激光去毛刺和倒角的方法和系统与流程

1.本公开涉及激光技术领域，并且更具体地，涉及一种激光去毛刺和倒角的方法和系统。


背景技术：

2.如图1所示，去毛刺是对可以由铝、钢和其他种类的金属制成的物体的粗糙边缘进行平滑的工艺。因此，毛刺是由常见的制造方法(例如，切割、钻孔、磨削、铣削、剪切、焊接、冲压和雕刻等)导致的缺陷或突起。毛刺也可能是部件磨损的结果。
3.毛刺不仅会使产品看起来不好，而且还会对成品的功能产生重大影响，这样降低质量甚至成为安全隐患。毛刺的存在会干扰其他修整工艺(例如，粉末喷涂和电镀)的应用。因此，去毛刺对于确保部件的质量和功能至关重要。放任不管的话，毛刺可能会给制造商带来潜在的高成本问题。那么，不足为奇的是部件的去毛刺和边缘修整可能会占部件成本高达30％。
4.存在5种常见级别的毛刺。从级别1到2，毛刺非常小，通常可以容易地被去除。级别为3的毛刺也很小，但需要更大程度地使用修整工具才能被去除。级别为4和5的毛刺非常大，对金属具有较强的附着力，并且需要大量精力和使用去毛刺工具才能去除。
5.技术人员已知的去毛刺工艺很多。某些工艺可以分组为所谓的接触去毛刺类，并包括手动去毛刺、机电去毛刺、振动修整和滚桶抛光(barrel tumbling)。所有这些方法都涉及与要被去毛刺的表面接触的去毛刺工具。
6.手动去毛刺是灵活且节约成本的，但它需要大量的时间投入，这使其不适合用于修整大量部件。机电去毛刺是将电流与盐或乙二醇溶液结合使用以溶解毛刺。机电去毛刺对于需要在难以触及的地方进行去毛刺的小型精密部件很有用。振动修整涉及将部件与液体和磨料成分(例如，陶瓷、塑料或钢修整介质)的混合物一起放置在旋转桶或振动碗中。当机器旋转时，介质会以开瓶器运动的方式连续摩擦部件，以去除锋利的边缘和其他金属缺陷。滚筒抛光包括将一个或多个工件放置在抛光滚筒中，该抛光滚筒以高速旋转以将工件一起擦拭(brush)并达到所期望的修整度。通常，已知接触去毛刺技术存在一些问题，包括由于接触工具的过度磨损而引起的大量消耗成本、以及与复杂轮廓(特别是具有隐藏角的轮廓)相关联的困难。
7.实际上，上述所有接触工艺都可以被机器人化。尽管传统的非自动化非接触式工艺所面临的问题仍然存在，但是由于大量机械和电子组件急剧增加，机器人化增加了结构和功能的复杂性。实际上，由于必须对去毛刺工具进行编程以接触工件(例如，轮毂角)，因此必须非常精确地编程和控制机器人系统的工艺路径和机械运动，而没有任何干扰。否则，这样的机器人系统将存在严重的机械干扰问题，这可能会导致工具崩溃。此外，为了保护运动轴，还必须将协作力分析系统集成到整个组件中，这会带来附加的复杂性和维护。
8.另一组去毛刺工艺可以基于其非接触性质而被分组在一起，例如各种电化学方法。然而，后者可能需要后处理以去除各种残差。
9.非接触式去毛刺工艺的另一示例(激光去毛刺)是本公开的主题。先进的激光技术的所有优点都可以用于激光去毛刺，因为它本质上是激光处理的应用。由于激光加工是一种无工具的非接触式工艺，因此只要要被激光处理的材料的热性能和足够的工艺控制是充足的，它就可以提供非常灵活的加工操作。
10.因此，激光加工没有接触工艺的上述缺点中的至少一些缺点。显然，这种技术的使用导致极少或没有消耗品。在激光加工期间，可以灵活调整激光束路径以提供期望的倒角。与实施上述传统机械方法中的一些方法的系统相比，基于激光的去毛刺系统由于结构相对简单而易于操作。
11.在ru2695092(c1)中公开了一种已知的激光去毛刺，ru2695092(c1)教导了一种从钛合金切割冲压锻造件的废料(dross)的方法。所公开的方法包括由功率为15kw至50kw的连续波(cw)镱(yb)光纤激光器伴随着在20bar至30bar的压力下60m/h至90m/h的工艺气体流速来切割工件。切割速度保持在600mm/min至1，200mm/min，且工艺气体包括氩气和/或氮气。该方法还提供对所切割的工件部件进行修边，该修边是以至多55mm的厚度废料(thickness dross)进行的。然而，如此处理的部件具有锋利的边缘，这在各种工业应用中是不可接受的。
