CN105728961A - 一种基于脉冲激光加工的新型正前角金刚石磨具制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过脉冲激光烧蚀磨粒有序排列的金刚石砂轮，使金刚石磨粒顶角由原来的大于90°变为小于90°，从而改变传统的金刚石磨具负前角磨削方式，使磨削过程中参与磨削的磨粒变为正前角加工。与传统磨削(即负前角磨削)相比，本专利发明的正前角金刚石砂轮在磨削时不需要经过划擦、耕犁、切削三个过程，而是直接进入切削过程，改变了传统的磨削加工模式。金刚石砂轮正前角磨削硬脆材料时，法向磨削力小于切向磨削力，且正前角磨削时的法向和切向磨削力都比负前角磨削时小，从而有效降低硬脆材料磨削后的微裂纹、残余应力、相变、位错、波纹等表面/亚表面损伤，可以大大提高材料表面完整性。

Description

一种基于脉冲激光加工的新型正前角金刚石磨具制造方法

技术领域

本发明涉及一种磨粒有序排列的正前角金刚石磨具及其制造方法。本发明所述的新型磨具可以广泛应用于硬脆材料的磨削加工。

背景技术

目前，工程陶瓷、硬质合金、冷激铸铁等硬脆材料的加工主要是通过超硬磨料磨具(金刚石、立方氮化硼砂轮等)磨削来实现。但是，硬脆材料的高脆性、高硬度给磨削加工带来了极大的困难，容易导致磨削表面完整性(主要表现为微裂纹、残余应力、相变、位错、波纹等表面/亚表面损伤)不良，严重影响硬脆材料的实际使用。

由于金刚石等超硬材料磨粒一般是八面体、菱形十二面体或截角八面体结构，磨粒顶角大于90°，使得金刚石磨具磨削硬脆材料时的前角为负前角。负前角磨削加工过程分为三个阶段：滑擦、耕犁、切削。滑擦阶段，磨粒开始挤入工件，滑擦而过，工件表面产生弹性变形而无切屑；耕犁阶段，磨粒挤入深度加大，工件产生塑性变形，耕犁成沟槽，磨粒两侧和前端堆高隆起；切削阶段，切入深度继续增大，温度达到或超过工件材料的临界温度，部分工件材料明显地沿剪切面滑移而形成磨屑。被加工材料经历弹性变形、塑性变形、形成切屑等阶段，最终实现材料去除。磨削与切削最大区别是多了滑擦、耕犁两个过程，不是直接进入切削过程，原因是磨粒顶角大于90°，是负前角切削过程。因此，磨削时法向力比切向力大、砂轮磨耗严重、生产效率低，且容易造成硬脆材料磨削后表面完整性差。

采用超硬精细磨料磨削时硬脆材料时，由于砂轮容屑空间小，易堵塞，而且结合剂对磨粒的把持力较小，磨粒易脱落，砂轮磨损大，造成磨粒层形貌的改变，从而影响加工精度和表面质量，因此砂轮必须重复修整，降低了磨削效率，增加了加工成本。日本学者开发的在线电解修锐技术(ELID)可以有效地解决细磨粒(微粉级)的金属结合剂砂轮的堵塞问题，但是由于结合剂导电性的限制，该技术在树脂、陶瓷结合剂砂上的使用受到限制，且主要适宜微粉级砂轮。

2013年12月25日公开的发明专利“微结构化大磨粒金刚石砂轮的制造方法(公开号：CN103465187A)”公开了一种大磨粒金刚石砂轮的制造方法。该发明以脉冲激光作为加工工具，以大磨粒金刚石砂轮为加工对象，通过控制金刚石砂轮与激光焦点的相对运动轨迹，在砂轮工作表面上加工出三维微沟槽矩阵结构。该方法使得钎焊大磨粒金刚石砂轮可以直接用于精密磨削，本质是将大磨粒变成小磨粒，可以一定程度地在保证大磨粒金刚石砂轮的磨削加工效率的同时提高加工精度，但无法避免传统磨削中存在的法向磨削力大于切向磨削力，且法向力与切向力绝对量值大的本质问题。

