一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置及其方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置及其方法，属于微机械加工领域。

背景技术：
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微细车削是加工微小型回转类零件尤其是微小型轴类、盘类零件的常用加工方法，具有加工精度可控、适用多种材料和加工成本低的优点。但是在利用微细车削加工难加工材料时仍然存在刀具磨损严重、加工效率低和加工表面质量差的问题，这些问题在加工陶瓷、硬质合金等高硬度的难加工材料时显得更为突出，尤其是陶瓷材料硬度高、脆性大的特点使得其微细车削加工更是难以进行。

针对高硬材料微细切削加工的难题，主要有两种解决途径，一种是提高刀具性能，但是陶瓷和硬质合金硬度较高，本身就是常用的刀具材料，针对其切削加工的刀具材料只能采用硬度更高的cbn或金刚石，然而即使是由硬度最高的金刚石材料制成的微刀具在加工陶瓷和硬质合金等高硬材料时刀具磨损仍然十分严重，并且容易出现崩刃现象。另一种途径是使待加工材料改性或者变质以降低切削载荷，进而减小刀具磨损。激光加热辅助微机械加工(laser-assistedmechanicalmicromachining，lamm)是一种使待加工材料改性以降低切削载荷的复合加工方法，它最早由美国乔治亚理工学院的singh等人在2005年提出，是一种通过将高能激光束聚焦在微刀具切削刃前端的工件表面上，利用激光所产生的热能使工件待加工区域材料局部加热到很高的温度，进而使材料软化，改变工件材料的机械加工性能，降低切削载荷，随后利用微刀具将材料去除的一种复合加工方法，与常规微细切削相比，激光加热辅助切削能够提高刀具寿命，降低切削力，提高加工效率。但是由于金刚石刀具在高温下容易发生石墨化和氧化反应，激光加热辅助微细切削陶瓷和硬质合金等高硬材料时只能采用性能差于金刚石的cbn刀具，并且为了达到较好软化的效果往往需要使用较高的激光功率，这就使得工件表面热影响区比较大，并且由于加工过程中刀具距离激光光斑仅为几十到几百微米，在软化待加工区域材料的同时也会使刀具处于较高的温度，而过高的温度会显著的降低刀具的强度和硬度，使刀具材料发生氧化反应，导致加工过程中存在刀具磨损严重，加工表面质量较差的问题。激光诱导氧化辅助微细切削的方法是通过低功率激光器加热待加工区域材料，并通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使待加工区域材料与氧化剂发生快速可控的氧化反应，使待加工的工件表面形成疏松易去除的氧化层，进而降低切削载荷，再利用微刀具将氧化层和少量的热影响层快速去除的一种复合加工方法。由于氧化反应所需的激光功率远远低于激光加工或激光加热辅助软化材料所需的激光功率，因此激光产生的热影响区比较小，并且由于加工过程中激光光斑与微刀具的距离较大，激光加热氧化后的材料已经充分冷却，使得微刀具能够在接近常温下进行切削，因此，可以使用性能更好的金刚石微刀具；由于加工过程中待加工区域材料已经变质成疏松易去除的氧化层，微刀具每次仅需去除疏松的氧化层和少量的亚表层材料，因此微刀具承受的切削载荷较小，能够有效减小刀具磨损，实现陶瓷和硬质合金等高硬材料的高精度微细加工。

在利用激光诱导氧化辅助的方法进行微细车削加工时不仅需要保证机床的刚度和精度，而且为了保证氧化层和热影响层的一致性需要十分精准的控制激光焦距，在微细车削加工过程中，刀具切除每层材料后均会导致待加工表面直径发生改变，而且在微细切削加工中不可避免的存在刀具和待加工工件的弹性变形，使得实际切深与理论切深存在一定的差异，这就需要根据待加工表面的直径变化准确调节激光焦距。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提出一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置及其方法，以解决高硬材料微细车削加工的难题。

本发明采用如下技术方案：一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置，包括设有机床床身的微细车削装置，激光诱导氧化装置，激光器调焦装置，距离传感器以及控制装置，所述激光诱导氧化装置固定于激光器调焦装置上，激光器调焦装置固定于微细车削装置的机床床身上，所述距离传感器固定于激光诱导氧化装置的一侧以测量激光焦距，所述微细车削装置、激光诱导氧化装置、激光器调焦装置和距离传感器分别与控制装置连接。

