CN103802025B - 一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其修整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置，包括计算机控制设备（4），控制操作平台（5），光纤激光器（6），激光烧蚀头（7），三维移动平台（8），超硬磨料砂轮（9），磨床（10），下切向细水管（11），下切向液柱压力控制器（12），右切向细水管（13），激光束（14），下切向液柱流（15），右切向液柱流（16），右切向液柱压力控制器（17），聚焦透镜（18），本发明提出了辅助双切向液柱流装置，抑制了能量累计效应，提高了修整过程能量平衡。此外，在砂轮表面形成液膜，减少蒸发效应的热量损失，提高了激光的利用效率,提高修整后的砂轮的表面质量。

Description

一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其修整方法

技术领域

本发明涉及的是一种超硬磨料砂轮修整装置及修整方法，特别涉及一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其修整方法。

背景技术

超硬磨料砂轮是指立方氮化硼和金刚石砂轮，它具有极高的硬度，抗磨损能力强，但由于它具有极高的硬度致使修整非常困难。因此，为了使超薄超硬材料砂轮在切削过程中能保持几何形状的正确性和磨粒的锐利性，就需要对其进行定期修整。传统机械修整法如图1所示（如车削法、挤压法、滚压法）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，修整工具损耗严重，磨粒表面易造成机械损伤，同时修整工具的形状误差容易复映到被修整砂轮的工作表面上去，且不同的曲面的砂轮需要不同的修整工具，修整成本高。虽然一些国内外学者改进砂轮的修整方法如：电火花修整法、电解修整法（ELID）等克服了传统修整法在某些方面的不足，但或多或少仍然存在着效率低、适应性窄、修整工具损耗大、对环境不友好及难以实现控制自动化等缺点，这限制了它们的进一步推广和应用。

超硬磨料砂轮激光修整技术集激光技术、材料加工技术、传感器技术、精密磨削技术及计算机技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进修整技术。该技术其实质是基于脉冲激光烧蚀机理，将聚焦高能脉冲激光束辐照于匀速转动的砂轮表面，利用聚焦激光束这把基于热力学效应的非接触式“刀具”，对砂轮表层复合材料（磨粒，结合剂等）进行微量“切削”加工，并使超硬磨粒突出在结合剂之外形成切削刃，最终实现超硬磨料砂轮的修整加工。与传统机械修整法相比，激光修整方法作为一种非接触式的砂轮修整技术，避开了机械力的直接作用和硬接触，具有适用性广、热影响区小、无修整工具损耗、高灵活性及高可控性等优势，是一种精度和效率高、设备成本低的绿色修整技术，如图2所示。

已有的技术，如金泽大学A.Hosokawa研究了辅助侧向吹气、脉冲宽度和重复频率、砂轮旋转速度等工艺参数对激光修整后砂轮表面地形地貌的影响，通过工艺参数的良好匹配加工得到了表面质量良好的青铜金刚石砂轮。实验发现，当激光功率较高时，砂轮表面可以观察到明显的微裂纹和石墨变质层等缺陷；若激光功率较低，则可以有效地避免缺陷层的产生。对比分析了激光修整与碳化硅砂轮修整的青铜金刚石砂轮的磨削性能，发现两者修整后的砂轮在磨削过程中产生的法向和切向磨削力几乎相等。影响砂轮表面质量主要表现在微裂纹和石墨变质层等缺陷，在上述方法虽然取得了一定的修整效果，但在高功率激光加工时，无法避免的出现了微裂纹和石墨变质层等缺陷，影响了表面质量，且与实际要求还有很多大差距。

发明内容

为了克服已有技术的不足和缺陷，发明一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其方法，在砂轮修整中首次运用水液冷却效果，加以乳化液体，在砂轮表面形成一层液态薄膜，提高液体的表面蒸发，扩大接触散热，促进辐射热交换作用下，采用双切向液柱流方法，抑制砂轮表面在高功率激光烧蚀作用下的相爆炸的发生，减少飞溅的再次凝固，避免堵塞凹坑，抑制了超热层中固液相界面在脉冲激光结束后的移动，抑制能量累积效应，同时避免高功率激光烧蚀下结合剂和磨料出现的二次热传导产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，从而提高修整后的表面质量。