2014年，瑞士学者KonradWegener等采用皮秒脉冲激光对单层电镀金刚石砂轮进行处理，利用激光切向辐照随机分布的金刚石磨粒来改变砂轮地形地貌，使磨粒产生统计意义上的负后角。该方法有助于磨削过程中磨屑的排出，且能一定程度上减小切向和法向磨削力，提高加工精度。但该方法仍未解决法向磨削力大于切向磨削力的问题。

发明内容

本发明提出一种基于脉冲激光加工的正前角金刚石磨具及其制造方法，使金刚石磨粒顶角小于90°，从而磨削过程成为正前角磨削。采用该方法加工出的金刚石砂轮对硬脆材料进行正前角磨削时，磨削力减小，且法向磨削力小于切向磨削力，从而有效降低硬脆材料磨削后的微裂纹、残余应力、相变、位错、波纹等表面/亚表面损伤，大大提高材料表面完整性。本发明采取的技术方案如下：

一种基于脉冲激光加工的新型正前角金刚石磨具制造方法，其特征在于：

步骤1：采用钎焊的方式制作磨粒有序排列的金刚石砂轮，其中，砂轮目数为25#，磨粒选择截角八面体的金刚石磨粒，砂轮制造过程中确保金刚石磨粒顶面A平行于金刚石磨粒所在位置的砂轮切面，且金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒右侧面B的交线c和金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒左侧面B的交线d与砂轮轴线L平行；

步骤2：将步骤1制备的金刚石磨粒有序排列的金刚石砂轮安装在精密平面磨床主轴上，通过激光聚焦系统调整皮秒激光束的入射方向，使激光束垂直于砂轮轴线L与金刚石砂轮相切，磨床主轴以一恒定速度旋转，同时将激光焦点下移至能保证给定金刚石磨粒出刃高度的位置，通过皮秒激光器的烧蚀作用将与激光束发生干涉的金刚石磨粒直接截断去除，确保磨粒出刃高度达到规定值；

步骤3：将经步骤2加工后的金刚石砂轮上第一排金刚石磨粒转动至正上方，通过激光聚焦系统调整皮秒激光束的聚焦位置和入射方向，使激光束聚焦于第一排最外侧的金刚石磨粒，确保激光焦点位于金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒右侧面B的交线c上，入射脉冲激光平行于砂轮端面，并与金刚石磨粒顶面A成夹角γ；

通过聚焦系统中3D振镜控制烧蚀深度，使金刚石磨粒1沿砂轮轴向被烧蚀加工出宽度约20μm的窄缝；完成上述加工后，使入射激光束向磨粒右下方平行移动20μm，继续沿砂轮轴向进行第二道加工，对金刚石磨粒进行一定深度的烧蚀去除，烧蚀深度依次递减，进而并以此类推，直至最终使金刚石磨粒右侧的材料被烧蚀去除并形成一锐角γ；

步骤4：完成步骤3后，通过3D振镜和光学检测系统的反馈调节控制皮秒激光焦点位置的移动，保持激光入射方向不变，将激光焦点精确移动到第一排下一颗磨粒上，重复步骤3的加工操作，以此类推，直至砂轮上一整排磨粒在同一侧全部被加工至指定的锐角γ；

步骤5：将经步骤4加工的砂轮转动一个角度，使下一排磨粒转动至正上方，通过3D振镜和光学检测系统的反馈调节，使激光束聚焦于下一排金刚石磨粒上，续重复步骤3和步骤4，从而使得整个钎焊金刚石磨粒在同一侧都被加工形成锐角γ。

本发明的有益效果：

(1)本发明的磨粒有序排列的正前角金刚石砂轮可以有效降低硬脆材料磨削后的微裂纹、残余应力、相变、位错、波纹等表面/亚表面损伤，使得磨削后工件表面完整性得到明显的改善。

