一种圆弧形金刚石砂轮的修锐方法技术

本发明专利技术提供了一种圆弧形金刚石砂轮的修锐方法，所述方法包括以下径向修锐步骤：激光水束沿砂轮径向入射到整形后的圆弧形砂轮表面，激光水束以变速率的扫描速度沿砂轮轴向循环扫描，均匀去除结合剂材料使磨粒均匀出刃。本发明专利技术以水束引导高能量密度的激光束，以熔融、气化为主的方式去除砂轮材料，提出了激光水束变速率扫描的数学模型，以此保证砂轮表面结合剂去除的均匀性和磨粒出刃高度的一致性，修锐后砂轮表面形貌好、修整精度高，且水束的冷却、冲刷作用保证了修锐质量，节能环保。

A method of sharpening circular arc diamond grinding wheel

【技术实现步骤摘要】
一种圆弧形金刚石砂轮的修锐方法
本专利技术属于砂轮的修锐方法，具体涉及到一种圆弧形金刚石砂轮的修锐方法。
技术介绍
近年来，复杂曲面零件(如光学镜片、微结构模具)在国防、航空航天等领域的应用越来越广泛，对于这些多为陶瓷、光学玻璃、硬质合金等硬脆材料制成的零件，基于金刚石砂轮的超精密磨削技术是其加工的有效手段。金属基圆弧形金刚石砂轮是以金属为结合剂、金刚石为磨料制备而成的一类高效、高精、长寿命的固结磨具，它可以实现需求与应用日益广泛、而普通磨料(碳化硅、刚玉)砂轮难以胜任的各种难加工材料的高速、高效、超精密加工，是球面、非球面、自由曲面超精密磨削加工的重要工具。尽管圆弧形金刚石砂轮的硬度与强度极高，但随着加工过程的进行，砂轮表面仍不可避免会磨损或堵塞，以致磨削力增大、磨削温度上升，从而引起磨削颤振和热损伤，使得工件表面完整性受到影响。此外，磨损后的圆弧工作面也易失去正确的几何形状，由此造成的砂轮轮廓误差将直接复印到工件表面，导致工件面型精度下降。为使砂轮表面在磨削过程中能始终保持足够的锋利度和正确的几何形状，就必须定期对其进行修整。圆弧形砂轮修整技术的研究以传统的机械修整法以及电火花、激光等特种修整方法为主。公开号为CN108381398A的专利“一种摆动式超硬砂轮圆弧修整器”提出了一种可修整各种半径的圆弧形砂轮的方法。修整轮安装在电主轴上，由驱动装置实现摆动运动来修整圆弧形轮廓，并可实现修整过程中砂轮磨损量的补偿，但砂轮磨损的在线监测和实时补偿的难度较大，修整后砂轮的轮廓精度较低。公开号为CN103802039A的专利“一种凹曲面超硬磨料砂轮激光修整设备及方法”充分利用数控精密机床的高精度和计算机软件的高效性，直接建立标准砂轮标准轮廓各点与待修整砂轮的坐标对应关系，通过激光位移传感器扫描凹曲面砂轮轮廓，并与对应标准轮廓的对应点进行比较，从而判断该点是否需要修整，能够及时反馈修整信息，但仅去除了砂轮表面的高点材料，磨粒并未出刃，即仅适用于整形。公开号为CN108032222B的专利“一种砂轮双激光修整装置及修整方法”提出一种采用纳秒、飞秒激光束分别整形、修锐平行砂轮的方法，同时辅助侧向液柱流来缓解砂轮表面热损伤程度。该方法可同时进行砂轮的整形和修锐过程，虽能实现修整效率的提升，但由于砂轮转动时“气障”效应的影响，使得磨削液难以进入实际的修整区域，导致磨粒变质层的抑制效果不是很好。在相关的文献报道中，针对垂直磨削法中圆弧砂轮顶点区域的修整，陈冰等提出了一种利用磨棒端面精密修整砂轮截面圆弧顶点区域的方法，旋转的砂轮以一定的进给速度和磨削深度与旋转的GC磨棒端部对磨，随着修整过程的持续进行，砂轮安装和磨损产生的偏心和跳动会不断减小，修整后砂轮的回转误差由40μm下降到10μm。基于杯形砂轮的修整原理，柯晓龙等开发了专用的两轴圆弧砂轮修整器，能修整出圆弧半径为30～100mm的金刚石砂轮。张飞虎等人研制了摆动电极式电火花修整装置用于修整圆弧形砂轮，电极绕圆弧廓形往复摆动逐渐形成圆弧轮廓，电极磨损易补偿，但电极与工件间放电区域小，修整效率较低。由此可见，目前针对圆弧形成形砂轮的修整研究，机械法、电火花修整、激光修整法等均存在诸多的不足，且多适用于砂轮整形，目前未见针对成形砂轮修锐的文献或专利报导。因此，迫切需要一种集高修整效率、精度、质量、环境友好为一体的砂轮修锐方法来提高修锐精度、效率和质量。因此，本领域需要一种新的成形金刚石砂轮的修锐方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种圆弧形金刚石砂轮的修锐方法，以解决
技术介绍
中提出的传统的机械修整法以及激光等特种修整方法均存在修整效率较低、修整质量较差以及应用范围有限的问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括以下径向修锐步骤：激光水束沿砂轮径向入射到整形后的圆弧形砂轮表面，激光水束以变速率的扫描速度沿砂轮轴向循环扫描，均匀去除结合剂使磨粒均匀出刃。进一步地，所述步骤中，激光水束每扫描1～20次，便在线检测砂轮表面磨粒的出刃高度信息，直至出刃高度达标。进一步地，所述步骤中，合适的出刃高度为相应磨粒粒径的1/4～1/3。进一步地，所述砂轮为青铜结合剂金刚石砂轮，砂轮宽度D＝8～12mm、磨料层厚度M＝6～10mm、砂轮直径80～120mm，磨粒粒径100～140μm，圆弧形砂轮目标圆弧半径为4～8mm。进一步地，喷嘴的直径为25～30μm，实际输出的激光水束直径为20～25μm，有效工作长度为50～90mm。进一步地，所述步骤中，激光水束的能量为107W/cm2量级。进一步地，所述步骤中，激光水束以变速率的扫描速度沿砂轮轴向循环扫描的控制方法是：根据不同水束截面对应的材料体积的不同，保证砂轮圆弧的不同截面位置吸收对应体积之比的水束能量，此步骤中，砂轮材料对激光水束的吸收率Ac仅与入射角α有关，且随着入射角的增大，吸收率逐渐减小；式中f为折射率，k为消光系数；入射角α与激光水束的轴向进给深度a的关系为：式中，D为砂轮宽度，d0为激光水束直径，r0为激光水束半径，R为目标圆弧半径；建立坐标系，不同的水束截面①、②对应不同的入射角α、吸收率Ac以及需去除的结合剂体积W1、W2，砂轮表面在水束截面①处吸收的能量记为E1，在水束截面②处吸收的能量记为E2，其中，式中，P为激光束的输出功率，β为水束对激光的衰减系数，其值为0.09，T为砂轮表面至激光水束喷嘴孔的距离，Dsl为砂轮直径，v为水束轴向进给速度；通过控制激光水束的扫描速度使水束重叠，使各水束截面内砂轮表面材料吸收对应材料体积的能量，即：整理得：因此，得到激光水束扫描速度与入射角的关系如上式所示，根据入射角与激光水束轴向进给深度a的关系，可得到激光水束扫描速度与轴向进给深度之间的关系，从而达到控制水束扫描速度，均匀去除结合剂材料的目的。本专利技术的有益效果包括：1、修锐效率高。本专利技术采用的微水导加工技术是以水束引导高能量密度的激光束去除砂轮材料，材料去除方式以熔融，气化为主。切向整形时，激光水束以一定的切削深度沿砂轮轮廓走刀，采用较高的水束能量能快速去除砂轮表面突出的材料，快速改善砂轮圆跳动误差大的表面状况，提高整形效率。径向修锐时，激光水束直接沿砂轮轴向进给，以较小的水束能量去除一定深度的结合剂材料使磨粒出刃。微水导激光加工“无焦点”的加工特点，无需离焦量的控制，使其能在保证结合剂材料均匀去除的同时实现修锐效率的提升。2、修锐后砂轮表面形貌好、修锐质量高。微水导加工的水束能量分布是均匀的，能保证砂轮材料的均匀去除，提高结合剂表面平整度和磨粒出刃高度的一致性。此外，水束除引导激光束到加工材料表面，还起着冷却、带走烧蚀熔融物、降低砂轮表面热损伤的作用，被去除的材料碎屑及其产生的热量由水束流迅速带走，大大降低砂轮表面的热积累，减少热应力裂纹的产生。3、修锐精度高。成形砂轮的修整精度包括轮廓精度以及成形轮廓在砂轮表面的相对位置精度，水导激光精细、低热损伤的加工方式能保证成形砂轮修整的轮廓精度，排屑顺畅，修整后砂轮表面熔融物附着很少。除此之外，水导激光修整时的对刀精度较高，激光水束走的轨迹与成形砂轮轮廓能高精度吻合，减小修整成形的轮廓在轴向和径向的偏差，能够保证成形轮廓在砂轮表面的相对位置精度。4、环保。传统的机械法、电火花等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆弧形金刚石砂轮的修锐方法，其特征在于，所述方法包括以下径向修锐步骤：激光水束沿砂轮径向入射到整形后的圆弧形砂轮表面，激光水束以变速率的扫描速度沿砂轮轴向循环扫描，均匀去除结合剂使磨粒均匀出刃。