本发明的技术方案是提供一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置，包括计算机控制设备，控制操作平台，光纤激光器，激光烧蚀头，三维移动平台，超硬磨料砂轮，磨床，下切向细水管，下切向液柱压力控制器，右切向细水管，激光束，下切向液柱流，右切向液柱流，右切向液柱压力控制器，聚焦透镜，其特征在于：

超硬磨料砂轮安装在可控磨床上，通过磨床带动砂轮转动，激光烧蚀头固定在三维移动平台上，按径向方向水平放在砂轮左边，聚焦透镜安放在激光烧蚀头与超硬磨料砂轮之间，三维移动平台由计算机控制设备控制，可在X、Y、Z的三维方向移动，激光烧蚀头固定后由三维移动平台控制，控制操作平台可以控制光纤激光器的功率密度和脉冲频率，从而对砂轮分别进行轴向和径向烧蚀，双切向细水管分别对准超硬磨料砂轮的下切向和右切向，由进液压力控制器控制出液液柱压力，液柱流冲击超硬磨料砂轮表面；在修整过程中，通过进水压力控制器分别控制双切向液柱流的液柱压力，其中，下切向液柱流形成液膜，右切向液柱流用于快速冷却，通过下切向液柱压力控制器控制冲击压力小于右切向液柱压力控制器控制冲击压力。

本发明的有益效果是：

1）采用本发明提出了辅助双切向液柱流装置能有效避免结合剂和磨料出现的二次热传导产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，提高修整质量。

2）在砂轮修整中首次运用水液冷却效果，在高功率激光烧蚀超硬磨料砂轮中加以乳化液液柱，冲击砂轮表面，形成一层液膜，提高液体的表面蒸发，扩大接触散热，促进辐射热交换作用下，有利于热量的吸收和冷却。

3）在现有技术的激光修整砂轮的过程，无需使用冷却水，但本发明发现，如果通过进水压力控制器分别控制双切向液柱流的液柱压力，在通过液柱冲击超硬磨料砂轮表面，能够形成一层液膜，进而提高液体的表面蒸发，扩大接触散热，促进辐射热交换作用下，有利于热量的吸收和冷却。当采用双切向喷射冲击砂轮表面时，下切向主要形成液膜，抑制砂轮表面在高功率激光烧蚀作用下能量的相爆炸的发生，减少飞溅的再次凝固，通过下切向液柱压力控制器控制冲击压力小，右切向用于快速冷却，抑制了超热层中固液相界面在脉冲激光结束后的移动，降低残余热量影响，抑制能量累积效应，双切向液柱流同时冲击砂轮表面避免高功率激光烧蚀下结合剂和磨料出现的二次热传导产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，修整过程下切向液柱流在砂轮烧蚀前冲击，右切向液柱流在砂轮烧蚀后冲击，加工中对砂轮进行全程冲击。

4）在双切向液柱流中考虑了激光烧蚀砂轮表面的前与后的分时效应，提高了不同时效下液膜作用的不同效果。下切向主要形成液膜，抑制砂轮表面在高功率激光烧蚀作用下能量的相爆炸的发生，减少飞溅的再次凝固，通过下切向液柱压力控制器控制冲击压力小，右切向主要用于快速冷却，抑制了超热层中固液相界面在脉冲激光结束后的移动，降低残余热量影响，抑制能量累积效应，双切向液柱流同时冲击砂轮表面避免高功率激光烧蚀下结合剂和磨料出现的二次热传导产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，修整过程下切向液柱流在砂轮烧蚀前冲击，右切向液柱流在砂轮烧蚀后冲击，加工中对砂轮进行全程冲击。

