CN103878693A - 一种电镀超硬磨料砂轮激光整形设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电镀超硬磨料砂轮激光整形设备，包括：激光控制器（3）、调QYAG激光器（4）、位移传感器（5），激光烧蚀头（6）、计算机（7）和四轴联动平台（8）；其特征在于：计算机（7）通过激光控制器3控制调QYAG激光器（4），调QYAG激光器（4）通过光纤将激光传导到激光烧蚀头（6），计算机（7）发出控制信号，从而通过激光控制器（3）控制调QYAG激光器（4）发出激光，通过激光烧蚀头（6）打在电镀超硬磨料砂轮（1）上从而对砂轮进行烧蚀，设备采用的方法无电解液、噪声等污染，对环境相对友好。

Description

一种电镀超硬磨料砂轮激光整形设备及方法

发明领域

本发明涉及激光整形砂轮的方法，尤其涉及一种电镀超硬磨料成型砂轮激光整形方法。

背景发明

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。电镀超硬磨料成型砂轮是指工作层含有超硬磨粒，磨料被金属结合剂粘结在基体上，一种用电化学法制作的圆柱砂轮。电镀工艺简单，投资少，制造方便；单层结构决定了它可以达到很高工作速度，目前国外已高达250～300m/s；虽然只有单层磨粒，但仍有足够寿命；对于精度要求较高的滚轮砂轮，电镀是唯一制造方法。

电镀超硬磨料砂轮一般是带有曲面轮廓的超硬磨料砂轮，因此它也具有曲面成砂轮的整形难点。即曲面砂轮磨削性能在很大程度上取决于砂轮的表面特性，它的形状精度及其尺寸精度直接影响工件的加工质量，且由于曲面砂轮往往具有复杂形状，传统机械整形工具容易造成干涉，因而整形困难。

砂轮修整通常分为整形和修锐两个过程。整形是对砂轮表面进行微粒去除，使砂轮达到一定精度要求的几何形状；修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨粒凸出结合剂之外，形成切削刃

电镀超硬磨料成型砂轮由于其工艺上的特点，基体在制造过程中能够保证很高的精度，而电镀层又相对比较薄，因此相对其他的烧结砂轮，电镀砂轮很少出现偏心，圆跳动较小。但是由于电镀工艺问题，在电镀层表面存在少量突出的高点，需要进行整形，否则少量高点参与磨削，造成磨削力过大、磨削温度过高而产生磨削烧伤、表面粗糙度和轮廓度超差等不良后果。

传统电镀超硬磨料成型砂轮整形方法如下：

如图1所示，电镀砂轮根据客户要求，如果存在少量高点，则需要熟练的技术工人（手性好）进行整形。其整形过程如下；

①磨碳片机：将砂轮安装在碳片机上，与碳片对磨。

②取下碳片放在3D检测仪进行观测，通过碳片上磨损轮廓反推获得电镀砂轮的高点位置形貌。

③工人师傅用白钢条在砂轮高处用适当的力度来回往复磨削，从而去除高点。

修一个电镀砂轮需要若干个小时。此整形方法费时费力，且整形所达到的精度较低，只有30～50微米。

小直径的电镀砂轮，近期有学者提出用白刚玉油石对磨的方式进行整形。镀层金属和磨粒以及和砂轮基体之间并不是化学冶金结合，而是镀层金属对磨粒的包裹镶嵌作用，因而把持力相对较小。在电镀砂轮与油石相互作用时，作用力可以分解为法向作用力和切向作用力，根据己有整形力实验结果，切向整形力起主要作用，所以选择合理的整形参数范围，使得产生的整形力在一定的范围内，可以整形掉突出高度较高、结合强度较小的磨粒，但整形力不足以去除等高性较好、结合强度高的磨粒，从而达到电镀砂轮整形的目的。根据电镀砂轮的参数和己有的整形实验成果设定整形参数，单次整形深度为磨粒平均直径的1/10，这样可以得到大小适中的整形力，从而达到去除砂轮上的高点而提高电镀砂轮等高性的目的。但是此种方法采其整形效率较低下，且效果不佳。

