CN106002635A - 基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置及方法，本发明涉及金刚石球头砂轮的在位精密修整装置及方法。本发明的目的是为了解决现有金刚石球头砂轮磨削加工后工件的加工精度低、成本高、不易于实现、通用性弱的问题。基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置由绿碳化硅碟片、修整主轴和磨削主轴组成；所述绿碳化硅碟片安装在修整主轴上，绿碳化硅碟片和修整主轴同轴心设置，修整主轴的轴线与磨削主轴的旋转轴线相互垂直。本发明用于精密机械加工领域。

Description

基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置及 方法

技术领域

本发明涉及金刚石球头砂轮的在位精密修整装置及方法。

背景技术

金刚石砂轮具有磨削效率高、加工质量好、砂轮寿命长等特点，成为硬脆材料加工工具的首选。其中金刚石球头砂轮由于其球形的结构性，特别适用于大深宽比非球面、自由曲面或复杂曲面的超精密磨削加工，在航空航天等领域金刚石球头砂轮应用特别广泛，但是，金刚石球头砂轮修整方法的面形精度低，导致金刚石球头砂轮磨削加工后工件的加工精度低。现有的放电修整需要电源电极等，还要做绝缘，且只能对金属基砂轮修整，因此成本高、不易于实现、通用性弱。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有金刚石球头砂轮磨削加工后工件的加工精度低、成本高、不易于实现、通用性弱的问题，而提出基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置及方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置，其特征在于，所述装置由绿碳化硅碟片、修整主轴和磨削主轴组成；

所述绿碳化硅碟片安装在修整主轴上，绿碳化硅碟片和修整主轴同轴心设置，修整主轴的轴线与磨削主轴的旋转轴线相互垂直。

基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、在修整前将金刚石球头砂轮安装在磨削主轴上，使金刚石球头砂轮和磨削主轴同轴心设置，将安装绿碳化硅碟片的修整主轴和安装金刚石球头砂轮的磨削主轴之间的距离进行调整，使修整主轴的轴线与磨削主轴的旋转轴线相互垂直；

步骤二、使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片和金刚石球头砂轮的初始外形尺寸，开始设定绿碳化硅碟片和金刚石球头砂轮之间的距离为10-20μm，然后采用预修整参数使绿碳化硅碟片按预修整的半圆形修整轨迹方程绕金刚石球头砂轮做相对运动，每完成一次上述相对运动后，金刚石球头砂轮进行一次进给，绿碳化硅碟片与金刚石球头砂轮接触后相互磨损从而实现金刚石球头砂轮的预修整，当金刚石球头砂轮表面完全被修到后预修整过程结束；

步骤三、再次使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片和金刚石球头砂轮的外形尺寸，与初始外形尺寸做差，计算获得绿碳化硅碟片的磨损体积W1和金刚石球头砂轮的磨损体积W3，计算绿碳化硅碟片在修整金刚石球头砂轮时的修整比N；

步骤四、将绿碳化硅碟片的修整比N计入预修整的半圆形修整轨迹，重新设置修整补偿轨迹；使绿碳化硅碟片按照重新设置修整补偿轨迹绕金刚石球头砂轮做相对运动进行精修整，精修整参数与预修整参数相同；完成一次精修整后，使金刚石球头砂轮沿修整主轴的轴线移动0.5mm，然后再按照修整补偿轨迹进行下次修整，直至金刚石球头砂轮的待修整表面全部完成精修整。

发明效果

本发明所述的基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，利用绿碳化硅碟片与金刚石球头砂轮相互磨损实现金刚石球头砂轮的在位修整，基于绿碳化硅碟片的恒定修整比(待修整砂轮与修整工具之间的磨损体积比)设定修整轨迹，从而补偿由绿碳化硅碟片自身磨损所导入的修整误差，使金刚石球头砂轮修整后的面形精度高，大大提高了金刚石球头砂轮磨削加工后工件的加工精度；金刚石球头砂轮为树脂基金刚石砂轮或金属基金刚石砂轮，对绿碳化硅碟片的结构尺寸无精度要求，因此成本低廉，易于购买，此外仅需在原有机床上附加一根修整轴，且对修整轴的精度要求不高，采用一般陶瓷轴承电主轴(回转精度2μm以内)即可实现金刚石球头砂轮的高精度在位修整，易于实现，与现有的金刚石球头砂轮放电修整方法相比，具有较强的通用性，

