申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2022-11-10

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN115647940B

主分类号：B24B1/00

分类号：B24B1/00;B24B49/00;B24B49/12;B23K26/352

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2023.02.17#实质审查的生效;2023.01.31#公开

摘要：本发明为解决硬脆材料的难加工和多能场辅助加工方法研究不足的问题，提供了一种激光同步辅助超声侧面磨削硬脆材料的方法，属于机械加工领域。该方法利用激光的加热作用，提前改变材料的性质，通过降低砂轮前方材料的强度、硬度或断裂韧性，使得材料去除机理在一定程度上从脆性去除转变为塑性去除，从而为减小加工硬脆材料的磨削力、刀具磨损和亚表面损伤提供保障，同时可提高表面加工质量和加工效率。同时，本发明将试验加工和实际加工相结合，利用实测温度场、数值模拟、优化的方法辅助确定工艺参数，针对选定复杂繁多的工艺条件提供了一套详尽系统的方法，可以减少试验样件的浪费，并为多能场辅助加工的相关研究提供参考。

主权项：1.一种激光同步辅助超声侧面磨削硬脆材料的方法，其特征在于：该方法包含如下步骤阶段：阶段A：进行加工设备和加工平台的搭建，并完成控制程序的耦合调试；阶段B：借助加工试验和数值模拟的方法，对试验样件进行多参数耦合加工的探索，并根据实测数据优化工艺参数；阶段C：利用阶段B优化后的工艺参数，对正式加工样件进行激光同步辅助超声侧面磨削加工；阶段A包含如下步骤：步骤A1：将超声电源1、磨削机床控制器2、磨削机床3、超声刀柄4、磨削砂轮5共同构成超声辅助侧面磨削单元；激光头9和磨削机床3之间通过激光头夹持单元12固定，激光头9通过激光头夹持单元12更改空间位置和姿态，使磨削机床3的运动轴带动激光头9的移动；激光头9通过光纤11-2连接在激光器11的激光输出端，超声刀柄5和超声电源1通过超声振动电源线1-2连接；激光器11通过激光器控制线11-1、超声电源1通过超声电源控制线1-1、磨削机床3通过磨削机床控制线3-1分别连接磨削机床控制器2，使得磨削机床控制器2通过耦合程序控制激光器11、超声电源1和磨削机床3；步骤A2：测力仪7固定于磨削机床工作台8上，将所需磨削硬脆材料样件6固定于测力仪7上；将形状为长方体块的硬脆材料样件6的待加工表面垂直于磨削机床工作台8固定；并完成测温装置10对试验样件测温的准备工作；阶段B包含如下步骤：步骤B1：根据实际加工需求和硬脆材料硬脆特性，预选超声辅助侧面磨削进给速度v进给和辐照在硬脆材料表面的激光功率P；步骤B2：调节激光头夹持单元12，通过更改激光头9的空间位置和姿态，使得激光头9中的激光束聚焦于硬脆材料样件6的待加工表面，激光头9的中心线与磨削机床工作台8平行，且该中心线与硬脆材料样件6的待加工表面垂直；确保激光扫描方向与硬脆材料样件6待加工面的上边缘平行，激光光斑中心距离该上边缘的距离设置为l激光；利用以上设置好的工艺参数对硬脆材料样件6待加工面进行激光单道扫描，在扫描的同时使用测温装置10对硬脆材料样件6进行测温；步骤B3：利用有限元数值模拟软件对阶段B中的步骤B2中激光单道辐照硬脆材料的温度场进行模拟；经过有限元数值模拟计算后，将结果与阶段B步骤B2中的实测温度场进行比对，如果实际激光辐照与数值模拟计算所能达到的最高温度差别不超实际最高温度数据的5％，且升温和降温过程温度曲线变化趋势一致，则判断为数值模拟符合实际，如符合则继续，如不符合需重新进行模拟；步骤B4：利用阶段B中步骤B3中温度场模拟结果，读取待加工表面上的等温线数据，根据加工材料的软化温度T材料软化所在等温线和刀具材料的软化温度T刀具软化所在等温线，按照磨削位置低于T刀具软化并尽量在T材料软化以上温度区域的选取原则，确定砂轮侧面磨削所用的最大磨削厚度lap，以及砂轮磨削位置和激光光斑中心位置之间的滞后距离l滞后；步骤B5：利用阶段B中步骤B3中温度场模拟结果，读取样件上表面的等温线数据，根据上述确定的滞后距离l滞后和样件上表面中硬脆材料软化温度T软化所在等温线的交点，确定砂轮侧面磨削所用的磨削最大切深dap粗；步骤B6：根据实际加工需要，判断以上选择的工艺参数是否符合实际的加工需要，如不符合返回阶段B步骤B1中重新选取进给速度v进给和辐照激光功率P；如符合则继续进行以下步骤；步骤B7：调节磨削砂轮5使得其中心线平行于硬脆材料样件6的待加工表面，调节激光头夹持单元12使得激光头9输出的激光束聚焦点和超声侧面磨削作用点之间的距离为l滞后；根据测力仪7的测力结果和加工后的表面粗糙度为目标，对滞后于激光束辐照的超声侧面磨削工艺条件进行优化，得到在满足实际粗加工需求前提下的最优超声振动频率f、超声振幅A、主轴转速S工艺条件；阶段C包含如下步骤：步骤C1：开始使用阶段B中得到的优化后的工艺参数对实际需加工材料开始加工，调节磨削机床3的耦合程序，使得激光头9在硬脆材料表面以外的位置开始移动，并将该位置确定为起始点，当激光头开始扫描工件表面后，激光器11即刻发射激光，而用于超声侧面磨削的磨削砂轮5以延迟t延迟1＝l滞后+r光斑v进给的时间开始运转，实现激光同步辅助超声侧面磨削，在激光束移动出工件表面后激光器11随即停止发射激光，超声侧面磨削砂轮持续前进并运转t延迟2＝l滞后-r光斑v进给的时间后停止，即完成了激光同步辅助侧面磨削硬脆材料待加工面的第一道加工工序，上述r光斑为激光光斑聚焦半径；步骤C2：激光头9和磨削砂轮5返回起始点，二者位置坐标向磨削机床工作台8方向移动lap，建立新的起始点，随后重复阶段C中步骤C1的工序，如此往复直至磨削完成整个待加工面；步骤C3：如需进行多次精加工的工艺步骤，仅需运行空行程代码返回阶段C步骤C1中的初始起始点，并将激光头5和磨削砂轮3的位置坐标向待加工表面方向移动dap精，其大小不高于dap粗，定义为新起始点，使用不大于粗加工的超声振幅A作为精加工时的超声振幅，其余条件同粗加工，并重复阶段C中步骤C1和步骤C2，直至完成硬脆材料的高质量高效低损伤的加工。

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百度查询： 大连理工大学 一种激光同步辅助超声侧面磨削硬脆材料的方法

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