传统整形法效率低，甚至采用人工的熟练程度，精度低，可移植性差，同时整形工具的形状误差容易复映到被整形电镀砂轮的工作表面上去，整形成本高。因此传统的整形方法很难应电镀超硬磨料砂轮整形。由于电镀砂轮基体精度很高，形状误差较小，整形只需要去掉表面的几个高点，因此对电镀砂轮的整形，只是需要精确的去除几个高点。激光整形技术是一种非接触式的、基于脉冲激光烧蚀热力学效应的超硬磨料砂轮整形技术，能够实现精确烧蚀凸出的高点。该方法适用性广、不用更换工具、成本低、效率和精度高、对环境友好以及易于实现自动化。显然，该方法对于电镀砂轮的精确高效整形有不可比拟的优势。

对于目前的激光修整方法，公开号为CN101642895A的“超硬磨料砂轮的激光修整方法”和公开号CN201455807U的“砂轮激光修整设备”专利中提供了一种超硬磨料砂轮的激光修整方法和设备，其采用的是一种程序控制的方法对砂轮进行修整。其测量高点的方法是运用激光传感器对砂轮表面轮廓整体进行扫描，由于修整与扫描的滞后性，该方法修整效率极低。而对于电镀砂轮，由于其表面只有几个高点，只需要选择性去除，这种方法显然无法满足高效率修整砂轮的要求。

公开号为CN1586816A的“连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置及其方法”采用连续激光使结合剂熔蚀和汽化而磨粒基本不受影响，从而达到修锐的目的。该方法采用连续激光，可控性差，只能进行修锐，不能准确去除凸出的金刚石高点，无法满足电镀砂轮整形要求。

公开号为CN101190503A的“激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方法”采用一种复合修整法，即加工过程中首先避开“硬碰硬”，采用基于微区热作用的激光烧蚀精细加工的方法进行预修整，然后采用具有明确刀尖的机械法整形。该方法主要是还是采用机械方法，修整效率低，不能实现自动化。

公开号为CN103042468A的“一种金刚石砂轮的粗修整的方法”提供一种金刚石砂轮的粗修整的方法，以解决目前金刚石砂轮机械式修整效率极低、精度低的技术问题。但该方法是金刚石砂轮的粗修整方法，不能精修整，修整的是普通的圆柱砂轮，无法满足电镀砂轮复杂曲面的要求。

公开号为CN102601735A、CN102601734A的“一种砂轮修磨机”利用配置有激光器的砂轮修磨机对砂轮进行修磨，进而可以通过设置在砂轮修磨机上的控制器精确的控制激光束的切削轨迹，实现对砂轮进行修磨。由于该方法采用切向修整，修整效率低，而电镀砂轮只需要整形表面几个高点。

现有文陈根余等人《基于PS的DSP闭环控制系统在激光修整超硬磨料砂轮中的应用》及相关文章中由于修的是普通平行砂轮，因此测量高点的方法PSD三角测量方法，实现了当砂轮待修整表面位置较低时，对应输出高电平，Q开关关断，无巨脉冲激光输出，不进行烧蚀加工；当待修整表面位置较高时，则对应输出低电平，Q开关打开，输出巨脉冲激光对砂轮表面进行烧蚀加工。这些方法修整的都是普通砂轮，形状误差较大，而电镀砂轮只有少量几个高点，这些方法不适合电镀砂轮高效修整的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能避免传统整形法的缺点又能满足电镀砂轮曲面要求的砂轮整形方法。