进一步地，所述微细车削装置包括机床床身、数控轴x轴、数控轴y轴、刀架、电主轴、固定于刀架上的微车刀以及固定于电主轴上的工件，所述电主轴固定于数控轴x轴上，刀架固定于数控轴y轴上，加工过程中数控轴x轴带动电主轴和工件做进给方向的运动，数控轴y轴带动微车刀做切深方向的运动，加工过程中激光诱导氧化装置与微车刀的刀尖沿工件轴向方向的距离保持不变。

进一步地，所述微细车削机床的数控轴x轴和数控轴y轴都采用气浮静压导轨+直线电机的方式驱动。

进一步地，所述刀架上还装有精密滑台以实现对刀过程中微车刀沿z方向的运动。

进一步地，所述激光诱导氧化装置包括激光器，光纤，扩束镜，镜头，反射镜，聚焦透镜以及氧气喷嘴，所述激光器通过光纤与扩束镜连接，扩束镜与镜头连接，反射镜固定于镜头内，聚焦透镜和氧气喷嘴同轴连接于镜头上，激光器发射出的激光束通过光纤传导到扩束镜中，经扩束镜扩束准直后，再经反射镜将激光束偏转90度角，通过聚焦透镜将激光束聚焦在工件上。

进一步地，所述激光器调焦装置包括平动滑台，l型支架，第一导轨，第二导轨，滑块，丝杠，伺服电机以及转动滑台，所述平动滑台固定在微细车削装置的机床床身上，l型支架固定在平动滑台上，第一导轨和第二导轨对称固定在l型支架的左右两侧，滑块与丝杠连接，丝杠与伺服电机连接，伺服电机与控制装置连接，转动滑台固定在滑块上并与激光诱导氧化装置的扩束镜连接以实现激光入射角度的调节。

进一步地，所述激光诱导氧化装置中的激光器采用脉冲型光纤激光器。

进一步地，所述距离传感器为激光测距传感器、红外测距传感器、超声波测距传感器中的一种。

进一步地，所述工件上的待加区域材料为氮化物陶瓷，碳化物陶瓷，金属基陶瓷和硬质合金可氧化的材料。

本发明还采用如下技术方案：一种激光诱导氧化辅助微细车削加工装置的加工方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤一：根据工件的待加区域材料氧化反应的热力学规律和动力学规律，结合温度场仿真结果和激光诱导氧化实验，研究激光参数和氧气压力对材料氧化速率和氧化层性质和厚度的影响，选择激光参数和氧气压力，实验研究氧化层和热影响层的切削性能，随后根据待加工工件的几何参数结合氧化层和热影响层的切削性能分别制定激光诱导氧化辅助微细车削和完全去除热影响层时相应的走刀路线和切削参数；

步骤二：将工件装夹到电主轴上，将微车刀安装在刀架上，打开数控轴x轴和数控轴y轴，进行对刀，对刀完成后，数控轴y轴沿正方向移动一段距离，根据距离传感器检测到的实际焦距和理论焦距的差值，利用控制装置控制激光器调焦装置调整焦距以完成对焦，最后将激光光斑聚焦在工件最前端的待加工区域材料上；

步骤三：设定激光参数、氧气流量和切削参数，打开激光器，利用激光加热工件待加工区域材料，并通过氧气喷嘴将氧气喷向加热后的待加工区域材料，使待加工区域材料发生快速可控的氧化反应，形成疏松易去除的氧化层，由于加工过程中微车刀和激光光斑沿工件轴向有一定的距离且该距离保持不变，随着进给运动的不断进行，微车刀会开始切入待加工工件的前端并去除氧化层和少量的热影响层材料，以实现高硬材料的去除；

步骤四：加工过程中，距离传感器实时检测待加工表面与聚焦透镜的距离得到实际焦距，并将该实际焦距发送到控制装置中，当待加工表面的直径发生变化时，控制装置根据实际焦距和理论焦距的差异，控制激光器调焦装置调节焦距，使激光光斑始终聚焦在待加工表面上，保证氧化程度的一致性。经过多次氧化和走刀后将多余的材料去除并留下一定的加工余量；

