專利名稱：激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬結(jié)合劑金剛石砂輪修整方法，進一步是指采用激光與機械復 合修整而實現(xiàn)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的精密整形和修銳的方法。
背景技術：
金屬結(jié)合劑金剛石砂輪具有異常優(yōu)良的磨削性能，在難加工材料的磨削、精 密超精密磨削、成形磨削、高效磨削及磨削自動化中有廣泛的應用前景。近年 來，由于砂輪制造、數(shù)控精密磨床等相關技術得以突破，這種砂輪應用急劇增 加。由于這種砂輪本身特性，修整很困難，修整精度難保證，使得磨削效率、 精度、質(zhì)量受到較大影響，嚴重影響了其優(yōu)良磨削性能的充分發(fā)揮，是其進一 步推廣應用的瓶頸問題和數(shù)控精密磨床中的關鍵技術難題。
金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的修整通常分為整形和修銳兩道工序:整形是對砂 輪進行微量去除，使砂輪達到所要求的幾何形狀精度；修銳是通過去除砂輪磨 粒之間的結(jié)合劑，使磨粒凸出結(jié)合劑一定的高度，形成切削刃，同時產(chǎn)生足夠 的容屑空間。砂輪整形精度的高低決定了所加工工件的尺寸精度。
金剛石是目前最硬的材料。傳統(tǒng)的完全基于力的機械修整方法很難適應金 屬結(jié)合劑金剛石砂輪修整。目前較成熟的在線電解修銳法修整金屬結(jié)合劑金剛 石砂輪僅能進行修銳，不能進行整形，對微粉級以上砂輪的修整精度很難達到 要求。為此，尋找一種適合金屬結(jié)合劑金剛石砂輪既能整形又能修銳的新方法， 成為各國學者研究的目標和熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是，針對現(xiàn)有技術中金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的修整極 其困難的問題，提出一種激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方法， 該方法對所述砂輪既能實現(xiàn)精密整形，同時又能進行修銳，從而獲得良好的地 形地貌；滿足高效、精密磨削的要求。
本發(fā)明的技術方案是，采用聚焦后功率密度達到去除金剛石功率密度閾值 3X108 W/cm2以上高功率密度脈沖激光，實施以下工藝步驟
(1) 針對金屬結(jié)合劑金剛石非成形砂輪，通過聚焦透鏡將激光束聚焦， 垂直砂輪磨削面照射；
(2) 旋轉(zhuǎn)砂輪，通過千分表測量砂輪圓跳動，調(diào)整激光焦點位置，使焦 點落在圓跳動最大處；
(3) 調(diào)整激光參數(shù)，使得砂輪圓跳動跳動最大處達到所述去除金剛石功 率密度閾值，從而去除金剛石和金屬結(jié)合劑；
(4) 所述砂輪沿軸向往復進給，同時砂輪作回轉(zhuǎn)運動，經(jīng)過若干次燒蝕， 直至其圓跳動最大處附近金剛石磨粒部分被整顆剝離、部分被微量去除、部分 因為結(jié)合劑去除而失去把持力；
(5) 接著，使用具有明確刀尖的單晶金剛石筆或碳化硅滾輪對所述砂輪 進行整形，去除失去把持力的磨粒和被激光燒蝕的磨粒變質(zhì)層；
(6)重復以上激光修整和機械法整形交替進行的復合過程，直至達到所需 的圓跳動和地形地貌。
以下對本發(fā)明做出進一步說明。
本發(fā)明中，所述激光的連續(xù)輸出平均功率可以是0—60W、重復頻率0.5kHz —10kHz、脈寬160 ns—500 ns;所述砂輪轉(zhuǎn)速為1—2 m/s; 所述激光的焦距為15mm—30咖，脈沖激光聚焦后的光斑直徑0.20mm —O. 22mm。
本發(fā)明工藝過程中，通過千分表測量砂輪圓跳動，調(diào)整激光焦點位置，使
焦點落在圓跳動最大處(此處激光燒蝕功率最大)；隨著跳動減小，沿徑向方向 聚焦激光開始離焦，使得功率密度減小，小于燒蝕功率密度閾值。這樣只在跳動 最大處附近才會去除金剛石，每個單脈沖去除量在微米級，調(diào)整合適的運動參數(shù)， 使燒蝕凹坑相切或部分重疊，經(jīng)過若干次回轉(zhuǎn)后，圓跳動最大處附近金剛石磨粒 部分被整顆剝離、部分被微量去除、部分因為結(jié)合劑去除而失去把持力。
砂輪回轉(zhuǎn)時隨砂輪隨著跳動減小，激光照射在砂輪表面光斑逐漸增大，功 率密度會逐漸減小，則調(diào)整激光參數(shù)，如平均功率、重復頻率(脈寬和峰值功 率)、離焦量等(功率密度受這些參數(shù)影響)，使得跳動最大處達到燒蝕功率密 度閾值，從而去除金剛石和金屬結(jié)合劑。
本發(fā)明的技術原理是，為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，通過理論研究和大量試 驗選優(yōu)，建立一種復合修整法，即加工過程中首先避開"硬碰硬"，采用基于微 區(qū)熱作用的激光燒蝕精細加工的方法進行預修整，然后采用具有明確刀尖的機 械法整形。
本發(fā)明的上述激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方法，較已有技 術顯著提高了金屬結(jié)合劑金剛石砂輪修整效率、并使砂輪磨削面獲得良好的地 形地貌；滿足高效、精密磨削的要求。圖1為青銅結(jié)合劑金剛石砂輪修整前觀 察的表面形貌；圖2為碳化硅滾輪48小時修整后的表面形貌，圓跳動誤差從 85jjim僅減小到72tim，表面形貌差；圖3為復合法修整5小時的表面形貌，圓 跳動誤差從85pm減小到6pim,表面形貌良好。