本发明的技术方案是提供一种电镀超硬磨料砂轮激光整形设备，包括：激光控制器、调QYAG激光器、位移传感器，激光烧蚀头、计算机和四轴联动平台；其特征在于：计算机通过激光控制器3控制调QYAG激光器，调QYAG激光器通过光纤将激光传导到激光烧蚀头，计算机发出控制信号，从而通过激光控制器控制调QYAG激光器发出激光，通过激光烧蚀头打在电镀超硬磨料砂轮上从而对砂轮进行烧蚀；计算机控制位移传感器对砂轮进行扫描；计算机通过控制四轴联动平台控制位移传感器对砂轮进行扫描，并控制激光烧蚀头对电镀超硬磨料砂轮进行整形。

本发明还提供了一种电镀超硬磨料砂轮激光整形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将电镀超硬磨料砂轮安装在磨床上，使砂轮转速1-2m/s，其中，激光烧蚀头和位移传感器安装在四轴联动平台上；

步骤2、在计算机中建立电镀砂轮模型，从电镀砂轮的端面开始，沿电镀砂轮母线伸展的方向，在电镀砂轮母线平均取若干个点，分别计为1、2、3、······1000；

步骤3、从点1开始，计算机控制四轴联动平台带动位移传感器沿砂轮周向扫描，通过计算机对扫描数据进行分析，剔除异常点，求平均值得到圆周半径R1，计算机控制位移传感器相对电镀超硬磨料砂轮1轴向进给1个单位，同样方法，可以得到2到1000点的圆周半径值R2到R1000；

步骤4、通过计算机拟合电镀超硬磨料砂轮的理想轮廓表面；

该步骤中，运用计算机中的DA转换，将1000个离散点拟合成砂轮的表面母线，从而拟合成整个电镀超硬磨料砂轮的表面轮廓，将所述砂轮表面轮廓的数值储存在计算机中；

步骤5、选择判断需要整形的砂轮表面突出高点；

位移传感器按照步骤3中的方式，再次检测砂轮表面颗粒高度，并实时输出测量结果，与已经储存在计算机的砂轮表面轮廓对应点数值进行比较，判断该点是否需要去除，如果砂轮表面的某一点高度值高于拟合表面轮廓对应点数值，则判断该点需要去除；反之，该点不需要去除，传感器继续检测；

步骤6、实时修整砂轮表面突出的高点；

该步骤中，确定需要修整的点后，计算机产生控制信号通过四轴联动平台控制激光烧蚀头运动到一定位置，使激光脉冲焦点法向打在砂轮表面上，从而对砂轮上需要修整的各点进行烧蚀

本发明的有益效果在于：

本发明通过激光传感器对电镀砂轮的扫描，通过数理统计的方法，对数据进行处理，由于只是存在少量的高点，因此通过一些数理统计的方法必然可以去除这些少量的高点，进而拟合出砂轮理想轮廓。有了理想轮廓，反过来，由于电镀砂轮的特点，不会有太大的形状误差。激光位移传感器又按照理想轮廓的轨迹对砂轮进行扫描，遇到与理想轮廓不符合的高点直接发射激光烧掉，从而完成物理上的剔除高点。该方法的主要创新点是用数理统计的方法剔除少量高点，进而复制到物理上去除高点。此方法特别适用少量高点的电镀砂轮，即“点射”法去除少量高点

本发明利用激光烧蚀的直接热力学效应，选择性快速剥离砂轮表面较为突出的金刚石磨粒，由于该激光器频率很高（50kHz-200kHz），且电镀砂轮只有少量几个高点，能够及时反馈整形信息，误差小，不需要复杂的算法，因此整形效率极高；

本发明利用数理统计方法去除扫描电镀砂轮数据中的少量高点，进而反求拟合成砂轮理想轮廓，进而去除电镀砂轮实体上少量高点，整形精整，精度高，相比其他整形方法，很好利用了电镀砂轮少量高点的独有特性，实现了砂轮整形的“快，准，狠”。