步骤五：关闭激光器，重新设定切削参数和走刀路径，利用微车刀将激光诱导氧化后的热影响层全部去除，关闭电主轴，最终实现高硬材料的高精度微细车削加工。

本发明具有如下有益效果：加工时通过激光和氧气的耦合作用使待加工区域材料发生快速的氧化反应，在短时间内变质成疏松易去除的氧化层，能够有效降低切削载荷，减小刀具磨损，提高加工效率；加工过程中激光光斑与微车刀刀尖相对距离较大，激光产生的热量对刀具影响较小；加工时激光焦距能够根据工件待加工表面的直径随时调节，能够有效保证氧化层和热影响层的一致性，提高加工精度。利用本发明所提出的激光诱导氧化辅助微细车削装置及其方法能够实现陶瓷、硬质合金等高硬材料微小轴类、盘类零件的高精度微细车削加工。

附图说明：

图1为本发明激光诱导氧化辅助微细车削加工装置的示意图。

图2为本发明激光诱导氧化辅助微细车削加工装置中微细车削装置的示意图。

图3为本发明激光诱导氧化辅助微细车削加工装置中激光诱导氧化装置的示意图。

图4为本发明激光诱导氧化辅助微细车削加工装置中激光器调焦装置的示意图。

图中：

1-微细车削装置，2-激光诱导氧化装置，3-激光器调焦装置，4-距离传感器，5-控制装置，11-机床床身，12-数控轴x轴，13-数控轴y轴，14-刀架，15-电主轴，16-微车刀，17-工件，18-精密滑台，21-激光器，22-光纤，23-扩束镜，24-镜头，25-反射镜，26-聚焦透镜，27-氧气喷嘴，31-平动滑台，32-l型支架，33-第一导轨，34-第二导轨，35-滑块，36-丝杠，37-伺服电机，38-转动滑台。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

结合图1至图4所示，本发明激光诱导氧化辅助微细车削加工装置包括微细车削装置1，激光诱导氧化装置2，激光器调焦装置3，距离传感器4以及控制装置5。其中激光诱导氧化装置2固定于激光器调焦装置3上，激光器调焦装置3固定于微细车削装置1的机床床身11上，距离传感器4固定于激光诱导氧化装置2的一侧以测量激光焦距，微细车削装置1、激光诱导氧化装置2、激光器调焦装置3和距离传感器4分别与控制装置5连接。

微细车削装置包括机床床身11、数控轴x轴12、数控轴y轴13、刀架14、电主轴15、固定于刀架14上的微车刀16以及固定于电主轴15上的工件17，其中电主轴15固定于数控轴x轴12上，刀架14固定于数控轴y轴13上，加工过程中数控轴x轴12带动电主轴15和工件17做进给方向的运动，数控轴y轴13带动微车刀16做切深方向的运动，加工过程中激光诱导氧化装置2与微车刀16的刀尖沿工件17轴向方向的距离保持不变。

微细车削机床1的数控轴x轴12和数控轴y轴13都采用气浮静压导轨+直线电机的方式驱动。

刀架14上还装有精密滑台18以实现对刀过程中微车刀16沿z方向的运动。

激光诱导氧化装置2包括激光器21，光纤22，扩束镜23，镜头24，反射镜25，聚焦透镜26以及氧气喷嘴27。激光器21通过光纤22与扩束镜23连接，扩束镜23与镜头24连接，反射镜25固定于镜头24内，聚焦透镜26和氧气喷嘴27同轴连接于镜头24上，激光器21发射出的高能量激光束通过光纤22传导到扩束镜23中，经扩束镜23扩束准直后，再经反射镜25将激光束偏转90度角，最后通过聚焦透镜26将激光束聚焦在工件17的待加区域材料表面，在激光的辐照下待加工区域材料会迅速升温，氧气喷嘴27将氧气喷向待加工区域材料表面，一方面促进待加工区域材料发生快速的氧化反应，形成疏松的氧化层，另一方面防止切屑或氧化物污染破坏聚焦透镜。