圖1是砂輪修整前觀察的表面形貌； 圖2是碳化硅滾輪修整的表面形貌； 圖3是復合法修整的表面形貌； 圖4是實施本發(fā)明方法的一種實施例工裝示意圖，其中
l一高功率密度脈沖激光器，2—聚焦透鏡，3—金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，4 —單點金剛筆或SiC滾輪，5—磨床。
具體實施例方式
圖4是本發(fā)明激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪方法的一種實施
例。其中
高功率密度脈沖激光器1采用功率密度閾值能達到3X108 W/cm2的聲光調(diào) QYAG脈沖激光，連續(xù)輸出平均功率0—60W，重復頻率0.5kHz — 10kHz，脈寬 160 ns—500 ns;
聚焦透鏡2的焦距為30mm,脈沖激光聚焦后的光斑直徑0. 22mm。
金屬結(jié)合劑金剛石砂輪3轉(zhuǎn)速為l一2 m/s;
用千分表測量砂輪圓跳動，記下最高跳動處，如果是新砂輪，圓跳動往往 跳動大于O.lmm;打開激光器輸出小功率脈沖激光，調(diào)節(jié)磨床5，轉(zhuǎn)動砂輪3， 用薄片金屬試調(diào)，使焦點落在跳動最高處；逐漸增大激光器功率，達到去除金 剛石閾值3X108 W/cm2，為使金剛石燒蝕變質(zhì)層少，宜采用低脈沖頻率，窄脈 寬；砂輪沿軸向進給，經(jīng)過若干次往復修整后，沿最高點附近金剛石磨粒部分 被整顆剝離、部分被微量去除、部分因為結(jié)合劑去除而失去把持力；接著采用 單晶金剛石筆4或碳化硅滾輪整形；待失去把持力的部分金剛石磨粒脫落后， 用千分表測量砂輪圓跳動，如果達到要求則結(jié)束。再檢測地形地貌是否可以， 如果需進一步去除結(jié)合劑，則調(diào)低功率密度到金剛石磨粒去除功率密度閾值以 下，金屬結(jié)合劑去除功率密度閾值以上(青銅結(jié)合劑去除功率密度閾值為1.5 X107W/cm2)，實行修銳，至達到要求。如果圓跳動未達到要求則重復激光整形 和修銳，機械法整形過程。
權利要求
1、一種激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方法，其特征是，該方法為，采用聚焦后功率密度達到去除金剛石功率密度閾值3×108W/cm2以上高功率密度脈沖激光，實施以下工藝步驟(1)針對金屬結(jié)合劑金剛石非成形砂輪，通過聚焦透鏡將激光束聚焦，垂直砂輪磨削面照射；(2)旋轉(zhuǎn)砂輪，通過千分表測量砂輪圓跳動，調(diào)整激光焦點位置，使焦點落在圓跳動最大處；(3)調(diào)整激光參數(shù)，使得砂輪圓跳動跳動最大處達到所述去除金剛石功率密度閾值，從而去除金剛石和金屬結(jié)合劑；(4)所述砂輪沿軸向往復進給，同時砂輪作回轉(zhuǎn)運動，經(jīng)過若干次燒蝕，直至其圓跳動最大處附近金剛石磨粒部分被整顆剝離、部分被微量去除、部分因為結(jié)合劑去除而失去把持力；(5)接著，使用具有明確刀尖的單晶金剛石筆或碳化硅滾輪對所述砂輪進行整形，去除失去把持力的磨粒和被激光燒蝕的磨粒變質(zhì)層；(6)重復以上激光修整和機械法整形交替進行的復合過程，直至達到所需的圓跳動和地形地貌。
2、 根據(jù)權利要求1所述激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方 法，其特征是，所述激光的連續(xù)輸出平均功率0 — 60W，重復頻率0.5kHz — 10kHz，脈寬160 ns —500 ns。
3、根據(jù)權利要求1所述激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方 法，其特征是，砂輪轉(zhuǎn)速為1一2 m/s。
4、根據(jù)權利要求1所述激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方法，其特征是，所述激光的焦距為15mm—30mm，脈沖激光聚焦后的光斑直徑 0. 20mm —O. 22隨。
全文摘要
一種激光與機械復合修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的方法，包括采用高功率密度脈沖激光；通過聚焦透鏡將激光束聚焦，垂直砂輪磨削面照射；旋轉(zhuǎn)砂輪，測量砂輪圓跳動，調(diào)整激光焦點位置，使焦點落在圓跳動最大處；調(diào)整激光參數(shù)，使得砂輪圓跳動最大處達到所述閾值；所述砂輪沿軸向往復進給并回轉(zhuǎn)，經(jīng)過若干次修整，直至其圓跳動最大處附近金剛石磨粒部分被整顆剝離、部分被微量去除、部分因為結(jié)合劑去除而失去把持力；使用具有明確刀尖的單晶金剛石筆或碳化硅滾輪對所述砂輪進行整形，去除失去把持力的磨粒和被激光燒蝕的磨粒變質(zhì)層；重復以上復合過程，直至達到所需的圓跳動和地形地貌。顯著提高了砂輪修整效率、并使砂輪磨削面獲得良好的形貌。
文檔編號B24B53/053GK101190505SQ20061013678
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權日2006年11月30日
發(fā)明者陳根余 申請人:湖南大學