由于整形“刀具”是激光，无整形工具损耗，且对于不同的砂轮不用更换“刀具”。

由于该设备通过计算机软件控制，因此操作便捷，可移植性好，实现了整形的自动控制，精度高。

另外，相比其他整形方法，该设备采用的方法无电解液、噪声等污染，对环境相对友好。

附图说明

图1是电镀成型砂轮对磨碳片示意图；

图2是本发明所述的光纤激光整形电镀砂轮示意图；

图3是本发明中激光烧蚀头装配图；

图4是本发明中电镀超硬磨料砂轮母线均分示意图；

图5是要发明中激光位移传感器对电镀超硬磨料砂轮周向扫描示意图；

图6是本发明中激光位移传感器相对电镀超硬磨料砂轮轴向进给示意图。

其中：

1-电镀超硬磨料砂轮，2-碳片，3-激光控制器，4-调QYAG激光器，5-位移传感器，6-激光烧蚀头，7-计算机，8-四轴联动平台，9-激光头，10-烧蚀头主体，11-聚焦透镜，12-聚焦透镜压环，13-保护镜片，14-保护镜片压环，15-同轴气嘴，16-同轴送气孔，17-进气螺纹孔，18-固定螺纹孔。

具体实施方式

以下将结合着附图2对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图2所示，一种电镀超硬磨料砂轮激光整形设备，包括：激光控制器3、调QYAG激光器4、位移传感器5，激光烧蚀头6、计算机7和四轴联动平台8。计算机7通过激光控制器3控制调QYAG激光器4，调QYAG激光器4通过光纤将激光传导到激光烧蚀头6，计算机7发出控制信号，从而通过激光控制器3控制调QYAG激光器4发出激光，通过激光烧蚀头6打在电镀超硬磨料砂轮1上从而对砂轮进行烧蚀。计算机7控制位移传感器5对砂轮进行扫描。计算机7通过控制四轴联动平台8控制位移传感器5对砂轮进行扫描，并控制激光烧蚀头6对电镀超硬磨料砂轮1进行整形。

其中，计算机7的功能包括：

（1）通过编程软件编写程序与激光控制器3通信，从而通过软件对调QYAG激光器4的功率，频率，出光时间等相关参数进行控制；

（2）通过位移传感器5软件控制，显示并处理位移传感器5的扫描数据；

（3）通过控制四轴联动平台8控制位移传感器5对砂轮进行扫描，并控制激光烧蚀头6对电镀超硬磨料砂轮1进行整形。

激光控制器3功能是手动调节激光功率，频率等，但不能精密控制，精密控制由软件进行。位移传感器5是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在感光面的不同位置时，将对应输出不同的电信号，通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。位移传感器5的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路简单、光敏面内无盲区、测量结果与光斑尺寸和形状无关扫描过程中，砂轮以极低的转速旋转，位移传感器5向砂轮发出检测光并使位移传感器5相对砂轮有相对进给。

根据光纤激光器自带激光头的结构尺寸自主设计了激光烧蚀头6，具体装配关系和组成零部件如图3所示。激光烧蚀头6包括激光头9，烧蚀头主体10，聚焦透镜11，聚焦透镜压环12，保护镜片13，保护镜片压环14，同轴气嘴15，同轴送气孔16，进气螺纹孔17和固定螺纹孔18，其中，激光头9与烧蚀头主体10为间隙配合，固定螺钉通过固定螺纹孔18将激光头9和烧蚀头主体10连接在一起，聚焦透镜11放置在烧蚀头主体10内部的凸台上，聚焦透镜压环12放置聚焦透镜11上，保护镜片13放置在聚焦透镜压环12上，通过保护镜片压环14将聚焦透镜11、聚焦透镜压环12和保护镜片13固定，通过螺纹安装同轴气嘴15，同轴气嘴15通过进气螺纹孔17和同轴送气孔16实现激光烧蚀过程中同轴吹气功能。

