基于激光离散化、高效铣磨及激光铣削的复合加工方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910418533.4 (22)申请日 2019.05.20 (71)申请人 中国科学院宁波材料技术与工程研 究所 地址 315201 浙江省宁波市镇海区庄市大 道519号 (72)发明人 陈晓晓张文武王恒 (74)专利代理机构 南京利丰知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 32256 代理人 王锋 (51)Int.Cl. B23K 26/00(2014.01) B23K 26/402(2014.01) (54)发明名称 基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复 合加工方法。

2、 (57)摘要 本发明公开了一种基于激光离散化、 高效铣 磨及激光铣削的复合加工方法， 所述方法包括： 激光离散化工艺， 通过激光在工件表面加工形成 预制微织构， 使工件表面离散化； 高效铣磨工艺， 采用铣磨设备对激光离散化工艺后的工件进行 粗加工； 激光铣削工艺， 通过激光对高效铣磨工 艺后的工件进行精细铣削。 本发明结合了激光离 散化、 高效铣磨及激光铣削工艺， 能够改善难加 工材料可加工性， 实现高效大去除率加工， 改善 了加工表面粗糙度， 且能根据工件特征分区域加 工； 通过多工艺复合加工， 大大提高了加工效率、 加工精度和加工质量。 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 CN 110。

3、091054 A 2019.08.06 CN 110091054 A 1.一种基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特征在于， 所述方法 包括： 激光离散化工艺， 通过激光在工件表面加工形成预制微织构， 使工件表面离散化； 高效铣磨工艺， 采用铣磨设备对激光离散化工艺后的工件进行粗加工； 激光铣削工艺， 通过激光对高效铣磨工艺后的工件进行精细铣削。 2.根据权利要求1所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特 征在于， 所述预制微织构包括盲孔阵列、 直线槽阵列、 曲线槽阵列中的一种或多种， 直线槽 阵列包括横向直线槽阵列、 竖向直线槽阵列、 斜向直线槽阵。

4、列中的一种或多种。 3.根据权利要求1所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特 征在于， 所述铣磨设备包括铣磨刀具、 振动辅助铣磨设备、 旋转超声铣磨设备中的一种或多 种。 4.根据权利要求1所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特 征在于， 所述激光铣削工艺具体为： 将工件表面划分为不同区域， 针对每个区域通过激光进行精细铣削。 5.根据权利要求4所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特 征在于， 所述激光铣削工艺中， 不同区域采用不同的激光参数进行精细铣削。 6.根据权利要求5所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削。

5、的复合加工方法， 其特 征在于， 所述激光为固定轴激光和/或可变轴激光。 7.根据权利要求5所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特 征在于， 所述固定轴激光的激光参数包括波长、 功率中的一种或多种， 所述可变轴激光的激 光参数包括波长、 功率、 姿态角中的一种或多种。 8.根据权利要求4所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特 征在于， 所述区域包括开放型区域和/或封闭型区域。 9.根据权利要求4所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其特 征在于， 所述区域包括规则区域和/或不规则区域， 规则区域包括圆形区域、 方形区域。。

6、 10.根据权利要求1所述的基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 其 特征在于， 所述工件的材料为难加工硬脆材料。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110091054 A 2 基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法 技术领域 0001 本发明涉及材料复合加工技术领域， 特别是涉及一种基于激光离散化、 高效铣磨 及激光铣削的复合加工方法。 背景技术 0002 难加工硬脆材料在航空航天、 能源、 交通等领域具有广泛的应用前景， 是航空航天 领域的关键功能材料， 如陶瓷基复合材料、 碳化硅陶瓷等。 该类材料在航空发动机领域的应 用越发引起重视， 美、 日等发达国家在政府。

7、主导的IHPTET、 UEET、 ESPR、 AMG等航空发动机技 术提升计划下， 对航空发动机陶瓷基复合材料涡轮部件开展了相关研制工作， 并取得了突 破性成果。 我国航空发动机陶瓷基复合材料研究起步晚且缺乏， 当前， 陶瓷基复合材料还未 商业应用在国内航空发动机上， 该领域面临精密成型、 表面完整性保证、 损伤控制以及效率 提升等一系列挑战， 除了材料本体升级， 可控精密加工技术应用是实现功能化突破的必由 之路。 0003 目前， 研究人员主要采用传统机械加工、 超声加工、 磨料水射流以及激光加工等方 法。 不同纤维取向角度对加工去除机制影响很大， 采用机械、 超声、 磨料水射流等加工硬脆 。

8、性难加工材料， 通过工艺优化可降低切削力和加工损伤， 改善加工表面质量， 但存在刀具易 磨损、 毛刺、 纤维拔出、 一致性差等问题， 难以满足各种异型特征或精密微细功能化零部件 的加工需求。 0004 国内外研究人员使用不同类型的激光器对各类材料激光辅助加工、 复合加工以及 激光加工等进行了一系列研究工作， 主要针对孔、 槽(二维平面/三维空间)、 平面及复杂规 则结构等几何特征加工， 激光铣削研究在机理、 工艺规律及初步应用等方面取得了一定进 展。 通过探究激光铣削机理和材料去除机制， 优化工艺进行难加工硬脆材料激光铣削， 可以 改善成型表面质量， 微细结构加工优越性显著， 具备三维复杂特征。