激光器调焦装置3包括平动滑台31，l型支架32，第一导轨33，第二导轨34，滑块35，丝杠36，伺服电机37以及转动滑台38。平动滑台31固定在微细车削装置1的机床床身11上，l型支架32固定在平动滑台31上，第一导轨33和第二导轨34对称固定在l型支架32的左右两侧，滑块35与丝杠36连接，丝杠36与伺服电机37连接，伺服电机37与控制装置5连接，转动滑台38固定在滑块35上并与激光诱导氧化装置2的扩束镜23连接以实现激光入射角度的调节。加工过程中距离传感器4实时检测激光诱导氧化装置2中聚焦透镜26与待加工表面的距离得到实际焦距，并将该实际焦距发送到控制装置5中，控制装置5对比分析实际焦距和理论焦距的大小，当发现实际焦距和理论焦距不一致时，控制装置5控制伺服电机37带动丝杠36转动进而使滑块35在第一导轨33和第二导轨34上移动的方式调节激光焦距，以保证氧化层的一致性，进而保证加工精度。

进一步的，激光诱导氧化装置2中的激光器21采用脉冲型光纤激光器。

进一步的，距离传感器4可以是激光测距传感器、红外测距传感器、超声波测距传感器中的一种。

进一步的，工件17的待加区域材料可以是氮化物陶瓷，碳化物陶瓷，金属基陶瓷和硬质合金等可氧化的材料。

本发明还提出了基于上述激光诱导氧化辅助微细车削加工装置的加工方法，包括如下步骤：

步骤一：根据工件17的待加区域材料氧化反应的热力学规律和动力学规律，结合温度场仿真结果和激光诱导氧化实验，研究激光参数和氧气压力对材料氧化速率和氧化层性质和厚度的影响，优选激光参数和氧气压力，实验研究氧化层和热影响层的切削性能，随后根据待加工工件的几何参数结合氧化层和热影响层的切削性能分别制定激光诱导氧化辅助微细车削和完全去除热影响层时相应的走刀路线和切削参数；

步骤二：将工件17装夹到电主轴15上，将微车刀16安装在刀架14上，打开数控轴x轴12和数控轴y轴13，进行对刀，对刀完成后，数控轴y轴13沿正方向移动一段距离，根据距离传感器4检测到的实际焦距和理论焦距的差值，利用控制装置5控制激光器调焦装置3调整焦距以完成对焦，最后将激光光斑聚焦在工件最前端的待加工区域材料上；

步骤三：设定激光参数、氧气流量和切削参数，打开激光器21，利用激光加热工件待加工区域材料，并通过氧气喷嘴27将氧气喷向加热后的待加工区域材料，使待加工区域材料发生快速可控的氧化反应，形成疏松易去除的氧化层，由于加工过程中微车刀16和激光光斑沿工件轴向有一定的距离且该距离保持不变，随着进给运动的不断进行，微车刀16会开始切入待加工工件的前端并去除氧化层和少量的热影响层材料，以实现高硬材料的去除；

步骤四：加工过程中，距离传感器4实时检测待加工表面与聚焦透镜26的距离得到实际焦距，并将该实际焦距发送到控制装置5中，当待加工表面的直径发生变化时，控制装置5根据实际焦距和理论焦距的差异，控制激光器调焦装置3调节焦距，使激光光斑始终聚焦在待加工表面上，保证氧化程度的一致性。经过多次氧化和走刀后将多余的材料去除并留下一定的加工余量；

步骤五：关闭激光器21，重新设定切削参数和走刀路径，利用微车刀将激光诱导氧化后的热影响层全部去除，关闭电主轴15，最终实现高硬材料的高精度微细车削加工。

下面通过两个具体实施例来说明本发明激光诱导氧化辅助微细车削加工装置的加工方法。

实施例一：

下面以的yg20硬质合金圆棒作为工件材料，pcd微车刀作为刀具，结合本发明所提出的激光诱导氧化辅助微细车削装置及其方法进行进一步说明。

yg20硬质合金主要由硬质相wc(80％)和粘结相co(20％)组成，密度为13.4-13.8g/cm³，硬度为85-87hra，抗弯强度为3100mpa，具有良好的强度、硬度和耐磨性，因此被广泛应用于各种冲压模具和工具中。通过对yg20硬质合金材料的高温氧化实验研究发现：yg20硬质合金在500℃以上的温度加热时就会与空气中的氧气发生氧化反应，随着温度的升高氧化反应的速率会呈抛物线规律逐渐增大，其氧化反应方程如下所示：

