CN102350666A

CN102350666A - 一种椭圆环工作面的金刚石砂轮及其对磨成型修整方法

Info

Publication number: CN102350666A
Application number: CN2011103162610A
Authority: CN
Inventors: 谢晋; 郑佳华; 周锐铭
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: CN102350666B

Abstract

本发明公开了一种椭圆环工作面的金刚石砂轮及其对磨成型修整方法。金刚石砂轮的工作面轴向截面轮廓为

Description

一种椭圆环工作面的金刚石砂轮及其对磨成型修整方法

技术领域

本发明涉及超硬工具的微细精密制造技术领域，具体涉及金刚石砂轮椭圆环工作面及其对磨成型修整方法，是一种陶瓷、单晶硅、光学玻璃、硬质合金等硬脆性零部件曲表面的数控磨削加工技术。

背景技术

激光扫描、光纤传输、太阳能发电、光照明等系统需要光学界面，其中，光学界面的曲面化是确保光电间高性能转换的核心。但是，光电子领域的零部件及成型模具通常为难加工的碳化硅陶瓷、玻璃、硬质合金等硬脆性材料，采用传统的数控铣削技术很难加工这些曲面零部件。目前，研抛技术也很难同时保证其表面质量和形状精度，只有依靠高成本、低效率的多次补偿加工方法。因此，采用金刚石砂轮的椭圆环工作表面，在硬脆性零部件的曲面磨削中利用较扁的砂轮曲表面与工件曲面包络，增加有效磨粒数，与金刚石砂轮的圆环工作面相比，可提高磨削曲面的表面质量和形状精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种椭圆环工作面金刚石砂轮，提高硬脆性零部件的曲面磨削效率和精度。该椭圆环面砂轮可以用于陶瓷、硅、玻璃、硬质合金等硬脆性零部件的曲面精密磨削加工。

本发明另一目的在于提供一种金刚石砂轮椭圆环工作面的数控对磨修整方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种椭圆环工作面的金刚石砂轮，金刚石砂轮工作面轴向截面轮廓为

的椭圆弧轮廓，金刚石砂轮的端面为椭圆环面，其中，a和b是给定的目标砂轮椭圆轮廓方程式常数，a＞0和b＞0。

优选地，所述的4≤a≥15；3≤b≥10。进一步地，所述的a＝6，b＝2.62。

一种椭圆环工作面的金刚石砂轮对磨修整成型方法，先将平行金刚石砂轮安装在机床的砂轮轴上，初始的刚石砂轮为宽度为w₁的圆柱体，工作面为圆柱面，碳化硅磨石固定在工作台的水平面上，初始的磨石形状为宽度为w₂的长方体，金刚石砂轮转速为N，绕砂轮轮轴旋转的金刚石砂轮沿砂轮轴朝轴向方向行进，并沿砂轮轴向的垂直平面上下移动，形成椭圆弧形的行走线路，该椭圆弧的标准椭圆方程式为

x，y分别是通过砂轮轴向的砂轮轴向截面上上左右方向和上下方向的坐标；在椭圆弧路径上行走的速度为v_f；

其次金刚石砂轮刀具椭圆弧行走路径分段完成：首先，金刚石砂轮刀具在碳化硅磨石的一侧外的第一起始点处沿方程为

的椭圆弧行走路径从左到右行走至椭圆弧的顶点处，再沿着与顶点相切的半径为大于2毫米的第一圆弧提起，接着从磨石的另一侧外的第二起始点处开始，沿着椭圆弧行走路径从右至左行走至椭圆弧顶点处，再沿着与顶点相切的另一方向半径大于2毫米的第二圆弧提起，最后，金刚石砂轮从碳化硅磨石一侧的第一起始点处沿着整个椭圆弧行走路径作无进给的零磨削行走至从磨石另一侧的第二起始点处；完成该加工行程后，砂轮垂直向下进给深度为d_f，再重复上面加工过程，直至将金刚石砂轮工作面轴向截面轮廓修整为

的椭圆弧轮廓，其中，a和b是给定的砂轮椭圆轮廓方程式常数，w₁＞0、w₂＞0、a＞0、b＞0、d_f＝1～200微米、v_f＝10～1000毫米/分和N为2000～5000转/分。

进一步地，所述碳化硅磨石由绿色碳化硅磨料组成，结合剂为陶瓷，粒度为180～1200目，初始几何形状为长方形，轴向宽度为5～50毫米。

所述金刚石砂轮由金刚石磨料组成，结合剂为青铜基或树脂基，金刚石磨料粒度为120～3000目，浓度大于100，浓度是指金刚石砂轮单位体积的金刚石含量，100相当于4.4克拉/厘米³，砂轮为平行砂轮，直径为50～800毫米，轴向宽度为3～50毫米。

在修整中，首先采用粗修整，碳化硅磨石粒度120～320目，进给深度为50～150微米，进给速度为300～800毫米/分；当金刚石砂轮轴向截面轮廓被修整成椭圆弧后，再采用精修整，碳化硅磨石粒度400～1200目，进给深度为1～20微米，进给速度为10～200毫米/分；最后，零磨削2～10次，修整中采用水或者水溶性切削液为冷却液。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)该发明可以对如金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮等超硬砂轮的工作曲面进行成型修整，修整精度可以不依赖于修整工具的形状尺寸和精度的限制，修整装置简单、有效。