(2)本发明可以广泛应用于硬脆材料刀具的磨削以及陶瓷轴承、陶瓷活塞等一系列关键零部件的加工，对于提高我国战略性行业基础零部件中硬脆材料的加工表面质量意义重大。

附图说明

图1是单颗金刚石磨粒在砂轮上的排布方位示意图；

图2是金刚石砂轮磨粒整体排布示意图；

图3是脉冲激光烧蚀加工金刚石磨粒使之形成正前角的过程示意图。

其中：1-金刚石磨粒，2-砂轮基体，3-脉冲激光束，4-激光聚焦系统，5-激光加工后的正前角金刚石磨粒，6-金刚石磨粒被烧蚀去除的部分。

具体实施方案

以下结合实施方案对本发明作进一步说明，其技术方案不局限于以下所列举的具体实施方案，还包括各具体实施参数之间的任意组合。

具体实施方案一：

本实施方案是一种皮秒激光加工正前角钎焊金刚石砂轮的制造方法，按照以下步骤实现：

步骤1：采用钎焊的方式制作磨粒有序排列的金刚石砂轮，砂轮目数为25#。众所周知，常见的金刚石磨粒晶体有八面体、菱形十二面体和截角八面体等，在该技术方案中，选择截角八面体的金刚石磨粒。砂轮制造过程中确保金刚石磨粒顶面A平行于磨粒所在位置的砂轮切面，且金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒右侧面B的交线c、金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒左侧面B的交线均与砂轮轴线L平行，如图1所示。

金刚石磨粒1在砂轮基体2上的整体排布方式如图2所示，在砂轮轴线方向，金刚石磨粒沿砂轮轴线均匀分布，磨粒轴向间距为b；在砂轮圆周方向，相邻两竖排磨粒的间距保持不变，磨粒周向间距为a；相邻两竖排磨粒之间错开一个恒定的角度α，即前一排的某一颗磨粒与其右下角磨粒的连线与砂轮圆周夹角为α。将每竖排磨粒依次排序为1，2，…，n，在砂轮端面作出相应标记。

步骤2：将步骤1制备的磨粒有序排列的钎焊金刚石砂轮安装在精密平面磨床主轴上。通过激光聚焦系统4调整皮秒脉冲激光束3的入射方向，使激光束垂直于砂轮轴线与金刚石砂轮相切。

所采用的皮秒激光器脉冲宽度为10ps，磨床主轴以一恒定速度旋转，同时将激光焦点下移至能保证给定金刚石磨粒出刃高度的位置，选择合适的激光参数(脉冲宽度、平均功率、脉冲频率等)，通过皮秒激光器的烧蚀作用将与激光束发生干涉的金刚石磨粒直接截断去除，确保磨粒出刃高度达到规定值，控制砂轮的圆跳动至小于5μm。

步骤3：将经步骤2加工后的金刚石砂轮上第一排金刚石磨粒转动至正上方，通过激光聚焦系统调整皮秒激光束的聚焦位置和入射方向，使激光束聚焦于第一排最外侧的金刚石磨粒，确保激光焦点位于金刚石磨粒顶面A与右侧面B的交线c上，入射脉冲激光平行于砂轮端面，与金刚石磨粒顶面A的夹角γ＝75°，如图3所示。

选择合适的激光加工参数，通过聚焦系统中3D振镜的精确控制，控制烧蚀深度，使金刚石磨粒沿砂轮轴向被烧蚀加工出宽度约20μm(焦斑直径)的窄缝；完成上述加工后，通过3D振镜的同步精确控制和光学检测系统的反馈调节，使入射激光束向金刚石磨粒右下方平行移动约20μm，继续沿砂轮轴向进行第二道加工，对金刚石磨粒1进行一定深度的烧蚀去除，烧蚀深度依次递减，并以此类推，直至最终使金刚石磨粒右侧材料被烧蚀去除部分6的形状如图3所示，形成图3所示的锐角γ＝75°。