当加热温度高于600℃时，基体表面就会形成疏松多孔的氧化层，经xrd测试表明该疏松多孔的氧化层主要由cowo4和wo3组成，这是因为，在高温下yg20硬质合金中的wc和co与氧气发生氧化反应生成了wo3、cowo4和co2，而随着co2的逸出氧化层表面上会留下很多气孔，该气孔又为氧气的持续扩散提供了通道，进一步促进氧化反应的进行，导致氧化层呈现疏松多孔的结构。通过对yg20硬质合金的激光诱导氧化实验发现，在合适的激光参数和氧气流量下，yg20硬质合金材料也能够在激光和氧气的耦合作用下生成疏松多孔的氧化层，且该氧化层极易去除，采用无水乙醇超声清洗的方法即可去除，因此在利用激光诱导氧化辅助微细车削方法加工yg20硬质合金材料时能够有效降低切削载荷，减少刀具磨损。

具体加工步骤如下：

步骤一：根据yg20硬质合金材料的氧化反应的热力学规律和动力学规律，结合温度场仿真结果和激光诱导氧化实验，优选激光功率7w，脉冲频率100khz，扫描速度60mm/s-80mm/s，氧气流量7l/min，此时氧化层厚度约为4.2μm-4.7μm，热影响层厚度约为4.4μm-5.1μm。根据待加工工件的几何参数结合氧化层和热影响层的切削性能，确定激光诱导氧化辅助微细车削时微车刀刀尖与激光光斑沿工件轴向距离为20mm，主轴转速为380rad/min，进给速度为0.2mm/s，切深为5.2μm，最后切削热影响层时主轴转速为290rad/min，进给速度为0.05mm/s，切深为2.0μm；

步骤二：将yg20硬质合金工件装夹到电主轴上，将pcd微车刀安装在刀架上，调节激光器调焦装置使激光光斑与微车刀的刀尖沿工件轴向距离为20mm，打开数控轴x轴和数控轴y轴，进行对刀，对刀完成后，数控轴y轴沿正方向移动20mm，根据距离传感器检测到的实际焦距和理论焦距的差值，利用控制装置控制激光器调焦装置调整焦距以完成对焦，最后将激光光斑聚焦在工件最前端的待加工区域材料上；

步骤三：设定激光功率为7w、脉冲频率为100khz、氧气流量7l/min、主轴转速为380rad/min、进给速度为0.2mm/s、切深为5.2μm，打开激光器，在激光和氧气的耦合作用下使待加工区域材料发生快速可控的氧化反应，形成由wo3、cowo4组成的疏松多孔的氧化层，由于加工过程中微车刀和激光光斑沿工件轴向有20mm的距离且该距离保持不变，随着进给运动的不断进行，微车刀会开始切入待加工工件的前端并去除氧化层和少量的热影响层材料，以实现高硬材料的去除；

步骤四：加工过程中通过距离传感器实时检测待加工表面与激光聚焦透镜的距离得到实际焦距，并将该实际焦距发送到控制装置中，当待加工表面的直径发生变化时，控制装置根据实际焦距和理论焦距的差异，控制激光器调焦装置调节焦距，使激光光斑始终聚焦在待加工表面上，保证氧化程度的一致性，经过多次氧化和走刀后将多余的材料去除并留下20μm的加工余量；

步骤五：关闭激光器，重新设定切削参数和走刀路径，利用微车刀将激光诱导氧化后的热影响层全部去除，关闭电主轴，最终实现yg20硬质合金材料的高精度微细车削加工。

实施例二：

与实施例一不同的是：本实施例采用的tib2基陶瓷圆棒作为工件材料。加工过程中激光功率为5w，脉冲频率20khz，扫描速度30mm/s-50mm/s，氧气流量10l/min，所得到的氧化层厚度约为1.9μm-2.4μm，热影响层厚度约为2.6μm-4.3μm。激光诱导氧化辅助微细车削时微车刀刀尖与激光光斑沿工件轴向距离为15mm，主轴转速为300rad/min，进给速度为0.15mm/s，切深为3.0μm，最后切削热影响层时主轴转速为240rad/min，进给速度为0.01mm/s，切深为1.0μm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。