5）相爆炸是高功率的脉冲激光烧蚀中，砂轮表面由超热液体突发性的转变为蒸汽和平衡液滴的混合体，在烧蚀中有大量液滴出现的过程。本发明提出了辅助双切向液柱流装置，能抑制传统修整砂轮过程中无法避免的相爆炸产生，减少了烧蚀过程中飞溅的形成。避免了飞溅的再次凝固而堵塞凹坑，是从修整砂轮产生飞溅本质出发，进行有效的控制，提高了表面质量。

6）超热层是高功率激光修整中，砂轮烧蚀的液相层的温度降远远超过常压下的沸点温度而进入超热状态，当脉冲激光停止后由于超热层的影响，固液相界面能量高还会进行烧蚀从而增加了烧蚀深度，极大的影响了修整精度，本发明提出了辅助双切向液柱流装置，在激光停止后快速冷却砂轮的表面抑制了超热层中固液相界面在脉冲激光结束后的移动，避免了修整过程中超热层的影响。

7）高功率激光烧蚀砂轮过程中，激光作用的功率密度足够高，表面温度很快升高到气化点的温度，加之作用时间极短，砂轮表面的蒸汽压增大，蒸发效应明显，所带走的热不能忽视，本发明提出了辅助双切向液柱流装置，在砂轮表面形成液膜，减少蒸发效应的热量损失，提高了激光能量的利用率。

8）等离子体在高功率激光烧蚀砂轮中的作用非常重要，等离子体一旦形成，立即向外膨胀，在该过程中等离子体会继续吸收入射的激光，阻止了一部分的激光能量到达砂轮的表面，本发明提出了辅助双切向液柱流装置，在砂轮表面平衡了能量，能够减少等离子体对入射激光的吸收，提高了能量的利用效率。

9）脉冲激光烧蚀过程中出现的前后脉冲与砂轮的相互作用之间存在能量的叠加问题，即能量累计效应，对烧蚀深度精度产生影响，本发明提出了辅助双切向液柱流装置，抑制了能量累计效应，提高了修整过程能量平衡。

附图说明

图1是现有技术中车削修整砂轮示意图；

图2是现有技术的超硬磨料砂轮的激光修整方法原理图；

图3是本发明所述的双切向液柱流装置示意图；

图4是本发明修整后的砂轮表面效果观察图；

其中：1-凹曲面砂轮，2-金刚石笔，3-工作台，4-计算机控制设备，5-控制操作平台，6-光纤激光器，7-激光烧蚀头，8-三维移动平台，9-超硬磨料砂轮，10-磨床，11-下切向细水管，12-下切向液柱压力控制器，13-右切向细水管，14-激光束，15-下切向液柱流，16-右切向液柱流，17-右切向液柱压力控制器，18-聚焦透镜。

具体实施方式

以下将结合附图3对本发明的具体技术方案进行详细描述。

如图3所示，本发明所述的带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置，包括计算机控制设备4，控制操作平台5，光纤激光器6，激光烧蚀头7，三维移动平台8，超硬磨料砂轮9，磨床10，下切向细水管11，下切向液柱压力控制器12，右切向细水管13，激光束14，下切向液柱流15，右切向液柱流16，右切向液柱压力控制器17，聚焦透镜18等。

超硬磨料砂轮9安装在可以控制的磨床10上面，通过磨床10带动砂轮转动，激光烧蚀头7固定在三维移动平台8上面，按径向方向水平放在砂轮左边，聚焦透镜安放在激光烧蚀头7与超硬磨料砂轮9之间，三维移动平台8可被计算机控制设备4控制，可以在x、y、z的三维方向移动，激光烧蚀头7固定后由三维移动平台控制8，控制操作平台5可以控制光纤激光器6的功率密度和脉冲频率，从而对砂轮分别进行轴向和径向烧蚀，双切向细水管分别对准超硬磨料砂轮的下切向和右切向，由液柱压力控制器控制出液液柱压力，液柱流冲击砂轮表面。如图3是本发明所述的带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置。