(2)该发明可以用于零部件曲表面的磨削加工，与铣削加工相比可以加工硬脆性材料的工件，且加工表面质量更高。

(3)该发明与传统的圆环面砂轮相比，可以利用更扁的椭圆环面与工件曲面包络，增加有效磨粒数，改善磨削曲表面质量和形状精度。

附图说明

图1为椭圆环工作面的金刚石砂轮结构及修整的示意图。

图2为砂轮椭圆弧行走路径的分段示意图。

图3为金刚石砂轮修整后轴向截面椭圆弧的检测点分布图

图4为图3的椭圆弧的检测数据及其垂直方向的误差分布图

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

如图1所示，一种椭圆环工作面的金刚石砂轮，其工作面轴向截面轮廓为

图1所示椭圆环工作面的金刚石砂轮修正成型时，先将平行金刚石砂轮1安装在机床的砂轮轴2上，初始的刚石砂轮1为宽度为w₁的圆柱体，工作面为圆柱面，碳化硅磨石3固定在工作台的水平面上，初始的磨石形状为宽度为w₂的长方体，砂轮工具转速为N，绕砂轮轮轴高速旋转的金刚石砂轮1可以沿砂轮轴2朝轴向方向行进，也可以沿砂轮轴向的垂直平面上下移动；金刚石砂轮1在随金刚石砂轮轴2由下到上移动的同时沿金刚石砂轮轴2轴向方向由左向右或由右向左行进，形成图1所示的椭圆弧形的行走线路4，该椭圆弧的标准椭圆方程式为

x，y分别是通过砂轮轴向的砂轮轴向截面上上左右方向和上下方向的坐标；在椭圆弧路径上行走的速度为v_f，完成每次往返行程后，金刚石砂轮向下进给深度d_f，逐渐与磨石进行对磨，此时，金刚石砂轮也被磨耗。

如图2所示，为了使金刚石砂轮1与碳化硅磨石3对磨均匀，保证砂轮轴向截面的椭圆轮廓5的光顺性，金刚石砂轮刀具1椭圆弧行走路径4分段完成：首先，金刚石砂轮刀具1在碳化硅磨石3的一侧外不与磨石接触的第一起始点6处沿方程为

的椭圆弧行走路径4从左到右行走至椭圆弧的顶点7处，再沿着与顶点7相切的半径为大于2毫米的第一圆弧8提起，接着从磨石的另一侧第二起始点9处开始，沿着椭圆弧行走路径4从右至左行走至椭圆弧顶点7处，再沿着与顶点7相切的另一方向半径大于2毫米的第二圆弧10提起，最后，金刚石砂轮1从碳化硅磨石3一侧的第一起始点6处沿着整个椭圆弧行走路径4作无进给的零磨削行走至从磨石另一侧的第二起始点9处。完成该加工行程后，砂轮垂直向下进给深度为d_f，再重复上面加工过程，直至将金刚石砂轮工作面轴向截面轮廓修整为

的椭圆弧轮廓5，金刚石砂轮工作表面也就形成椭圆环面，其中，a和b是给定的砂轮椭圆轮廓方程式常数，w₁＞0、w₂＞0、a＞0、b＞0、d_f＝1～200微米和v_f＝10～1000毫米/分。

碳化硅磨石3由绿色碳化硅磨料组成，结合剂为陶瓷，粒度为180～1200目，几何形状为长方形，沿着砂轮轴向的宽度为5～30毫米；金刚石砂轮刀具1由金刚石磨料组成，结合剂为青铜金属基或酚醛树脂基，金刚石磨料粒度为120～3000目，浓度大于100，浓度是指金刚石砂轮单位体积的金刚石含量，100相当于4.4克拉/厘米³，砂轮为平行砂轮，直径为50～800毫米，轴向宽度为3～50毫米，砂轮转速为2000～5000转/分。

首先采用粗修整，碳化硅磨石粒度120～320目，进给深度d_f为50～200微米，进给速度为300～800毫米/分当金刚石砂轮轴向截面轮廓被修整成椭圆弧后，再采用精修整，碳化硅磨石粒度400～1200目，进给深度d_f为1～20微米，进给速度v_f为10～200毫米/分，最后，零修整2～10次。修整中采用水或者水溶性切削液为冷却液。

实施例

在CNC精密磨床(SMRART B818)安装直径150毫米和轴向宽度w₁为10毫米的金刚石砂轮刀具1，轴向厚度w₂为25毫米的长方形碳化硅磨石3放置在工作台的水平面上，在工作台面上沿着磨石中间部分的厚度方向与金刚石砂轮轴向保持一致。金刚石砂轮粒度为#320，结合剂为树脂，浓度100。碳化硅磨石3为绿碳化硅磨石，结合剂为陶瓷。砂轮轴向截面轮廓修整目标为标准椭圆方程式为

的椭圆弧，a＝6mm，b＝2.62mm，砂轮工作表面为椭圆环面。为了修整该砂轮椭圆环面，砂轮中心的行走路径4被设计为椭圆弧，如图1所示，其标准方程式为

\frac{x^{2}}{{(a \frac{w_{1} + w_{2}}{w_{1}})}^{2}} + \frac{y^{2}}{{(b \frac{w_{1} + w_{2}}{w_{1}})}^{2}} = 1,

即

\frac{x^{2}}{21^{2}} + \frac{y^{2}}{{9.17}^{2}} = 1 .