只需要拧松图中固定螺纹孔18所示沿周向均匀分布的四个固定螺钉就可以方便卸下烧蚀头同轴气嘴15。为了方便更换镜片或者清洗镜片，先卸下前端同轴气嘴15，再旋下保护镜片压环14，就可以拆下聚焦透镜11和保护镜片13，同轴气嘴15有实现同轴吹气功能，气体从进气螺纹孔17进入，从同轴送气孔16吹出作用于砂轮表面。

本发明的技术方案中，位移传感器5型号为LK-G80，调QYAG激光器4连续输出平均功率0-50W，重复频率200Hz～50kHz，脉宽150～500ns，波长λ为1.06μm；所述电镀超硬磨料砂轮1转速为1-2m/s；所述激光的焦距为80mm－120mm，采用聚焦后功率密度达到去除金刚石功率密度阈值3×108W/cm2以上高功率密度脉冲激光，运用计算机7加控制信号对电镀超硬磨料砂轮1进行最终的选择性整形，将砂轮整形到微米级精度。

本发明所述电镀超硬磨料砂轮激光整形方法包括以下具体步骤：

步骤1、将电镀超硬磨料砂轮1安装在磨床上，使砂轮转速1-2m/s，

该步骤中：将激光烧蚀头6和位移传感器5安装到四轴联动平台8上；

步骤2、在计算机中建立电镀砂轮模型，如图4所示，从电镀砂轮的端面开始，沿电镀砂轮母线伸展的方向，在电镀砂轮母线平均取若干个点（此处为1000个点），分别计为1、2、3、······1000。

步骤3、如图5所示，从点1开始，计算机7控制四轴联动平台8带动位移传感器5沿砂轮周向扫描，通过计算机对扫描数据进行分析，由于这些数据都是同一圆周上的，因此这此数据必然满足数理统计中的随机正态分布，利用正态“3δ”法则，剔除异常点，求平均值得到圆周半径R1。然后，如图6所示，计算机7控制位移传感器5相对电镀超硬磨料砂轮1轴向进给1个单位。同样方法，可以得到2到1000点的圆周半径值R2到R1000。

步骤4、通过计算机7处理数据拟合电镀超硬磨料砂轮1的理想轮廓表面；

该步骤中，运用计算机中的DA转换，将1000个离散点拟合成砂轮的表面母线，从而拟合成整个电镀超硬磨料砂轮1的表面轮廓，将所述砂轮表面轮廓的数值储存在计算机7中。

步骤5、选择判断需要整形的砂轮表面突出高点。

该步骤中，位移传感器5按照步骤3中的方式，再次检测砂轮表面颗粒高度，并实时输出测量结果，与已经储存在计算机7的砂轮表面轮廓对应点数值进行比较，判断该点是否需要进行整形，如果砂轮表面的某一点高度值高于拟合表面轮廓对应点数值，则判断该点需要整形；反之，该点不需要整形，传感器继续检测。

步骤6、实时修整砂轮表面突出的高点。

该步骤中，确定需要修整的点后，计算机7产生控制信号通过四轴联动平台8控制激光烧蚀头6运动到一定位置（保证离焦量和法向），使激光脉冲焦点法向（或保证偏角在一定的范围<100）打在砂轮表面上，从而对砂轮上需要修整的各点进行烧蚀。

对步骤5-6反复进行直到达到所需的整形精度。

为了满足电镀砂轮修整，烧蚀头需要偏移一定角度并且有一定范围的深度变化，可以采用计算机控制四轴联动平台实现烧蚀头始终向曲面法向发射激光实现激光修整。这种方法利用了激光位移传感器的高分辨率、高精度特性，并运用计算机分析、实时处理检测数据，因此检测出的加工余量是非常精准的，获得了精准的加工余量后再通过计算机控制四轴联动平台带动激光器烧蚀头来进行烧蚀去除砂轮表面不需要的磨粒和结合剂，最终使砂轮获得所需的几何形状。

因此，电镀超硬磨料砂轮激光整形方法，能够避免机械整形法的缺点又能满足电镀成型曲面砂轮的要求。

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 (3)