开始的时候选择光纤激光器的输出功率，光斑直径加以辅助双切向水柱流如图3所示连接，调整磨床的转速带动砂轮的转动，砂轮安放在磨床上面匀速转动，计算机控制设备控制三维移动平台沿轴向和径向水平移动速度，通过精确调节上述参数对砂轮进行修整，可以得到达到精度控制要求的砂轮。

在修整过程中，通过液柱压力控制器分别控制双切向液柱流的液柱压力，液柱冲击在砂轮表面，形成一层液膜，激光修整的时候在砂轮表面形成一个螺旋形的轨迹，在此轨迹内结合剂被烧蚀，加以辅助双切向液柱流装置，避免结合剂和磨料出现的二次热传导产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，达到修整的表面质量要求，选择光纤激光器的输出平均功率为25W、30W；重复频率为50kHz、80kHz；脉冲重叠率31.105%；轨迹线重叠率52%；

该装置中，光纤激光器是纳秒脉冲激光器，峰值功率达到10⁸/cm²以上。

此外，本发明还提供了一种采用上述双切向液柱流装置及利用该装置对砂轮进行激光修整的方法，

步骤1、修整前，首先通过液柱压力控制器，控制液柱压力，液柱冲击在砂轮表面对超硬磨料砂轮进行双切向液柱冲击；

该步骤主要是双切向喷射冲击砂轮表面，下切向主要形成液膜，通过下切向液柱压力控制器控制冲击压力大小为0.1～0.3MPa，右切向用于快速冷却，右切向液柱压力控制器控制冲击压力大0.5～0.8MPa，在同时双切向液柱流冲击下，对砂轮进行全程冲击修整；

步骤2、调整磨床的转速带动砂轮的转动，砂轮安放在磨床上面匀速转动；

该步骤中调节磨床的转速，使得砂轮的表面线速度为400r/min；

步骤3、计算机控制设备控制光纤激光器输出能量功率密度，激光烧蚀头发出激光；

该步骤中所选择光纤激光器的输出平均功率为30W；重复频率为50kHz；脉冲重叠率31.12%；轨迹线重叠率52%；

步骤4、调节控制进液压力控制器，控制双切向液柱流出液冲击压力，液柱冲击砂轮表面；

该步骤中控制双切向液柱流出液冲击压力，避免了修整过程中超热层的影响，同时能快速冷却砂轮表面，在砂轮表面形成液膜，减少蒸发效应的热量损失，提高了激光的利用效率。在砂轮表面平衡了能量，能够减少等离子体对入射激光的吸收，提高了修整过程中的精度，抑制了能量累计效应；

步骤5、调整光纤激光器的输出平均功率和重复频率；

该步骤中所选择光纤激光器的输出平均功率为25W；重复频率为80kHz；脉冲重叠率31.12%；轨迹线重叠率52%，通过调节小的激光功率对砂轮进行精修整；

步骤6、调整磨床的转速，调节超硬磨料砂轮表面的线速度；

该步骤中调节磨床的转速，使得砂轮的表面线速度为250r/min；

步骤7、调节三维移动平台轴向移动速度，激光烧蚀头的轴向进给速度；

该步骤中调节三维平台的速度，使得光纤激光器的轴向速度f=0.076mm/s；

步骤8、对步骤3-7反复进行直到满足砂轮表面质量。

如图2所示为采用双切向液柱流装置及利用该装置对砂轮进行激光修整方法的效果图，试验用的青铜结合剂轮的规格为：100×10×31.75×5,,其中，100代表砂轮外径，10代表砂轮宽度，31.75代表安装直径，5代表结合剂厚度。选择光纤激光器的输出平均功率为25W、30W；重复频率为50kHz、80KHz；脉冲重叠率31.105%；轨迹线重叠率52%；调节磨床的转速，使得砂轮的表面线速度为250r/min、400r/min；调节三维平台的速度，使得光纤激光器的轴向速度f=0.076mm/s，采用了三维超景深（100倍）观察，可以发现图中可以看出凹坑的表面质量良好，无微裂纹、变质层少；外形轮廓清楚，凹坑均匀，地形地貌良好。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (2)