如图2所示，在对磨成型修整中，金刚石砂轮1的转速N＝3000转/分，砂轮椭圆弧行走路径4的标准椭圆方程式为

首先，金刚石砂轮刀具1从碳化硅磨石3的左侧起始点6处开始，此时，其砂轮侧面与磨石侧面相距2毫米，然后沿着椭圆弧行走路径4从左到右行走至椭圆弧顶点7处，再沿着与顶点7相切的半径为3毫米的第一圆弧8提起；接着从磨石的另一侧不与磨石接触的右侧起始点9处开始，此时，砂轮和磨石两接近侧面相距2毫米，再沿着椭圆弧行走路径4从右至左行走至顶点7处，再沿着与顶点7相切的另一方向半径3毫米的第二圆弧10提起，最后，砂轮从磨石一侧的左侧起始点6处沿着整个椭圆弧行走路径4作无进给的零磨削行走至从磨石另一侧的起始点9处。完成该加工行程后，砂轮垂直向下进给深度d_f，再重复上面述加工过程。

在修整中，采用粗修整和精修整两段工艺，粗修整时，磨石为240目的绿碳化硅磨石，进给速度v_f为500毫米/分，进给深度d_f为100微米，当砂轮轴向截面轮廓被修整成椭圆弧形时，再采用精修整，磨石为600目的绿碳化硅磨石，进给深度d_f分别为100→50→20→10(单位微米)，对应的进给速度v_f为200→100→50→10毫米/分，最后采用零修整5次，冷却液用BM2水溶性磨削液。砂轮修整后，其轴向截面轮廓可形成标准椭圆方程式为

的椭圆弧，其工作表面形成椭圆环面；将修整成椭圆环面的金刚石砂轮高速旋转地复制到碳素板上，利用精密坐标仪检测，其砂轮轴向截面椭圆弧的检测数据及其垂直方向的误差E_z分布图，如图3、4所示，其砂轮轴向截面椭圆弧轮廓的平均误差绝对值E₀为29.6微米。

一般地，由该实施例可知，只要满足椭圆方程的要求，a、b大于0均可，优选地4≤a≥15；3≤b≥10。

目前，现有的技术尚未能将超硬金刚石砂轮工具修整成椭圆环面，而且，该椭圆环面金刚石砂轮与圆环面砂轮相比，在自由曲面加工时可提高表面质量和形状精度。

Claims

1.一种椭圆环工作面的金刚石砂轮，其特征在于：金刚石砂轮的工作面轴向截面轮廓为

2.根据权利要求1所述的椭圆环工作面的金刚石砂轮，其特征在于：所述的4≤a≥15；3≤b≥10。

3.根据权利要求2所述的椭圆环工作面的金刚石砂轮，其特征在于：所述的a＝6，b＝2.62。

4.权利要求1所述椭圆环工作面的金刚石砂轮对磨修整成型方法，其特征在于，先将平行金刚石砂轮安装在机床的砂轮轴上，初始的刚石砂轮为宽度为w₁的圆柱体，工作面为圆柱面，碳化硅磨石固定在工作台的水平面上，初始的磨石形状为宽度为w₂的长方体，金刚石砂轮转速为N，绕砂轮轮轴旋转的金刚石砂轮沿砂轮轴朝轴向方向行进，并沿砂轮轴向的垂直平面上下移动，形成椭圆弧形的行走线路，该椭圆弧的标准椭圆方程式为

5.根据权利要求2所述椭圆环工作面的金刚石砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：所述碳化硅磨石由绿色碳化硅磨料组成，结合剂为陶瓷，粒度为180～1200目，初始几何形状为长方形，轴向宽度为5～50毫米。

6.根据权利要求2所述椭圆环工作面的金刚石砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：所述金刚石砂轮由金刚石磨料组成，结合剂为青铜基或树脂基，金刚石磨料粒度为120～3000目，浓度大于100，砂轮为平行砂轮，直径为50～800毫米，轴向宽度为3～50毫米。

7.根据权利要求2所述椭圆环工作面的金刚石砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：在修整中，首先采用粗修整，碳化硅磨石粒度120～320目，进给深度为50～150微米，进给速度为300～800毫米/分；当金刚石砂轮轴向截面轮廓被修整成椭圆弧后，再采用精修整，碳化硅磨石粒度400～1200目，进给深度为1～20微米，进给速度为10～200毫米/分；最后，零磨削2～10次，修整中采用水或者水溶性切削液为冷却液。