验证实验结果表明采用本发明所述修整后的金刚石球头砂轮面形精度可达3μm(粒度为D3的金属基和树脂基金刚石砂轮)。修整后使用石墨对球头金刚石砂轮轮廓进行在线复印后离线用Talysurf PGI 1240检测，检测结果表明本发明所述修整后的金刚石球头砂轮面形精度为2.8μm。实验过程中采用同样的测量方法使用现有修整方法修整后金刚石球头砂轮进行检测，修整后的金刚石球头砂轮面形精度为68μm。实验结果表明本发明所述修整后的金刚石球头砂轮面形精度大大高于采用现有方法修整后金刚石球头砂轮面形精度。本发明的具体优点为：

1)本发明所述的一种基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，基于绿碳化硅碟片的恒定修整比(待修整砂轮与修整工具之间的磨损体积比)设定修整轨迹，解决了目前由于绿碳化硅碟片材质较软和磨损量大而导致的无法对金刚石球头砂轮进行精密修整的难题。

2)本发明所述的一种基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，具有较高的在位修整精度，实验结果表明修整后的金刚石球头砂轮面形精度可优于3μm(实验使修整的球头砂轮为D3粒度的金属基和树脂基金刚石砂轮，没有采用本发明所述修整方法时修整后的球头砂轮面形精度大于50μm)。且由于绿碳化硅材料本身对金刚石球头砂轮还具有修锐性能，因此修整后的金刚石球头砂轮表明具有均匀的磨粒突出高度，有利于在后续的磨削过程中获得良好的表明粗糙度。

3)本发明所述的一种基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，具有较低的实施成本且易于实现。对绿碳化硅碟片的结构尺寸无精度要求，因此成本低廉，易于购买。此外仅需在原有机床上附加一根修整轴，且对修整轴的精度要求不高，采用一般陶瓷轴承电主轴(回转精度2μm以内)即可实现金刚石球头砂轮的高精度在位修整，易于实现。

4)本发明所述的一种基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，与现有的金刚石球头砂轮放电修整方法相比，具有较强的通用性，即可以修整金属基金刚石球头砂轮，又可以修整树脂基金刚石球头砂轮。直径范围在10-50mm内的金刚石球头砂轮都适用，且不需要额外的电源设备。

附图说明

图1是本发明所述的基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法的总体布局示意图；

图2是预修整及精修整时采用的修整补偿轨迹示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置，其特征在于，所述装置由绿碳化硅碟片1、修整主轴2和磨削主轴4组成；

所述绿碳化硅碟片1安装在修整主轴2上，绿碳化硅碟片1和修整主轴2同轴心设置，修整主轴2的轴线与磨削主轴4的旋转轴线相互垂直。

具体实施方式二：本实施方式的基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于：基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、在修整前将金刚石球头砂轮3安装在磨削主轴4上，使金刚石球头砂轮3和磨削主轴4同轴心设置，将安装绿碳化硅碟片1的修整主轴2和安装金刚石球头砂轮3的磨削主轴4之间的距离进行调整，使修整主轴2的轴线与磨削主轴4的旋转轴线相互垂直；

步骤二、使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片1和金刚石球头砂轮3的初始外形尺寸，开始设定绿碳化硅碟片1和金刚石球头砂轮3之间的距离为10-20μm，然后采用预修整参数使旋转的绿碳化硅碟片1按预修整的半圆形修整轨迹方程绕金刚石球头砂轮3做相对运动，每完成一次上述相对运动后，金刚石球头砂轮3进行一次进给，绿碳化硅碟片1与金刚石球头砂轮3接触后相互磨损从而实现金刚石球头砂轮3的预修整，当金刚石球头砂轮3表面完全被修到后预修整过程结束；

步骤三、再次使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片1和金刚石球头砂轮3的外形尺寸，与初始外形尺寸做差，计算获得绿碳化硅碟片1的磨损体积W1和金刚石球头砂轮3的磨损体积W3，计算绿碳化硅碟片1在修整金刚石球头砂轮3时的修整比N；

