激光辅助铣削加工样机的研发

激光辅助铣削加工样机的研发

杨劭元1、方正毅1、张敏1、成焕波1、雷明理2

1 南京工程学院机械工程学院， 江苏 南京，211167 2 卓越（苏州）投资有限公司， 江苏 苏州，215300

摘要：本研究以企业技术需求为依托，深入探索现有激光辅助铣削加工技术，旨在为进一步的技术发展提供支持。在综合调研的基础上，我们明确了激光辅助铣削加工样机的技术参数与设计原则。依据这些准则，我们精心设计并制造了样机，其性能达到了设计标准。为验证样机研发成果，我们进行了一系列加工工艺试验，试验结果充分证实了样机的合理性与稳定性。

关键词：激光辅助；铣削；加工样机

作者简介：

杨劭元（2001-），男，江苏扬州人，南京工程学院机械工程学院，本科生，主要研究方向：机械工程，先进制造技术；（南京 211167,电话：15151838455）

基金项目：本文系南京工程学院教学建设项目（JXJS2023043）、安徽省高等学校科学研究重点项目（2022AH051068）资助的研究成果。

前言

在当代工业制造中，激光辅助机械加工技术正逐渐成为一项备受瞩目的先进加工技术。这项技术涵盖了诸如激光辅助车削、磨削、钻削和铣削等多种领域。通过在机械加工过程中或加工前利用激光对工件进行处理，可达到软化工件表面或诱发相变的效果，从而降低加工阻力，优化加工过程，提高加工效率与改善加工结果。铣削加工作为一种常见且复杂的加工方式，在实现对复杂形状零部件的加工方面具有独特优势。然而，在铣削加工中引入激光辅助却面临一定挑战。这主要因为在铣削过程中，铣刀需要在自身旋转的同时完成机床坐标XY方向和Z方向的进给运动，这导致激光难以准确照射到铣削区域。针对这一挑战与需求，我们的合作企业积极认可激光辅助铣削技术的前景，并委托我们进行了激光辅助铣削加工样机的研发项目。

一、激光辅助铣削加工样机的需求

在经过文献、专利、市场调研的基础上，对激光辅助铣削机工样机提出了需求：

1、激光辅助铣削加工样机重量小于5000Kg；

2、样机整体体积小于3000mm*3000mm*3000mm，加工工件尺寸大于400*400*400mm；

3、样机方案制造的成本低于100000元；

4、样机尽量采用现有零部件和系统，采用模块化设计，便于制造、安装与维护；

5、样机结构方面避开现有专利；

6、样机结构方面尽可能简单，实用，扩展性好，方便安装各种传感器、检测设备等，利于实验的进行和中间数据的采集；

7、特别关注高速主轴、切屑和激光等的安全性和屏蔽作用，确保对环境和操作者的安全具有有效保障。

二、激光辅助铣削加工样机的设计

针对上述需求，本团队对激光辅助铣削加工样机进行设计，具体方案如下：

1、数控系统：为降低成本，缩短开发周期，便于安装与调试，本激光辅助铣削加工样机的数控部分采用Mach3数控系统，Mach3具有良好的人机界面，简单易用，且有多个输入输出接口，可自定义宏代码，方便后续激光部分的控制嵌入Mach3中，实现一体化控制。

2、激光器：激光器选用HB-W2000型手持激光焊接机，功率2000w，大于常见实验参数中最大的750w，可以实验更加广泛的参数；光斑直径小于1mm，方便聚焦后使用；手持式激光头方便固定在主轴上进行使用；焦距为5cm、15cm、25cm可切换，考虑主轴的长度，这里选取的事25cm的焦距，调节后聚焦在铣刀刀尖位置，达到较好的能量集中效果。

3、主轴系统：激光辅助铣削加工样机中，主轴系统需要实现旋转铣削，并叠加激光进行辅助的功能，是样机制作中难度最大，复杂程度最高的部分。目前常见的主轴系统为铣刀侧通激光、铣刀中心通激光的方式，也有在透明铣刀中通入激光的方式，本样机的主轴系统避开现有专利，由团队进行创新设计。

4、机床床身：本样机采用小型HY6040开式铣床。原工作行程为583(X)mm * 420(Y)mm * 145(Z)mm，但仅Z轴行程无法满足需求，因此我们对Z轴的丝杠滑台等进行更换，以使行程达到400mm。床身支架选取尺寸为150cm*150cm的隔振台，其上设有矩阵式安装孔，方便安装床身与防护罩等配件。

5、防护罩：为方便操作与保证安全，防护罩设计为三层结构：最内层采用防水透光帘，旨在防止切削液飞溅。中间层使用2mm厚度的折弯钢板，旨在避免高速转动的铣刀断裂崩出，同时防止激光折射对周边造成伤害。最外层采用2020铝型材框架搭配4mm厚度亚克力板，实现全封闭结构，同时设计为三面全开门结构，以便于样机各个组件的拆装与调试。。

设计方案图如图1所示。

图1 激光辅助铣削加工样机设计方案 图2激光辅助铣削加工样机

三、激光辅助铣削加工样机的成品及测试

根据上述设计方案，本团队完成了激光辅助铣削加工样机，并呈现如图2所示。该样机已成功实现设定的功能，并经过调试与激光辅助铣削加工实验测试。该样机具备三项可设置的激光参数，激光最大功率2000W，激光功率、激光频率和激光脉冲占空比；主轴最大功率为750W，转速可调节范围为0-6000rpm；在铣削方面，用户可依据编辑的G代码设置任意铣削路径，并控制进给速度及单层铣削深度。

在样机测试中，团队根据上述参数设计了实验，并成功进行了螺旋铣孔试验。实验过程中，我们观察了切削力、刀具损耗以及工件表面质量等受试验参数变化的影响，为后续的加工工艺分析奠定了基础。试验后的工件展示如下图3所示。

图3 激光辅助铣削加工的工件

五、结束语

针对激光辅助铣削加工样机的开发需求，团队展开了调研工作，明确设计参数并完成了样机结构设计。在设计方案的指导下，团队顺利进行了样机整机的研发工作。该样机具有良好的结构模块性，易于安装、维护和调试，同时试验设计灵活多变。经过激光辅助铣削的试验验证，显示出试验过程的稳定性，并成功展现了该样机研发的成果。

参考文献

[1]温秋玲,杨野,黄辉,等. 激光复合加工硬脆性材料研究进展综述 [J/OL]. 机械工程学报, 1-21[2024-04-25]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20240321.0832.010.html.

[2]刘鑫,张俊,徐斌斌,等. 激光辅助铣削过程的预热温度场调控方法研究 [J/OL]. 机械工程学报, 1-11[2024-04-25]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20240314.1457.019.html.

[3]许金凯,翟昌太,侯永刚,等. 一种电感耦合激光辅助铣削加工装置及方法[P]. 吉林省: CN202011006256.5, 2023-04-11.

[4]许金凯,刘启蒙,张向辉,等. 一种用于加工中心的激光辅助铣削装置及其操作方法[P]. 吉林省: CN201910066008.0, 2019-04-09.

[5]张小俭,陈丁,丁汉,等. 激光预热辅助车削调整装置及激光预热辅助车削系统[P]. 湖北省: CN201710565816.2, 2019-03-05.

[6]安庆龙,李晗,陈杰,等. 陶瓷基复合材料多能场辅助高效低损伤铣削加工工艺 [J]. 航空制造技术, 2023, 66 (14): 40-51. DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.14.040.