CN108581844A - 短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置及方法 - Google Patents

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冯爱新
周远航
尚大智
唐杰
王奎
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Abstract

本发明涉及短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置及方法，超快激光器的输出光路上布置三维振镜扫描系统，三维振镜扫描系统的输出端正对于夹具上的砂轮；采用超快激光器；激光器的参数设置为扫描速度范围0.5～2m/s，扫描间距范围0.01～0.2mm；将砂轮放在夹具上，调整好砂轮相对于激光光斑焦点的位置，激光光束扫描砂轮，分别从激光功率、脉冲重复频率、扫描次数的三个激光工艺参数开展正交试验；试验完成后在激光共聚焦显微镜下观察砂轮表面的微观形貌，根据砂轮表面磨粒的大小、突出高度、单位面积磨粒的个数比较不同工艺参数下的砂轮的修锐效果，确定最佳工艺参数。避免砂轮修整过程中的热效应，提高修整后的表面质量。

Description

短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置及其方法，属于激光修整砂轮的技术领域。
背景技术
金属结合剂金刚石砂轮具有磨削性能优良、加工效率高、使用寿命长等优势。其中金属结合剂因为其超强把持力特性使其成为金刚石砂轮的首选结合剂。
但因为金刚石砂轮超硬特性导致在后期磨钝后存在修整难度大、人工非自动化修整效率低、修整工具磨耗大等问题，这在一定程度上也制约了金刚石砂轮的应用。传统的机械修整法和电火花修整法存在修整精度低、质量差和加工效率低等问题。
激光修整技术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，具有效率和精度高、适用性广、不用更换工具、成本低、对环境友好以及易于实现自动化等与其它修整方法包括机械法和特种加工法不可比拟的优势，是一种极具发展潜力和广阔应用前景的先进修整技术。
近些年，也有很多学者开展激光修整砂轮的研究，但都仅仅局限于普通脉冲激光，没有涉及到皮秒飞秒这两种超快激光，对于波长较短的绿光和紫外光同样没有人在砂轮修整中涉及到。金属结合剂对于波长较短的激光有着比较强的吸收特性，超快激光属于冷加工范畴，加工过程中产生的热效应极小。因此，短波长超快激光特别适用于金属结合剂金刚石砂轮的修整，可以在很大程度上提高激光修整砂轮的效率和质量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，特点是：包含用于安装砂轮的夹具、超快激光器以及三维振镜扫描系统，超快激光器的输出光路上布置三维振镜扫描系统，三维振镜扫描系统的输出端正对于夹具上的砂轮。
进一步地，上述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，其中，所述三维振镜扫描系统包含依光路依次设置的Z轴动态调焦镜、聚焦镜、Y轴振镜以及X轴振镜，超快激光器输出的激光光束经过Z轴动态调焦镜至聚焦镜，聚焦镜聚焦后经Y轴振镜和X轴振镜反射辐照于砂轮上。
进一步地，上述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，其中，所述夹具包含机械手、法兰盘以及夹紧装置，法兰盘设置于机械手上，夹紧装置与法兰盘相固定，夹紧装置上设有挡板，挡板上通过螺栓连接有用于对圆柱状载棒夹紧的夹板，夹板设有用于与挡板形成对夹的夹紧圆弧面，挡板上具有用于与夹板形成对夹配合的夹紧圆弧面。
进一步地，上述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，其中，夹板通过对称均匀分布的多个螺栓与挡板相连接。
本发明短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，特点是：
采用波长为355nm～550nm、脉宽为10ps的超快激光器；
激光器的参数设置为扫描速度范围0.5～2m/s，扫描间距范围0.01～0.2mm；将砂轮放在夹具上，调整好砂轮相对于激光光斑焦点的位置，激光光束扫描砂轮，分别从激光功率、脉冲重复频率、扫描次数的三个激光工艺参数开展正交试验，激光功率取值范围为1～50W，脉冲重复频率取值范围为1～100kHz，扫描次数范围为1～200次；试验完成后在激光共聚焦显微镜下观察砂轮表面的微观形貌，根据砂轮表面磨粒的大小、突出高度、单位面积磨粒的个数比较不同工艺参数下的砂轮的修锐效果，从而确定最佳工艺参数。
更进一步地，上述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其中，采用波长为515nm的绿光。
更进一步地，上述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其中，激光器的扫描速度为1m/s。
更进一步地，上述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其中，激光器的扫描间距为0.01mm。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
1)相比于普通的脉冲激光，本发明超快激光属于冷加工范畴，可以很好的避免砂轮修整过程中的热效应，减少砂轮因为激光加工的热效应而产生的变质层，提高修整后的表面质量。
2)相比于波长较长的红外光，金属结合剂对于短波长激光有着比较强的吸收特性，金刚石对于短波长激光吸收率较小，选择较短波长的激光有利于提高激光烧蚀金属结合剂的速度，从而提高激光修整砂轮的效率。
3)在修整砂轮的过程中，短波长超快激光的可控性更好，可以很好的去除金属结合剂而完好的保留金刚石，从而达到修整砂轮的目的。