步骤四、将绿碳化硅碟片的修整比N计入预修整的半圆形修整轨迹，重新设置修整补偿轨迹；使旋转的绿碳化硅碟片1按照重新设置修整补偿轨迹绕金刚石球头砂轮3做相对运动进行精修整，精修整参数与预修整参数相同；完成一次精修整后，使金刚石球头砂轮3沿修整主轴2的轴线移动0.5mm，然后再按照修整补偿轨迹进行下次修整，直至金刚石球头砂轮3的待修整表面全部完成精修整。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述步骤一中绿碳化硅碟片1直径为60-120mm，厚度为10-30mm。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式与具体实施方式二或三不同的是，所述步骤一中金刚石球头砂轮3球头直径为10mm-50mm。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述步骤一中金刚石球头砂轮3为树脂基金刚石砂轮或金属基金刚石砂轮。

具体实施方式六：如图1所示，本实施方式与具体实施方式二、三或五不同的是，所述步骤一中将安装绿碳化硅碟片1的修整主轴2和安装金刚石球头砂轮3的磨削主轴4之间的距离大于金刚石球头砂轮3的半径与绿碳化硅碟片1的半径之和。

具体实施方式七：如图2所示，本实施方式与具体实施方式六不同的是，所述步骤二中预修整参数为：砂轮转速为1500rpm、绿碳化硅碟片转速为5000rpm、修整深度为5μm、进给速率为10mm/min。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二、三、五或七不同的是，所述步骤二中预修整的半圆形修整轨迹方程为：

其中，R_c为绿碳化硅碟片1的初始半径，r为金刚石球头砂轮3的目标半径，θ为极角，X为X轴，在XOZ平面内与磨削主轴4的旋转轴线垂直，Y为Y轴，在在XOY平面内与X轴垂直，Z为Z轴，Z轴空间垂直于X轴和Y轴。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是，所述步骤三中修整比N为：

N＝W3/W1 (2)。

具体实施方式十：如图2所示，本实施方式与具体实施方式二、三、五、七或九不同的是，所述步骤四中修整补偿轨迹为：

绿碳化硅碟片1的磨损深度为随金刚石球头砂轮3在Y-Z平面上截面半径变化的变量。要想通过绿碳化硅碟片1与金刚石球头砂轮3之间的相互磨损而获得半球形砂轮，就必须控制绿碳化硅碟片1的磨损深度，修正修整轨迹。将绿碳化硅碟片1的磨损深度公式(10)计入原有预修整的半圆形修整轨迹(1)，使得绿碳化硅碟片1与金刚石球头砂轮3在X轴方向上的接触体积始终是相同的，然后通过持续的迭代修整，金刚石球头砂轮3的轮廓形状就会逼近于标准球。修正后的修整轨迹方程为：

在实际修整过程中，每一此迭代修整后，绿碳化硅碟片1的半径R_n都会放生变化，需要重新修改轨迹，带来额外的工作量。为了减少修改轨迹的次数，在每次迭代修整后，将金刚石球头砂轮3沿Y轴方向横移0.5mm，这样在下一次迭代修整时绿碳化硅碟片1的半径还是R_n，最终修整轨迹方程为：

其中，n为修整次数，为正整数；R_n为第n次修整时的绿碳化硅碟片1半径；a_p为修整深度。

工作原理：

本发明所述的一种基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其工作原理在于，当采用恒定修整参数时，绿碳化硅碟片1与金刚石球头砂轮3相互之间的磨耗比是不变的，即具有恒定修整比：

N＝W3/W1 (2)

如图2所示，在沿X轴方向上，金刚石球头砂轮3的待修整体积是随Y-Z平面内金刚石球头砂轮3的截面半径变化的，其体积方程为：

$W3=\underset{0}{\overset{r}{\∫}}2{\mathrm{\πx\ΔAa}}_{p}dx---\left(4\right)$

其中，x为金刚石球头砂轮3在Y-Z平面内任意处的截面半径；ΔA为金刚石球头砂轮3上任意处x与绿碳化硅碟片1的单位接触面积，为常数；a_p为设定的修整深度。

由于绿碳化硅碟片1自身的磨损量随金刚石球头砂轮3的待修整体积而变化，且磨耗比不变，因此将公式(7)代入公式(8)，即可获绿碳化硅碟片1沿X轴方向的磨损体积方程为：

$W1=2{\mathrm{\πR}}_n\mathrm{\Δ}A\mathrm{\Δ}H=\left(\underset{0}{\overset{r}{\∫}}2{\mathrm{\πx\ΔAa}}_{p}dx\right)/N---\left(5\right)$