12.图2示出了在ru2543222中公开的已知的基于激光的去毛刺系统之一，ru2543222教导了对限定在两个正交面3和4之间的玻璃边缘2进行加工的方法。因此，两个正交面都被退火。对两个面的激光处理都要求激光束1相对于面3的平面以角度中入射到玻璃边缘2上。然而，此要求可能有两个有害后果。首先，由于金属毛刺往往会反射激光辐射并阻碍被照射金属的熔化，因此它对于具有锋利毛刺的金属边缘进行激光处理可能是无法接受的。其次，该要求需要专门配置的工作环境，该环境可能不容易获得。
13.usp 10442719公开了一种通过结合使用连续波(cw)co2激光器和ps脉冲激光器对各个部件的边缘进行倒角处理的方法。能够实现高达100μm熔化深度的cw激光器是用于较粗糙表面(例如，通过切割、铣削或腐蚀加工形成的表面)的明智选择。相比之下，具有ps脉冲持续时间和几微米熔化深度的脉冲激光器是用于加工低粗糙度的表面的普遍选择。然而，用于处理毛刺的脉冲激光器的效率令人质疑。同样，该参考文献似乎教导了将激光束聚焦在边缘上，其具有以上刚刚所述的这种技术的所有缺点。
14.因此，需要克服已知现有技术的缺点的激光去毛刺工艺。
15.还需要实施本发明的工艺的激光去毛刺系统。


技术实现要素：

16.本发明的构思利用仅聚焦在两个工件侧面中的一个侧面上的摆动的激光束，所述两个工件侧面之间限定了工件的锋利毛刺边缘。摆动的激光束最初会在辐射影响区域(raz)内熔化材料。随着熔化的材料冷却，它形成弯曲的光滑倒角边缘。
17.根据本公开的一个方面，本发明的激光去毛刺工艺包括：将高能摆动的激光束聚焦在工件的一个侧面上，从而熔化raz内的材料，该raz包括锋利锯齿边缘或靠近锋利锯齿边缘终止，这取决于指定的倒角宽度。raz内的材料被液化以形成熔池。液化材料产生的热量被传递到边缘，从而使毛刺融化。当激光束沿边缘连续行进时，液化的材料几乎立即冷却并固化，从而沿边缘的整个长度形成使边缘倒角的弯曲表面层。
18.根据上述方面的方法的一个特征，激光束在横向于(transverse to)光束沿着锋利边缘的位移方向的平面内摆动。摆动幅度被确定并控制为使得为raz提供期望的宽度，并防止激光束传播到边缘之外(精确定位激光束到材料边缘位置)。换句话说，选择摆动幅度，使得raz位于边缘的旁边(整个边缘区域)，即，与边缘接壤或包括边缘。然而，激光束(整个加工路径)决不会被引导超出边缘。
19.根据一个方面的方法的另一特征包括：控制沿着边缘的激光束位移的速度以及摆动幅度和频率。这些参数和其他参数可以根据要被激光处理的材料、边缘轮廓、raz的宽度和其他局部要求而可控地改变。
20.本公开的另一方面涉及一种实施本发明方法的激光去毛刺系统。根据该方面，本发明系统是模块化的。这些模块包括高功率激光源、摆动的激光头和多轴机器人。激光头配置有光束引导和聚焦光学器件，该光束引导和聚焦光学器件被配置为将光束聚焦在工件在raz内的表面上并摆动光束。
21.本发明的系统是自动化的，因此具有计算机，该计算机执行用于控制和调整系统模块的众多参数的软件。尽管这些模块各自可以具有专用计算机，但是优选地，仅一台机载计算机管理整个系统。
22.如本领域普通技术人员容易认识到的那样，所公开的方法仅能通过本发明的激光系统来执行。这两个方面的特征是可互换的，并且可以以彼此的任意可能的组合来利用。
附图说明
23.下面参考附图讨论至少一个实施例的各个方面，这些附图并非意图按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，但并不旨在作为对任何特定实施例的限制的定义。附图以及说明书的其余部分用于说明所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相似的附图标记表示。为了清楚起见，并非在每个附图中标记出每个组件。在附图中：
24.图1示出了去毛刺构思。
25.图2示出了一种已知的激光去毛刺方法。
26.图3a至图3c示出了本发明的工艺。
27.图4是被配置为执行图3a至图3c的工艺的本发明激光去毛刺系统的示意图。
28.图5a至图5c示出了图4的系统的相应激光源、激光头和机器人组件。
29.图6a至图6b示出了在被图4的本发明系统处理之前和之后的铝合金轮毂。
30.图7a至图7b更详细地示出了激光处理之前和之后的图6a至图6b的轮毂的一部分。
31.图8a至图8b示出了尺寸不同的倒角边缘。
具体实施方式
32.本公开的方面包括激光去毛刺的方法和执行所公开的方法的系统。本发明的方法和系统克服了或以其它方式解决了已知的去毛刺技术和设备所面临的问题。尽管在下面的描述中基于例如铝合金轮毂的金属工件公开了本发明的构思，但是可以根据所公开的方法和系统有效地处理其他金属(例如，不锈钢、钛等)，而无需对冶金和激光领域的普通技术人