4)超快激光具有冷加工效应，利用超快激光修整砂轮时，激光的脉冲宽度小于等于电子、晶格间热传导时间，电子来不及将能量传递给晶格，以致整个加工过程几乎无热传递发生，极大程度的降低了材料的热影响区域，同时可以达到烧蚀过程所需要的峰值能量密度；由于这种冷加工效应，超快激光在修整砂轮时产生的热效应极小，很大程度上避免了金属结合剂和金刚石磨料因热效应而产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷。
5)夹具的夹紧装置对安装砂轮的圆柱状载棒进行夹紧，并通过机械手的运动满足不同冲击加工轨迹需求；
6)金属结合剂对短波长激光有着较高的吸收率，而金刚石对短波长激光吸收率较小，选用合适的短波长激光，有利于提高激光烧蚀金属结合剂的速度，同时保证金刚石不会石墨化，从而提高激光修整砂轮的效率以及修整后砂轮表面的质量。
附图说明
图1：本发明装置的结构示意图；
图2：三维振镜扫描系统的结构示意图；
图3：夹具的结构示意图；
图4：夹紧装置部分的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
如图1所示，短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，包含用于安装砂轮102的夹具101、超快激光器103以及三维振镜扫描系统104，超快激光器103的输出光路上布置三维振镜扫描系统104，三维振镜扫描系统104的输出端正对于夹具上的砂轮102；超快激光器103和三维振镜扫描系统104连接至计算机控制系统105。
如图2所示，三维振镜扫描系统104包含依光路依次设置的Z轴动态调焦镜11、聚焦镜12、Y轴振镜13以及X轴振镜14，超快激光器103输出的激光光束经过Z轴动态调焦镜11至聚焦镜12，聚焦镜12聚焦后经Y轴振镜13和X轴振镜14反射辐照于砂轮102上。
如图3～图4所示，夹具101包含机械手1、法兰盘2以及夹紧装置3，法兰盘2设置于机械手1上，夹紧装置3通过螺钉4与法兰盘2相固定，夹紧装置3上设有挡板6，挡板6上通过螺栓5连接有用于对圆柱状载棒8夹紧的夹板7，夹板7设有用于与挡板6形成对夹的夹紧圆弧面，挡板6上具有用于与夹板7形成对夹配合的夹紧圆弧面；夹板7通过对称均匀分布的多个螺栓5与挡板6相连接。
机械手负载的许可惯性矩为18kg·m2，最大工作范围2896mm，重复定位精度(RP)：±0.05mm，并且可以在电机的控制下实现工作位置的平移。
夹板7通过螺栓5与挡板6相锁紧，对圆柱状载棒8进行对夹，实现对圆柱状载棒8的夹紧；圆柱状载棒8上定位安装砂轮102，机械手1实现运动，通过机械手的运动满足不同冲击加工轨迹需求。
金属结合剂金刚石砂轮的短波长超快激光修整方法，在砂轮修整中首次运用短波长超快激光，超快激光可以很好的避免砂轮修整过程中的热效应，减少砂轮因激光加工的热效应而产生的变质层，提高修整后的表面质量。金属结合剂对于短波长激光有着比较强的吸收特性，金刚石对于短波长激光吸收率较小。选择合适的短波长激光，有利于提高激光烧蚀金属结合剂的速度，同时很大程度上减少修整过程中金刚石向石墨化转变，从而提高激光修整砂轮的效率和修整后砂轮表面的质量。
实施例：
采用超快激光器，具体参数为绿光(波长515nm)，脉宽10ps，扫描速度为1m/s，扫描间距0.01mm。
将砂轮放在夹具上，调整好砂轮相对于激光光斑焦点的位置，激光光束扫描砂轮，分别从激光功率、脉冲重复频率、扫描次数的三个激光工艺参数开展正交试验，激光功率取值范围为1～50W，脉冲重复频率取值范围为1～100kHz，扫描次数范围为1～200次。
由于激光功率、脉冲重复频率、扫描次数三个工艺参数对于砂轮修整的效果影响较大，因此将这三个参数单独提取出来开展正交试验，取最优值。
试验完成后在激光共聚焦显微镜下观察砂轮表面的微观形貌，短波长超快激光可以去除金属结合剂并形成一定数量的凹坑，裸露的金刚石较多，并且金刚石没有发生明显碳化现象。
根据砂轮表面磨粒的大小、突出高度、单位面积磨粒的个数比较不同工艺参数下的砂轮的修锐效果，从而确定最佳工艺参数。
利用3D形貌仪形成修整后砂轮表面金刚石峰点高度分布，可看出波峰波谷错落有致，这表明修整效果较好，金刚石磨粒突出较高，并且存在大量凹坑，提供了很好的容屑空间。
从修整后砂轮表面微观形貌效果可以看出，砂轮的表面质量良好，无微裂纹，金刚石没有石墨化，金刚石外形轮廓清楚，凹坑均匀，地形地貌良好。
本发明短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，具有以下特点：
1)相比于普通的脉冲激光，本发明超快激光属于冷加工范畴，可以很好的避免砂轮修整过程中的热效应，减少砂轮因为激光加工的热效应而产生的变质层，提高修整后的表面质量。
2)相比于波长较长的红外光，金属结合剂对于短波长激光有着比较强的吸收特性，金刚石对于短波长激光吸收率较小，选择较短波长的激光有利于提高激光烧蚀金属结合剂的速度，从而提高激光修整砂轮的效率。
3)在修整砂轮的过程中，短波长超快激光的可控性更好，可以很好的去除金属结合剂而完好的保留金刚石，从而达到修整砂轮的目的。
4)超快激光具有冷加工效应，利用超快激光修整砂轮时，激光的脉冲宽度小于等于电子、晶格间热传导时间，电子来不及将能量传递给晶格，以致整个加工过程几乎无热传递发生，极大程度的降低了材料的热影响区域，同时可以达到烧蚀过程所需要的峰值能量密度；由于这种冷加工效应，超快激光在修整砂轮时产生的热效应极小，很大程度上避免了金属结合剂和金刚石磨料因热效应而产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷。
5)夹具的夹紧装置对安装砂轮的圆柱状载棒进行夹紧，并通过机械手的运动满足不同冲击加工轨迹需求；
6)金属结合剂对短波长激光有着较高的吸收率，而金刚石对短波长激光吸收率较小，选用合适的短波长激光，有利于提高激光烧蚀金属结合剂的速度，同时保证金刚石不会石墨化，从而提高激光修整砂轮的效率以及修整后砂轮表面的质量。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims (9)