9、加工的可行性。 目前， 功 能化结构特征难加工硬脆材料加工几何精度和表面完整性难以保证， 材料易损伤， 加工效 率低。 该领域存在以下问题： 材料硬度高， 脆性大， 常规机械/超声加工时， 刀具磨损严重， 存 在毛刺， 纤维易拔出， 加工一致性差， 且效率难以提高； 激光铣削加工质量较高时， 加工效率 便难以保证， 而实现大材料去除率加工， 常以表面质量的损失为代价。 0005 因此， 针对上述技术问题， 有必要提供一种基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削 的复合加工方法。 发明内容 0006 有鉴于此， 本发明的目的在于提供一种基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的 复合加工方法， 以实现工。

10、件的精密加工， 提高工件表面加工质量。 0007 为了实现上述目的， 本发明一实施例提供的技术方案如下： 0008 一种基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法， 所述方法包括： 0009 激光离散化工艺， 通过激光在工件表面加工形成预制微织构， 使工件表面离散化； 说明书 1/4 页 3 CN 110091054 A 3 0010 高效铣磨工艺， 采用铣磨设备对激光离散化工艺后的工件进行粗加工； 0011 激光铣削工艺， 通过激光对高效铣磨工艺后的工件进行精细铣削。 0012 作为本发明的进一步改进， 所述预制微织构包括盲孔阵列、 直线槽阵列、 曲线槽阵 列中的一种或多种， 直线槽。

11、阵列包括横向直线槽阵列、 竖向直线槽阵列、 斜向直线槽阵列中 的一种或多种。 0013 作为本发明的进一步改进， 所述铣磨设备包括铣磨刀具、 振动辅助铣磨设备、 旋转 超声铣磨设备中的一种或多种。 0014 作为本发明的进一步改进， 所述激光铣削工艺具体为： 0015 将工件表面划分为不同区域， 针对每个区域通过激光进行精细铣削。 0016 作为本发明的进一步改进， 所述激光铣削工艺中， 不同区域采用不同的激光参数 进行精细铣削。 0017 作为本发明的进一步改进， 所述激光为固定轴激光和/或可变轴激光。 0018 作为本发明的进一步改进， 所述固定轴激光的激光参数包括波长、 功率中的一种 或。

12、多种， 所述可变轴激光的激光参数包括波长、 功率、 姿态角中的一种或多种。 0019 作为本发明的进一步改进， 所述区域包括开放型区域和/或封闭型区域。 0020 作为本发明的进一步改进， 所述区域包括规则区域和/或不规则区域， 规则区域包 括圆形区域、 方形区域。 0021 作为本发明的进一步改进， 所述工件材料为难加工硬脆材料。 0022 本发明的有益效果是： 0023 本发明结合了激光离散化、 高效铣磨及激光铣削工艺， 能够改善难加工材料可加 工性， 实现高效大去除率加工， 改善了加工表面粗糙度， 且能根据工件特征分区域加工； 0024 通过多工艺复合加工， 大大提高了加工效率、 加工精。

13、度和加工质量。 附图说明 0025 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明中记载的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。 0026 图1为本发明中基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工方法的流程示 意图； 0027 图2为本发明第一实施例中激光离散化工艺的加工示意图； 0028 图3为本发明第一实施例中高效铣磨工艺的加工示意图； 0029 图4为本发明第一实施例中激光铣削工艺的剖面加工示意图； 。

14、0030 图5为本发明第一实施例中激光铣削工艺的正面加工示意图； 0031 图6a-6c分别为本发明第二实施例中激光离散化工艺、 高效铣磨工艺、 激光铣削工 艺的加工示意图； 0032 图7为本发明第三实施例中工件的结构示意图； 0033 图8a为本发明第三实施例中第一区域边缘拐角处的三维形貌图； 0034 图8b为本发明第三实施例中第二区域边缘处的三维形貌图； 说明书 2/4 页 4 CN 110091054 A 4 0035 图8c为本发明第三实施例中第三区域边缘处的三维形貌图。 具体实施方式 0036 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案， 下面将结合本发明实 施例中的附图。

15、， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施 例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都应当属于本发明保护 的范围。 0037 参图1所示， 本发明公开了一种基于激光离散化、 高效铣磨及激光铣削的复合加工 方法， 包括： 0038 激光离散化工艺， 通过激光在工件表面加工形成预制微织构， 使工件表面离散化； 0039 高效铣磨工艺， 采用铣磨设备对激光离散化工艺后的工件进行粗加工； 0040 激光铣削工艺， 通过激光对高效铣磨工艺后的工件进行精细铣削。 0。

