[發明專利]一種帶有雙切向液柱流的砂輪激光修整裝置及其修整方法

無效

• 申請號: 201310593721.3
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103624683A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 陳根余;蔡頌;周聰;陳洪星;周興才;何杰;鄧輝;張玲;陳俊;張勇;王大偉;杜晗
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B24B53/06
• 分類號: B24B53/06
• 代理公司: 北京康盛知識產權代理有限公司 11331
• 代理人: 張良

技術領域

本發明涉及的是一種超硬磨料砂輪修整裝置及修整方法，特別涉及一種帶有雙切向液柱流的砂輪激光修整裝置及其修整方法。

背景技術

超硬磨料砂輪是指立方氮化硼和金剛石砂輪，它具有極高的硬度，抗磨損能力強，但由于它具有極高的硬度致使修整非常困難。因此，為了使超薄超硬材料砂輪在切削過程中能保持幾何形狀的正確性和磨粒的銳利性，就需要對其進行定期修整。傳統機械修整法如圖1所示（如車削法、擠壓法、滾壓法）都是基于力的“硬碰硬”的作用，因此都存在致命缺陷，即效率及其低下，修整工具損耗嚴重，磨粒表面易造成機械損傷，同時修整工具的形狀誤差容易復映到被修整砂輪的工作表面上去，且不同的曲面的砂輪需要不同的修整工具，修整成本高。雖然一些國內外學者改進砂輪的修整方法如：電火花修整法、電解修整法（ELID）等克服了傳統修整法在某些方面的不足，但或多或少仍然存在著效率低、適應性窄、修整工具損耗大、對環境不友好及難以實現控制自動化等缺點，這限制了它們的進一步推廣和應用。

超硬磨料砂輪激光修整技術集激光技術、材料加工技術、傳感器技術、精密磨削技術及計算機技術于一體，是一門多學科交叉的邊緣學科和新興的先進修整技術。該技術其實質是基于脈沖激光燒蝕機理，將聚焦高能脈沖激光束輻照于勻速轉動的砂輪表面，利用聚焦激光束這把基于熱力學效應的非接觸式“刀具”，對砂輪表層復合材料（磨粒，結合劑等）進行微量“切削”加工，并使超硬磨粒突出在結合劑之外形成切削刃，最終實現超硬磨料砂輪的修整加工。與傳統機械修整法相比，激光修整方法作為一種非接觸式的砂輪修整技術，避開了機械力的直接作用和硬接觸，具有適用性廣、熱影響區小、無修整工具損耗、高靈活性及高可控性等優勢，是一種精度和效率高、設備成本低的綠色修整技術，如圖2所示。

已有的技術，如金澤大學A.Hosokawa研究了輔助側向吹氣、脈沖寬度和重復頻率、砂輪旋轉速度等工藝參數對激光修整后砂輪表面地形地貌的影響，通過工藝參數的良好匹配加工得到了表面質量良好的青銅金剛石砂輪。實驗發現，當激光功率較高時，砂輪表面可以觀察到明顯的微裂紋和石墨變質層等缺陷；若激光功率較低，則可以有效地避免缺陷層的產生。對比分析了激光修整與碳化硅砂輪修整的青銅金剛石砂輪的磨削性能，發現兩者修整后的砂輪在磨削過程中產生的法向和切向磨削力幾乎相等。影響砂輪表面質量主要表現在微裂紋和石墨變質層等缺陷，在上述方法雖然取得了一定的修整效果，但在高功率激光加工時，無法避免的出現了微裂紋和石墨變質層等缺陷，影響了表面質量，且與實際要求還有很多大差距。

發明內容

為了克服已有技術的不足和缺陷，發明一種帶有雙切向液柱流的砂輪激光修整裝置及其方法，在砂輪修整中首次運用水液冷卻效果，加以乳化液體，在砂輪表面形成一層液態薄膜，提高液體的表面蒸發，擴大接觸散熱，促進輻射熱交換作用下，采用雙切向液柱流方法，抑制砂輪表面在高功率激光燒蝕作用下的相爆炸的發生，減少飛濺的再次凝固，避免堵塞凹坑，抑制了超熱層中固液相界面在脈沖激光結束后的移動，抑制能量累積效應，同時避免高功率激光燒蝕下結合劑和磨料出現的二次熱傳導產生的微裂紋和石墨變質層等缺陷，從而提高修整后的表面質量。

本發明的技術方案是提供一種帶有雙切向液柱流的砂輪激光修整裝置，包括計算機控制設備，控制操作平臺，光纖激光器，激光燒蝕頭，三維移動平臺，超硬磨料砂輪，磨床，下切向細水管，下切向液柱壓力控制器，右切向細水管，激光束，下切向液柱流，右切向液柱流，右切向液柱壓力控制器，聚焦透鏡，其特征在于：

超硬磨料砂輪安裝在可控磨床上，通過磨床帶動砂輪轉動，激光燒蝕頭固定在三維移動平臺上，按徑向方向水平放在砂輪左邊，聚焦透鏡安放在激光燒蝕頭與超硬磨料砂輪之間，三維移動平臺由計算機控制設備控制，可在X、Y、Z的三維方向移動，激光燒蝕頭固定后由三維移動平臺控制，控制操作平臺可以控制光纖激光器的功率密度和脈沖頻率，從而對砂輪分別進行軸向和徑向燒蝕，雙切向細水管分別對準超硬磨料砂輪的下切向和右切向，由進液壓力控制器控制出液液柱壓力，液柱流沖擊超硬磨料砂輪表面；在修整過程中，通過進水壓力控制器分別控制雙切向液柱流的液柱壓力，其中，下切向液柱流形成液膜，右切向液柱流用于快速冷卻，通過下切向液柱壓力控制器控制沖擊壓力小于右切向液柱壓力控制器控制沖擊壓力。

本發明的有益效果是：

1）采用本發明提出了輔助雙切向液柱流裝置能有效避免結合劑和磨料出現的二次熱傳導產生的微裂紋和石墨變質層等缺陷，提高修整質量。