1.短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，其特征在于：包含用于安装砂轮的夹具、超快激光器以及三维振镜扫描系统，超快激光器的输出光路上布置三维振镜扫描系统，三维振镜扫描系统的输出端正对于夹具上的砂轮。
2.根据权利要求1所述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，其特征在于：所述三维振镜扫描系统包含依光路依次设置的Z轴动态调焦镜、聚焦镜、Y轴振镜以及X轴振镜，超快激光器输出的激光光束经过Z轴动态调焦镜至聚焦镜，聚焦镜聚焦后经Y轴振镜和X轴振镜反射辐照于砂轮上。
3.根据权利要求1所述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，其特征在于：所述夹具包含机械手、法兰盘以及夹紧装置，法兰盘设置于机械手上，夹紧装置与法兰盘相固定，夹紧装置上设有挡板，挡板上通过螺栓连接有用于对圆柱状载棒夹紧的夹板，夹板设有用于与挡板形成对夹的夹紧圆弧面，挡板上具有用于与夹板形成对夹配合的夹紧圆弧面。
4.根据权利要求3所述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置，其特征在于：夹板通过对称均匀分布的多个螺栓与挡板相连接。
5.权利要求1所述的装置实现短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其特征在于：
采用波长为355nm～550nm的超快激光器；
激光器的参数设置为扫描速度范围0.5～2m/s，扫描间距范围0.01～0.2mm；将砂轮放在夹具上，调整好砂轮相对于激光光斑焦点的位置，激光光束扫描砂轮，分别从激光功率、脉冲重复频率、扫描次数的三个激光工艺参数开展正交试验，激光功率取值范围为1～50W，脉冲重复频率取值范围为1～100kHz，扫描次数范围为1～200次；试验完成后在激光共聚焦显微镜下观察砂轮表面的微观形貌，根据砂轮表面磨粒的大小、突出高度、单位面积磨粒的个数比较不同工艺参数下的砂轮的修锐效果，从而确定最佳工艺参数。
6.根据权利要求5所述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其特征在于：采用脉宽为10ps的超快激光器。
7.根据权利要求5所述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其特征在于：采用波长为515nm的绿光。
8.根据权利要求5所述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其特征在于：激光器的扫描速度为1m/s。
9.根据权利要求5所述的短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，其特征在于：激光器的扫描间距为0.01mm。
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