1.一种电镀超硬磨料砂轮激光整形设备，包括：激光控制器（3）、调QYAG激光器（4）、位移传感器（5），激光烧蚀头（6）、计算机（7）和四轴联动平台（8）；其特征在于：计算机（7）通过激光控制器3控制调QYAG激光器（4），调QYAG激光器（4）通过光纤将激光传导到激光烧蚀头（6），计算机（7）发出控制信号，从而通过激光控制器（3）控制调QYAG激光器（4）发出激光，通过激光烧蚀头（6）打在电镀超硬磨料砂轮（1）上从而对砂轮进行烧蚀；计算机（7）控制位移传感器（5）对砂轮进行扫描；计算机（7）通过控制四轴联动平台（8）控制位移传感器（5）对砂轮进行扫描，并控制激光烧蚀头（6）对电镀超硬磨料砂轮（1）进行整形。

2.根据权利要求1所述的电镀超硬磨料砂轮激光整形设备，其特征在于：激光烧蚀头（6）包括激光头（9），烧蚀头主体（10），聚焦透镜（11），聚焦透镜压环（12），保护镜片（13），保护镜片压环（14），同轴气嘴（15），同轴送气孔（16），进气螺纹孔（17）和固定螺纹孔（18），其中，激光头（9）与烧蚀头主体（10）为间隙配合，固定螺钉通过固定螺纹孔（18）将激光头（9）和烧蚀头主体（10）连接在一起，聚焦透镜（11）放置在烧蚀头主体（10）内部的凸台上，聚焦透镜压环（12）和保护镜片（13）放置在聚焦透镜压环（12）上，通过保护镜片压环（14）将聚焦透镜（11）、聚焦透镜压环（12）和保护镜片（13）固定，通过进气螺纹孔（17）和同轴送气孔（16）实现激光烧蚀过程中同轴吹气功能。

3.一种电镀超硬磨料砂轮激光整形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将电镀超硬磨料砂轮（1）安装在磨床上，使砂轮转速1-2m/s，其中，激光烧蚀头（6）和位移传感器（5）安装在四轴联动平台（8）上；

步骤2、在计算机（7）中建立电镀砂轮模型，从电镀砂轮的端面开始，沿电镀砂轮母线伸展的方向，在电镀砂轮母线平均取若干个点，分别计为1、2、3、······1000；

步骤3、从点1开始，计算机（7）控制四轴联动平台（8）带动位移传感器（5）沿砂轮周向扫描，通过计算机对扫描数据进行分析，剔除异常点，求平均值得到圆周半径R1，计算机（7）控制位移传感器（5）相对电镀超硬磨料砂轮1轴向进给1个单位，同样方法，可以得到2到1000点的圆周半径值R2到R1000；

步骤4、通过计算机（7）拟合电镀超硬磨料砂轮（1）的理想轮廓表面；

该步骤中，运用计算机中的DA转换，将1000个离散点拟合成砂轮的表面母线，从而拟合成整个电镀超硬磨料砂轮（1）的表面轮廓，将所述砂轮表面轮廓的数值储存在计算机（7）中；

步骤5、选择判断需要整形的砂轮表面突出高点；

位移传感器（5）按照步骤3中的方式，再次检测砂轮表面颗粒高度，并实时输出测量结果，与已经储存在计算机（7）的砂轮表面轮廓对应点数值进行比较，判断该点是否需要进行整形，如果砂轮表面的某一点高度值高于拟合表面轮廓对应点数值，则判断该点需要整形；反之，该点不需要整形，传感器继续检测；

步骤6、实时修整砂轮表面突出的高点；

该步骤中，确定需要修整的点后，计算机（7）产生控制信号通过四轴联动平台（8）控制激光烧蚀头（6）运动到一定位置，使激光脉冲焦点法向打在砂轮表面上，从而对砂轮上需要修整的各点进行烧蚀。

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