其中ΔH为金刚石球头砂轮3上任意处x的绿碳化硅碟片1的磨损深度，简化公式(5)可求得：

$\mathrm{\Δ}H=a_p\left(\underset{0}{\overset{r}{\∫}}xdx\right)/R_{n}N---\left(6\right)$

可见，绿碳化硅碟片1的磨损深度为随金刚石球头砂轮3在Y-Z平面上截面半径变化的变量。要想通过绿碳化硅碟片1与金刚石球头砂轮3之间的相互磨损而获得半球形砂轮，就必须控制绿碳化硅碟片1的磨损深度，修正修整轨迹。将绿碳化硅碟片1的磨损深度公式(6)计入原有预修整的半圆形修整轨迹方程(1)，使得绿碳化硅碟片1与金刚石球头砂轮3在X轴方向上的接触体积始终是相同的，然后通过持续的迭代修整，金刚石球头砂轮3的轮廓形状就会逼近于标准球。修正后的修整轨迹方程为：

在实际修整过程中，每一此迭代修整后，绿碳化硅碟片1的半径R_n都会放生变化，需要重新修改轨迹，带来额外的工作量。为了减少修改轨迹的次数，在每次迭代修整后，将金刚石球头砂轮3沿Y轴方向横移0.5mm，这样在下一次迭代修整时绿碳化硅碟片1的半径还是R_n，最终修整轨迹方程为：

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法具体是按照以下步骤制备的：

针对直径为30mm的粒度为D3的金属基金刚石砂轮，选用直径70mm厚为10mm的粒度为#400的绿碳化硅碟片作为修整工具，进行修整试验。

步骤一、在修整前将金刚石球头砂轮3安装在磨削主轴4上，使金刚石球头砂轮3和磨削主轴4同轴心设置，将安装绿碳化硅碟片1的修整主轴2和安装金刚石球头砂轮3的磨削主轴4之间的空间位置进行调整，使修整主轴2的轴线与磨削主轴4的旋转轴线相互垂直。修整主轴2与磨削主轴4之间的距离大于50mm(金刚石球头砂轮3的半径与绿碳化硅碟片1的半径之和)。

步骤二、使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片1和金刚石球头砂轮3的初始外形尺寸，开始设定绿碳化硅碟片1和金刚石球头砂轮3之间留10μm间隙，然后采用预修整参数(砂轮转速为1500rpm、绿碳化硅碟片转速为5000rpm、修整深度为5μm、进给速率为10mm/min)使旋转的绿碳化硅碟片1按预修整的半圆形修整轨迹方程绕金刚石球头砂轮3做相对运动，预修整的半圆形修整轨迹方程为：

每完成一次上述相对运动后，金刚石球头砂轮3进行一次进给5μm(修整深度)，绿碳化硅碟片1与金刚石球头砂轮3接触后相互磨损从而实现金刚石砂轮3的预修整，当金刚石球头砂轮3表面完全被修到后预修整过程结束。

步骤三、再次使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片1和金刚石球头砂轮3的外形尺寸，与初始外形尺寸做差，计算获得绿碳化硅碟片1的磨损体积为2458.70mm³和金刚石球头砂轮3的磨损体积为68.85mm³，计算绿碳化硅碟片1在修整金刚石球头砂轮3时的修整比N；

N＝W3/W1＝0.028

步骤四、将绿碳化硅碟片的修整比N计入预修整的半圆形修整轨迹，重新设置修整补偿轨迹，修整补偿轨迹为：

使旋转的绿碳化硅碟片1按照重新设置的修整补偿轨迹绕金刚石球头砂轮3做相对运动进行精修整，精修整参数与预修整参数相同；完成一次精修整后，使金刚石球头砂轮3沿修整轴2的轴线移动0.5mm，然后再按照修整补偿轨迹进行下次修整，直至金刚石球头砂轮3的待修整表面全部完成精修整。

修整后使用石墨对球头金刚石砂轮轮廓进行在线复印后离线用Talysurf PGI1240检测，检测结果表明修整后的金刚石球头砂轮面形精度为2.8μm。实验过程中采用同样的测量方法对使用现有修整方法修整后金刚石球头砂轮进行检测，修整后的金刚石球头砂轮面形精度为68μm。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整装置，其特征在于，所述装置由绿碳化硅碟片(1)、修整主轴(2)和磨削主轴(4)组成；