员显而易见的结构修改或者仅需最小的结构修改。类似地，可以使用受到略微改动(如果有的话)的所公开的方法和系统对塑料或玻璃制的工件进行去毛刺。此外，用于生产稍后通过本发明方法和系统进行处理的工件的方法可以包括但不限于切割、钻孔、磨削、铣削、剪切、焊接、冲压、雕刻、铸造等。
33.图3a至图3c示出了用于对工件25的边缘进行去毛刺和倒角的本发明工艺的顺序步骤。工件25不限于任何特定的形状，并且可以具有带有无限多种不同边缘轮廓的无数规则和不规则几何形状。不管工件的具体形状如何，多个工件侧面(例如，侧面20和30)都沿着边缘15彼此邻接。边缘15具有不期望的突起或毛刺10，将通过利用本发明方法来去除这些突起或毛刺。后者由基于激光的系统执行，该系统以下面公开的方式产生激光束50。
34.具体地转向图3a，本发明工艺的初始步骤包括用激光束50辐射侧面30。如下面将说明的，光束50聚焦在侧面30的表面上，并在如双头箭头od所示的方向od上摆动，方向od横向于沿边缘15引导激光束50的方向。当光束15摆动时，它会在raz中形成一个材料熔池，该raz的宽度会比光束的摆动幅度稍大，以热传导通过该材料。通过吸收激光辐射产生的热量被传递到毛刺10，由此毛刺10被熔化。选择和控制摆动幅度，使得光束50在od方向上不被引导超过在边缘15上形成的毛刺10，即，被精确定位到所述具有毛刺的边缘。换句话说，工件25的侧面20不被直接照射。
35.如图3b所示，当激光辐射被raz中的材料吸收时，材料被迅速加热到熔池中，这是通过受控的激光束参数(例如，激光束功率、摆动幅度和摆动频率)实现的。当材料在熔池中熔化时，热量被传递到毛刺10，由此毛刺10熔化。通常，在指定的倒角宽度的情况下，通常选择与raz相对应的摆动幅度，使其最多比倒角宽度(wch)稍大。然而，优选地，摆动幅度是指定wch的1/2。基于前述内容，摆动幅度可以在0.5wch至1.5wch的范围内变化，当然，前提是光束不入射在限定边缘的侧面之一上。摆动频率取决于激光源功率和加工速度。
36.图3c示出了熔化材料快速冷却并固化的步骤。碰巧的是，材料由于熔化区域的表面张力而池化(pooling)，并且在基板表面上积聚成球。结果，在本发明的工艺中，当在与振动方向od垂直的方向上沿边缘连续地引导激光束50时，固化材料的略微凸起的光滑弯曲层40沿其整个长度对边缘15进行倒角。
37.图4示意性地示出了本发明系统的操作原理，该系统被配置为执行用于对工件25的边缘15去毛刺的上述方法。该系统配置有激光头70，该激光头70将激光束50聚焦在例如工件25的顶侧面30的表面上。工件25的侧面30和侧面20可以彼此正交或它们之间以与右侧不同的角度延伸。不管该角度如何，侧面20和30邻接以限定细长的边缘15，该细长的边缘15由于工件制造方法而可能过于锋利和/或沿其长度形成有毛刺10。激光头70被定位成不像上文所讨论的现有技术所教导的那样将激光束50引导到边缘15上，而是引导到侧面30的raz上，raz与边缘15接壤并且可以包括边缘15。光束50的入射角被示出为相对于侧面30的平面大致等于90
°
。然而，该角度可以略微偏离90
°
，尽管该角度不会改变本发明系统的基本配置，但可能会影响本发明方法的效率。
38.图5a至图5c示出了本发明系统的各个基本组件。具体参考图5a，激光源80优选地是高功率cw yb光纤激光器，其被配置为在w至kw功率范围内产生激光束50。功率可以根据工件25的材料、其厚度和毛刺大小而可控地改变，并且可以低至100w。功率上限仅受光束乘积参数(bpp)限制。例如，如果需要单模(sm)光束，功率可以在较高bpp的情况下达到5kw、
20kw，或者如果需要的话可以达到更高功率。例如，通过本发明系统对图6a和图6b的铝合金轮毂110进行了试验，该系统具有sm光纤激光器80，其输出功率在2kw和6kw之间。如果光的质量不是很关键，那么连续波多模激光器可以在相对较好的bpp的情况下产生实质上更高的输出。
39.激光源80也可以在与cw激光器相同的功率范围内的平均脉冲功率为特征的准连续波(qcw)或脉冲制式下以不同的效率程度操作。如果已知任何给定的材料可以在1μm波长范围之外的波长处得到更有效的处理，则波长甚至也可以不同。此外，激光源80可以包括固态激光器和co2激光器的所有配置。