16、041 以下结合具体实施例对本发明中的各工艺步骤进行详细说明。 0042 本发明第一实施例中的复合加工方法具体包括以下步骤： 0043 激光离散化工艺： 0044 参图2所示， 通过第一激光21在工件10(材料为难加工硬脆材料)表面预加工形成 一定规律的预制微织构11， 其中， 预制微织构11包括盲孔阵列、 直线槽阵列、 曲线槽阵列等， 其中， 直线槽阵列包括横向直线槽阵列、 竖向直线槽阵列、 斜向直线槽阵列等。 0045 第一激光21通过激光器激发产生， 激光器可采用纳秒激光器、 皮秒激光器等， 根据 不同加工对象可选择不同类型激光器并选用不同的激光器参数。 0046 通过激光离散化工艺， 。

17、能够使工件表面离散化， 改善切削特性， 降低后期刀具与工 件之间的交互作用强度。 0047 高效铣磨工艺： 0048 参图3所示， 采用铣磨设备22对激光离散化工艺后的工件10进行粗加工， 铣磨设备 包括铣磨刀具、 振动辅助铣磨设备、 旋转超声铣磨设备等。 0049 本实施例中以铣磨刀具(金刚石刀具)为例进行说明， 采用金刚石刀具进行高效铣 磨以大去除率实现设计区域的材料加工， 金刚石刀具的类型和尺寸可根据具体加工场合确 定。 0050 激光离散化工艺处理后的工件， 在进行高效铣磨加工时可以采用大切削深度、 大 切削宽度、 大进给速度等工艺参数组合， 实现高效铣磨。 0051 激光铣削工艺： 。

18、0052 参图4通过第二激光23对高效铣磨工艺后的工件10进行精细铣削。 0053 优选地， 参图5所示， 激光铣削工艺具体为： 0054 将工件表面划分为不同区域， 针对每个区域通过第二激光23进行精细铣削。 本实 施例中将工件表面划分为6个方形区域， 针对每个区域通过第二激光23分别进行精细铣削。 针对有特殊要求的典型区域， 进行激光定域精细去除加工， 能够实现高表面质量制造。 0055 具体地， 不同区域采用不同的激光参数进行精细铣削， 激光为固定轴激光和/或可 变轴激光， 固定轴激光的激光参数包括波长、 功率中的一种或多种， 可变轴激光的激光参数 说明书 3/4 页 5 CN 1100。

19、91054 A 5 包括波长、 功率、 姿态角(与工件表面法向之间的夹角 )中的一种或多种。 0056 参图6a-6c所示， 本发明第二实施例中的复合加工方法与第一实施例中的复合加 工方法相同， 具体的工艺方法此处不再进行赘述。 0057 与第一实施例不同的是， 本实施例中仅对工件表面的局部方形封闭区域进行加 工， 激光离散化工艺、 高效铣磨工艺、 激光铣削工艺均在该区域内进行。 0058 参图7所示， 本发明第三实施例中的复合加工方法与第一实施例中的复合加工方 法相同， 具体的工艺方法此处不再进行赘述。 0059 与第一实施例不同的是， 本实施例中工件表面的区域包括第一区域101、 第二区域。

20、 102及第三区域103， 其中， 第一区域101为大致呈 “凹” 型的开放型区域， 第二区域102为呈方 形的封闭型区域， 第三区域103为呈圆形的封闭性区域。 0060 通过激光离散化工艺、 高效铣磨工艺、 激光铣削工艺之后最终得到加工成型的工 件， 结合图8a-8c所示， 底面出现凹坑， 区域边缘可见层间切削磨粒轨迹， 工件表面无明显划 痕。 可见， 离散化有助于实现大切深加工， 改善加工表面粗糙度， 减少刀具磨损， 提高刀具耐 用度。 0061 上述实施例中区域的划分仅为具体说明， 在其他实施例中可根据需要将工件表面 划分为若干规则或不规则区域， 此处不再一一举例进行说明。 0062 。

21、由以上技术方案可以看出， 本发明具有如下有益效果： 0063 本发明结合了激光离散化、 高效铣磨及激光铣削工艺， 能够改善难加工材料可加 工性， 实现高效大去除率加工， 改善了加工表面粗糙度， 且能根据工件特征分区域加工； 0064 通过多工艺复合加工， 大大提高了加工效率、 加工精度和加工质量。 0065 对于本领域技术人员而言， 显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下， 能够以其他的具体形式实现本发明。 因此， 无论 从哪一点来看， 均应将实施例看作是示范性的， 而且是非限制性的， 本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定， 因此旨在将。

22、落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。 不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 0066 此外， 应当理解， 虽然本说明书按照实施方式加以描述， 但并非每个实施方式仅包 含一个独立的技术方案， 说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当 将说明书作为一个整体， 各实施例中的技术方案也可以经适当组合， 形成本领域技术人员 可以理解的其他实施方式。 说明书 4/4 页 6 CN 110091054 A 6 图1 图2 说明书附图 1/5 页 7 CN 110091054 A 7 图3 图4 说明书附图 2/5 页 8 CN 110091054 A 8 图5 图6a 图6b 图6c 说明书附图 3/5 页 9 CN 110091054 A 9 图7 图8a 说明书附图 4/5 页 10 CN 110091054 A 10 图8b 图8c 说明书附图 5/5 页 11 CN 110091054 A 11 。