【技术特征摘要】
1.一种圆弧形金刚石砂轮的修锐方法，其特征在于，所述方法包括以下径向修锐步骤：激光水束沿砂轮径向入射到整形后的圆弧形砂轮表面，激光水束以变速率的扫描速度沿砂轮轴向循环扫描，均匀去除结合剂使磨粒均匀出刃。2.根据权利要求1所述的修锐方法，其特征在于，所述步骤中，激光水束每扫描1～20次，便在线检测砂轮表面磨粒的出刃高度信息，直至出刃高度达标。3.根据权利要求1或2所述的修锐方法，其特征在于，所述步骤中，合适的出刃高度为相应磨粒粒径的1/4～1/3。4.根据权利要求1所述的修锐方法，其特征在于，所述砂轮为青铜结合剂金刚石砂轮，砂轮宽度D＝8～12mm、磨料层厚度M＝6～10mm、砂轮直径80～120mm，磨粒粒径100～140μm，圆弧形砂轮目标圆弧半径为4～8mm。5.根据权利要求1所述的修锐方法，其特征在于，喷嘴的直径为25～30μm，实际输出的激光水束直径为20～25μm，有效工作长度为50～90mm。6.根据权利要求1所述的修锐方法，其特征在于，所述步骤中，激光水束的能量为107W/cm2量级。7.根据权利要求1所述的修锐方法，其特征在于，所述步骤中，激光水束以变速率的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓辉，徐洲，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43