40.激光源80通常设置有机载计算机90，其优选地但非必需地控制所有基本系统组件(激光源80、激光头70和机器人100)的参数，如图5a至图5c中的虚线所示。备选地，基本组件中的每一个可以具有其自己的专用计算机。计算机的存储器可以包含各种激光源相关参数以及激光头相关参数，例如光束功率、振荡幅度和频率、焦距。因为激光头被支撑在机械臂上，因此激光头的运动类型、其速度和沿边缘15的位移轨迹仅是图5c的机器人100的几个示例性受控参数。在具有多个控制反馈回路的情况下，可以根据边缘几何形状、要被激光处理的材料以及raz的期望尺寸来实时调整所有参数。
41.参考图5b，激光头70与未示出但在wo/2016/205805(其内容通过引用整体并入本文中)中详细公开的光束引导和聚焦光学器件组装在一起。该参考文献教导了具有两个检流计(galvanometers)或其他传动器(actuator)的摆动激光头70，该检流计或其他传动器被配置为使各个反射镜相对于彼此成角度地移位。反射镜形成沿边缘15在横向于光束位移方向的平面内摆动的光束50。选择摆动幅度，使得摆动光束50不被引导超过边缘15。换句话说，工件25的侧面20不被直接照射。
42.激光头70(图5b)被用于涉及铝合金轮毂110的实验中，并被配置为提供激光束50的振荡。根据一组参数，用在连续波(cw)制式下操作的2.5kw至3kw多模(mm)光纤激光器对轮毂110进行加工，该多模光纤激光器的摆动频率在100hz至2khz之间变化、摆动幅度在0.1mm至5mm之间变化、加工速度为60mm/s至100mm/s。另一组参数包括3kw至6kw cw mm激光器、摆动频率100hz至2000hz、幅度为0.5mm至5mm、加工速度约100mm/s至300mm/s。通常，光源的功率越高，加工速度就越高。
43.图5c示出了示例性多轴机器人100。它包括支撑和引导激光头70的臂105。类似于激光源80和激光头70的配置，机器人100的配置可以具有无限多种不同的设计，只要执行每个系统组件所需的功能即可。机械臂105允许对在各种不同平面中延伸并具有各种边缘轮廓的边缘进行去毛刺和倒角处理。例如，参加用轮毂110进行实验的机器人100被配置为以在100mm/秒至300mm/秒范围内变化的速度沿边缘15移位激光头70。控制速度以提供激光头70的同时振荡和线性/旋转运动。线性和/或旋转运动取决于边缘几何形状，该边缘几何形状可以包括笔直、弯曲和更复杂的轮廓。
44.现在转到图6a和图6b，如上所述，对图6a的铝合金轮毂110测试了本发明的方法和系统，该铝合金轮毂110具有多个辐条120，它们从毂芯(hub)130径向地延伸。众所周知，车轮最初被车削。车削后，许多边缘(例如，各个辐条120的后边缘)是锋利的且呈锯齿状。传统的自动化去毛刺方法在处理车轮的至少某些区域(包括例如辐条120和毂芯130之间的拐角)方面效率低下。
45.如图6b所示，已证明所公开的工艺克服了与传统方法相关联的某些困难。特别地，辐条120被示出为具有边缘之一——尚未根据本发明的方法被倒角的边缘140。相反，另一边缘150已经被激光处理。可以看出，处理过的边缘150被倒角并且没有毛刺。实验表明，仅对轮毂110的锋利拐角局部加热，这意味着车轮的整体温度已升高至小于60℃至100℃(客户所需的温度范围)。实际上，整个轮毂110的整体温度已经升高小于10℃，这满足了加工要求并且不影响轮毂的结构强度和其他性能。
46.图7a和图7b示出了具有边缘150的放大图像的相应样本a和b，其中图7a示出了在进行本发明工艺之前的具有毛刺10的边缘。图7b示出了在本发明的激光处理之后使边缘的锋利度平滑的固化材料的无毛刺的弯曲层40。
47.图8a和图8b示出了分别具有根据本发明方法激光处理的无毛刺的平滑边缘的各个样品a和b。这些样本之间的唯一区别是：样本a具有2.5mm宽的raz，而样本b具有2mm宽的raz。
48.由此已经描述了至少一个实施例的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。每个方面的所有公开特征可以组合在一起或以任何期望的组合使用。以上公开的操作参数是示例性的，并且可以在不包括本公开的发明范围的情况下根据需要进行可控制地改变。因此，前面的描述和附图仅作为示例。