1.一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置，包括计算机控制设备(4)，控制操作平台(5)，光纤激光器(6)，激光烧蚀头(7)，三维移动平台(8)，超硬磨料砂轮(9)，磨床(10)，下切向细水管(11)，下切向液柱压力控制器(12)，右切向细水管(13)，激光束(14)，下切向液柱流(15)，右切向液柱流(16)，右切向液柱压力控制器(17)，聚焦透镜(18)，其特征在于：

超硬磨料砂轮(9)安装在可控磨床(10)上，通过磨床(10)带动砂轮转动，激光烧蚀头(7)固定在三维移动平台(8)上，按径向方向水平放在砂轮左边，聚焦透镜安放在激光烧蚀头(7)与超硬磨料砂轮(9)之间，三维移动平台(8)由计算机控制设备(4)控制，可在X、Y、Z的三维方向移动，激光烧蚀头(7)固定后由三维移动平台(8)控制，控制操作平台(5)可以控制光纤激光器(6)的功率密度和脉冲频率，从而对砂轮分别进行轴向和径向烧蚀，双切向细水管分别对准超硬磨料砂轮(9)的下切向和右切向，由液柱压力控制器控制出液液柱压力，液柱流冲击超硬磨料砂轮(9)表面；

在修整过程中，通过液柱压力控制器分别控制双切向液柱流的液柱压力，其中，下切向液柱流(16)形成液膜，右切向液柱流(15)用于快速冷却，通过下切向液柱压力控制器控制冲击压力小于右切向液柱压力控制器控制冲击压力。

2.采用权利要求1所述的砂轮激光修整装置对砂轮进行修整的方法，其特征在于：

步骤1、修整前，首先通过进水压力控制器，控制液柱压力，液柱冲击在砂轮表面对超硬磨料砂轮进行双切向液柱冲击；

该步骤中，双切向液柱冲击砂轮表面，下切向形成液膜，通过下切向液柱压力控制器控制冲击压力大小为0.1-0.2MPa，右切向用于快速冷却，右切向液柱压力控制器控制冲击压力大小为0.5-0.8MPa，在同时双切向液柱流冲击下，对砂轮进行全程冲击修整；

步骤2、调整磨床的转速带动砂轮转动，砂轮安放在磨床上面匀速转动；

该步骤中调节磨床的转速，使得砂轮的表面线速度为400r/min；

步骤3、计算机控制设备控制光纤激光器输出能量功率密度，激光烧蚀头发出激光；

该步骤中所选择光纤激光器的输出平均功率为30W；重复频率为80kHz；脉冲重叠率31.12％；轨迹线重叠率52％；

步骤4、调节控制进液压力控制器，控制双切向液柱流出液冲击压力，液柱冲击砂轮表面；

步骤5、调整光纤激光器的输出平均功率和重复频率；

该步骤中所选择光纤激光器的输出平均功率为25W；重复频率为50kHz；脉冲重叠率31.12％；轨迹线重叠率52％；通过调节小的激光功率对砂轮进行精修整；

步骤6、调整磨床的转速，调节超硬磨料砂轮表面的线速度；

该步骤中调节磨床的转速，使得砂轮的表面线速度为250r/min；

步骤7、调节三维移动平台轴向移动速度，激光烧蚀头的轴向进给速度；

该步骤中调节三维平台的速度，使得光纤激光器的轴向速度f＝0.076mm/s；

步骤8、反复进行步骤3-7，直到满足修整精度和表面质量要求。