所述绿碳化硅碟片(1)安装在修整主轴(2)上，绿碳化硅碟片(1)和修整主轴(2)同轴心设置，修整主轴(2)的轴线与磨削主轴(4)的旋转轴线相互垂直。

2.基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于：基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、在修整前将金刚石球头砂轮(3)安装在磨削主轴(4)上，使金刚石球头砂轮(3)和磨削主轴(4)同轴心设置，将安装绿碳化硅碟片(1)的修整主轴(2)和安装金刚石球头砂轮(3)的磨削主轴(4)之间的距离进行调整，使修整主轴(2)的轴线与磨削主轴(4)的旋转轴线相互垂直；

步骤二、使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片(1)和金刚石球头砂轮(3)的初始外形尺寸，开始设定绿碳化硅碟片(1)和金刚石球头砂轮(3)之间的距离为10-20μm，然后采用预修整参数使绿碳化硅碟片(1)按预修整的半圆形修整轨迹方程绕金刚石球头砂轮(3)做相对运动，每完成一次上述相对运动后，金刚石球头砂轮(3)进行一次进给，绿碳化硅碟片(1)与金刚石球头砂轮(3)接触后相互磨损从而实现金刚石球头砂轮(3)的预修整，当金刚石球头砂轮(3)表面完全被修到后预修整过程结束；

步骤三、再次使用激光测微仪测定绿碳化硅碟片(1)和金刚石球头砂轮(3)的外形尺寸，与初始外形尺寸做差，计算获得绿碳化硅碟片(1)的磨损体积W1和金刚石球头砂轮(3)的磨损体积W3，计算绿碳化硅碟片(1)在修整金刚石球头砂轮(3)时的修整比N；

步骤四、将绿碳化硅碟片的修整比N计入预修整的半圆形修整轨迹，重新设置修整补偿轨迹；使绿碳化硅碟片(1)按照重新设置修整补偿轨迹绕金刚石球头砂轮(3)做相对运动进行精修整，精修整参数与预修整参数相同；完成一次精修整后，使金刚石球头砂轮(3)沿修整主轴(2)的轴线移动0.5mm，然后再按照修整补偿轨迹进行下次修整，直至金刚石球头砂轮(3)的待修整表面全部完成精修整。

3.根据权利要求2所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤一中绿碳化硅碟片(1)直径为60-120mm，厚度为10-30mm。

4.根据权利要求2或3所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤一中金刚石球头砂轮(3)球头直径为10mm-50mm。

5.根据权利要求4所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤一中金刚石球头砂轮(3)为树脂基金刚石砂轮或金属基金刚石砂轮。

6.根据权利要求2、3或5所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤一中将安装绿碳化硅碟片(1)的修整主轴(2)和安装金刚石球头砂轮(3)的磨削主轴(4)之间的距离设置为大于金刚石球头砂轮(3)的半径与绿碳化硅碟片(1)的半径之和。

7.根据权利要求6所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤二中预修整参数为：金刚石球头砂轮(3)转速为1500rpm、绿碳化硅碟片(1)转速为5000rpm、修整深度为5μm、进给速率为10mm/min。

8.根据权利要求2、3、5或7所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤二中预修整的半圆形修整轨迹方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X=(R_c+r)cos\mathrm{\θ}\\ Y=0\\ Z=(R_c+r)sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，-90°≤θ≤0°，R_c为绿碳化硅碟片(1)的初始半径，r为金刚石球头砂轮(3)的目标半径，θ为极角，X为X轴，在XOZ平面内与磨削主轴(4)的旋转轴线垂直，Y为Y轴，在在XOY平面内与X轴垂直，Z为Z轴，Z轴空间垂直于X轴和Y轴。

9.根据权利要求8所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤三中修整比N为：

N＝W3/W1 (2)。

10.根据权利要求2、3、5、7或9所述基于绿碳化硅碟片的金刚石球头砂轮精密在位修整方法，其特征在于所述步骤四中修整补偿轨迹为：

$\left\{\begin{array}{c}X=(1-a_p/R_{n}N)(R_n+r)cos\mathrm{\θ}\\ Y=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}\left(0.5n\right)\\ Z=(R_n+r)sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，-90°≤θ≤0°，n为修整次数，为正整数；R_n为第n次修整时的绿碳化硅碟片(1)半径；a_p为修整深度。