10、X电动狭缝，11、Y电动狭缝，12、分光棱镜，13、狭缝二维调整架，14、立柱，15、被加工刀具和16、刀具卡具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种微型车刀表面织构的制造装置，由大理石底座1、X伺服电机运动平台2、Y伺服电机运动平台3、Z伺服电机运动平台4、显微镜筒5、CCD相机6、激光器7、激光聚焦物镜8、环形光源9、X电动狭缝10、Y电动狭缝11、分光棱镜12、狭缝二维调整架13、立柱14、被加工刀具15、刀具卡具16、激光控制器、图像采集卡、多轴运动控制器、电动狭缝控制器和PC处理机组成，整体结构如图1所示。

立柱14为龙门式立柱，设置在大理石底座1上，X伺服电机运动平台2装配在立柱14的横梁上，Z伺服电机运动平台4装配在X伺服电机运动平台2上，完成X、Z方向进给运动，Y伺服电机运动平台3设置于大理石底座1上，并完成Y方向进给运动。刀具卡具16设置于Y平台上，将被加工刀具15装配在刀具卡具16上，实现刀具定位。

光路由激光光路和视觉检测光路构成，激光光路和视觉检测光路为共光路设计，通过分光棱镜12实现光路分光。X电动狭缝10和Y电动狭缝11装配后，构成二维狭缝，固定于狭缝二维调整架13上，通过调节狭缝二维调整架13，使二维狭缝的中心线与激光光轴重合。如图2所示，激光器7发出激光，通过X电动狭缝10和Y电动狭缝11后进入分光棱镜12中，其中，分光棱镜12为半反半透棱镜，通过二维狭缝的激光经过激光聚焦物镜8的汇聚后打到被加工刀具15上。部分入射光在被加工刀具15上构织，部分原路返回，经过激光聚焦物镜8后由分光棱镜12反射，通过显微镜筒5成像在CCD相机6上，形成激光光路。而环形光源9发光，照射在被加工刀具15表面上，反射光经由激光聚焦物镜8汇聚，通过分光棱镜12反射，通过显微镜筒5成像在CCD相机6上，形成视觉检测光路，其中激光聚焦物镜8和显微镜筒5的焦点共轭。显微镜筒5、CCD相机6、激光器7、激光聚焦物镜8、环形光源9、X电动狭缝10、Y电动狭缝11、分光棱镜12和狭缝二维调整架13通过连接板装配在Z伺服电机运动平台4上。

X伺服电机运动平台2、Y伺服电机运动平台3和Z伺服电机运动平台4通过多轴运动控制器与PC处理机相连，由PC处理机下达控制指令，实现加工路径的数控执行；激光器7通过激光控制器与PC处理机相连，由PC处理机下达激光控制指令；X电动狭缝10和Y电动狭缝11通过电动狭缝控制器与PC处理机相连，由PC处理机下达X、Y电动狭缝移动指令。激光控制器控制CCD相机6通过图像采集卡采集实时图像，经PC处理机实时图像处理，流程如图3所示。

激光器7为具有导引光输出功能的红光光纤激光器，波长1064nm，输出功率20W。X电动狭缝10、Y电动狭缝11为步进电机驱动，最小移动调整量5μm。CCD相机6为黑白面阵CCD，模拟信号输出。环形光源9为白光LED环形光源。X伺服电机运动平台2，Y伺服电机运动平台3，Z伺服电机运动平台4均为伺服电机驱动，平台精度0.5μm。被加工刀具15为可转位无涂层硬质合金菱形刀片，刀具前角0°，后角7°，刀尖角是80°，刀尖半径0.1mm，刃口钝圆半径2μm。激光聚焦物镜8为高功率激光聚焦物镜，放大倍数10X，有效焦距20mm，物距15mm，数值孔径0.4。

一种微型车刀表面织构的制造方法包括如下步骤：

步骤一：将被加工刀具15固定于刀具卡具16上，被加工刀具15主切削刃处于Y方向，并保证前刀面水平。

步骤二：打开激光器7、环形光源9、CCD相机6，CCD相机6实时采集显微镜筒5放大的图像，在图像中显示十字中心线，计算激光光斑中心坐标，便于人工进行激光导引光光斑和图像中心的调整。其中激光光斑中心按质心计算。

步骤三：调整狭缝二维调整架13，对图像进行观测，使穿过狭缝的激光导引光光斑中心和图像十字中心重合。

步骤四：控制X伺服电机运动平台2和Y伺服电机运动平台3，将被加工刀具15的刀尖部位移动到图像区域内，控制Z伺服电机运动平台4，采用图像方差计算对被加工刀具15的主切削刃和副切削刃进行清晰显微成像，如图4所示。通过直线提取算法找到图像中刀具主切削刃和副切削刃，并计算图像中主切削刃和副切削刃交点与图像十字中心的距离，图像的像元所代表的实际尺寸通过高精度标尺标定。其中直线提取算法采用霍夫变换进行主切削刃和副切削刃进行检测。

步骤五：控制X电动狭缝10和Y电动狭缝11进行同步移动，根据所设计的表面织构尺寸，调整激光导引光斑到预定大小，实例中为二维狭缝长宽分别为10μm。

步骤六：根据所设计的圆形微坑集合表面织构如图5所示，以主切削刃和副切削刃交点为基准，确定加工路径，路径中的坐标值为织构中每一个单一结构的中心与主切削刃和副切削刃交点的偏差值，即单一结构中心至主切削刃和副切削刃交点的水平距离和垂直距离。

步骤七：根据由PC处理机控制激光控制器将激光导引光切换到当前光斑为实际激光光斑，根据加工路径及步骤四所计算的主切削刃和副切削刃交点与图像中心的距离值，控制X、Y平台移动，并将激光调节至进行加工的功率，完成刀具表面织构加工，微型车刀表面织构及制造路径生成流程如图5所示。