步骤4：完成步骤3后，通过3D振镜和光学检测系统的反馈调节控制皮秒激光焦点位置的移动，保持激光入射方向不变，将激光焦点精确移动到第一排下一颗磨粒上，重复步骤3的加工操作，以此类推，直至砂轮上一整排磨粒在同一侧全部被加工至指定的75°锐角。

步骤5：将经步骤4加工的砂轮转动一个角度，使第二排磨粒转动至正上方，通过3D振镜和光学检测系统的反馈调节，使激光束聚焦于下一排金刚石磨粒上，续重复步骤3和步骤4，从而使得整个钎焊金刚石磨粒在同一侧都被加工出指定角度。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (2)

1.一种基于脉冲激光加工的新型正前角金刚石磨具制造方法，其特征在于：

步骤1：采用钎焊的方式制作磨粒有序排列的金刚石砂轮，其中，砂轮目数为25#，磨粒选择截角八面体的金刚石磨粒，砂轮制造过程中确保金刚石磨粒顶面A平行于金刚石磨粒所在位置的砂轮切面，且金刚石磨粒顶面A金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒右侧面B的交线c和金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒左侧面B的交线d与砂轮轴线L平行；

步骤2：将步骤1制备的金刚石磨粒有序排列的金刚石砂轮安装在精密平面磨床主轴上，通过激光聚焦系统(4)调整皮秒激光束(3)的入射方向，使激光束垂直于砂轮轴线L与金刚石砂轮相切，磨床主轴以一恒定速度旋转，同时将激光焦点下移至能保证给定金刚石磨粒出刃高度的位置，通过皮秒激光器的烧蚀作用将与激光束发生干涉的金刚石磨粒直接截断去除，确保磨粒出刃高度达到规定值；

步骤3：将经步骤2加工后的金刚石砂轮上第一排金刚石磨粒转动至正上方，通过激光聚焦系统调整皮秒激光束的聚焦位置和入射方向，使激光束聚焦于第一排最外侧的金刚石磨粒，确保激光焦点位于金刚石磨粒顶面A与金刚石磨粒右侧面B的交线c上，入射脉冲激光平行于砂轮端面，并与金刚石磨粒顶面A成夹角γ；

通过聚焦系统中3D振镜控制烧蚀深度，使金刚石磨粒(1)沿砂轮轴向被烧蚀加工出宽度约20μm的窄缝；完成上述加工后，使入射激光束向金刚石磨粒右下方平行移动20μm，继续沿砂轮轴向进行第二道加工，对金刚石磨粒(1)进行一定深度的烧蚀去除，烧蚀深度依次递减，进而并以此类推，直至最终使金刚石磨粒右侧的材料被烧蚀去除并形成一锐角γ；

步骤4：完成步骤3后，通过3D振镜和光学检测系统的反馈调节控制皮秒激光焦点位置的移动，保持激光入射方向不变，将激光焦点移动到第一排下一颗磨粒上，重复步骤3的加工操作，以此类推，直至砂轮上一整排磨粒在同一侧全部被加工至指定的锐角γ；

步骤5：将经步骤4加工的砂轮转动一个角度，使下一排磨粒转动至正上方，通过3D振镜和光学检测系统的反馈调节，使激光束聚焦于下一排金刚石磨粒上，续重复步骤3和步骤4，从而使得整个钎焊金刚石磨粒在同一侧都被加工形成锐角γ。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲激光加工的新型正前角金刚石磨具制造方法，其特征在于：

在砂轮轴线方向，金刚石磨粒沿砂轮轴线均匀分布，磨粒轴向间距为b；在砂轮圆周方向，相邻两竖排磨粒的间距保持不变，磨粒周向间距为a；相邻两竖排磨粒之间错开一个恒定的角度α，即前一排的某一颗磨粒与其右下角磨粒的连线与砂轮圆周夹角为α。