CN108838889B - 一种硬脆自由曲面磨削装置及磨削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬脆自由曲面磨削装置，包括用以对工件表面进行磨削的ELID磨削设备和用以对工件表面进行加热的激光装置，所述ELID磨削设备包括用以对工件表面进行磨削的砂轮，在磨削方向上，所述激光装置发出的激光在工件表面上形成的加热点位于砂轮在工件表面上形成的磨削点的前方。该磨削装置通过采用ELID磨削设备提高了加工精度，通过采用激光装置加热的方式降低了磨削的难度，提高了磨削效率，延长了砂轮的寿命。

Description

一种硬脆自由曲面磨削装置及磨削方法
技术领域
本发明涉及曲面加工领域，尤其涉及一种硬脆自由曲面磨削装置及磨削方法。
背景技术
随着光电技术及IT行业和数码行业的发展，自由光学曲面零件已成为光电及通信产品的核心零部件。为让光学系统具有优秀的光学性能，其光学曲面模芯往往必须达到纳米级镜面，其材料往往采用高速工具钢、硬质合金钢甚至陶瓷材料。
针对硬脆难加工材料的超精密加工，ELID(Electrolytic In-Process Dressing)磨削技术实现了超硬微粉级砂轮的在线电解修整，在硬脆材料等难加工材料磨削领域被广泛应用。对微粉级W10粒度的金刚石砂轮进行修整，采用0.01mm切深及<50mm/min的进给速度下，通过多次进给磨削和光磨可实现对超硬自由曲面透镜模芯的超精密磨削。由于采用小切深、慢进给的加工工艺，其加工效率及成本难以得到改善。
现阶段激光加热辅助加工能改善难加工材料的可加工性能，对样件的加工质量、加工效率及刀具寿命方面也起到了很大的帮助。采用激光加热辅助切削，其加工速度可以提高10倍，切削力与常规相比可下降30％-60％，刀具寿命延长2-10倍。但该技术主要应用于普通车削和铣削，除平面和圆柱棒料磨削外，至今未见对硬脆材料自由曲面加工的文献。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种硬脆自由曲面磨削装置及磨削方法，通过采用ELID技术和激光加热配合的方式，一方面能够达到更高的加工精度，另一方面能够提高ELID砂轮的寿命。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种硬脆自由曲面磨削装置，其特征在于，包括用以对工件表面进行磨削的ELID磨削设备和用以对工件表面进行加热的激光装置，所述ELID磨削设备包括用以对工件表面进行磨削的砂轮，在磨削方向上，所述激光装置发出的激光在工件表面上形成的加热点位于砂轮在工件表面上形成的磨削点的前方。
优选地，所述ELID磨削设备还包括电源、与电源负极电连接的电极以及用以喷出电解液的喷嘴，所述砂轮与电源的正极电连接，所述电极用以对砂轮的圆周表面进行电解，所述砂轮与电极之间具有间隙，所述喷嘴用以向所述间隙喷入电解液。
优选地，所述砂轮的圆周表面沿着砂轮的轴线方向为圆弧面，所述电极的与砂轮配合的一侧设置有内凹的圆弧面，所述电极的圆弧面的直径大于砂轮的圆弧面的直径。
优选地，还包括用以带动砂轮、电极以及喷嘴同步移动的第一移动平台和用以带动激光装置移动的第二移动平台，所述第一移动平台和第二移动平台均可在XYZ空间内移动且两平台独立控制。
优选地，所述激光装置能够根据预先确定的砂轮的运动轨迹实时地调整其所发射的激光的参数。
本发明还提供一种上述磨削装置的磨削方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)磨削之前，根据工件表面确定砂轮和激光装置的运动轨迹，并根据所述运动轨迹和工件的材质设定激光装置的初始参数；
2)开始磨削，砂轮转动对工件表面进行磨削，激光装置向着工件表面照射；
3)第一移动平台带着砂轮沿着所述运动轨迹移动，第二移动平台带着激光装置沿着所述运动轨迹移动，直至磨削完成。
优选地，在步骤2中，在开始磨削时，电源向电极和砂轮供电，喷嘴向着所述间隙喷入电解液。
优选地，在步骤3中，激光装置根据所述运动轨迹实时调整激光的参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
该磨削装置通过采用ELID磨削设备和激光装置配合的方式对硬脆自由曲面进行磨削，通过采用ELID磨削设备能够保证磨削的精度，而通过激光装置对将要磨削的曲面进行加热并软化进而能够降低磨削的难度，这样不仅仅能够使磨削的精度提高20-30％，将生产效率提升50-100％以上，还能够使砂轮寿命提高1倍以上。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的原理图
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
如图1所示，一种硬脆自由曲面磨削装置，包括用以对工件200的曲面进行磨削的ELID磨削设备1和用以对待磨削的曲面上的待磨削位置进行加热的激光装置2。
所述ELID磨削设备1包括电源11、与电源11的正极电连接的砂轮12、与电源11的负极电连接的电极13，所述砂轮12用以对工件200的曲面进行磨削以达到需要的精度，为了能够对曲面进行更好的磨削，所述砂轮12的圆周面沿着轴向方向呈圆弧形，在磨削时，工件200与砂轮12接触的位置为磨削点3。
所述电极13用以对砂轮12进行电解以对砂轮12的表面进行实时修整。所述电极13与砂轮12之间具有间隙14，所述磨削设备1还具有电解液喷嘴15用以向间隙14中喷入电解液进而能够通过电解的形式对砂轮12的表面进行实时修整。同样，为了能够对砂轮12的整个圆周表面进行修整，所述电极13的与砂轮12配合的一面呈内凹的圆弧形进而电极13能够罩住对应位置处的砂轮12的圆周表面。
所述激光装置2用于向待磨削的曲面发射激光，所述激光照射到曲面的位置为加热点4，沿着磨削方向，所述加热点4位于磨削点3的前方，这样在砂轮12到达加热点4之前，通过控制激光束的参数使加热点4达到一定的稳定度，使加热点4附近的材料局部软化，然后砂轮12到达加热点4处进行磨削，这样就降低了硬质材料的磨削难度。需要注意图中的激光装置2仅为原理图，在实际产品中，砂轮12和激光装置2位于工件200的同一侧。
所述磨削装置还包括用以带动砂轮12在XYZ方向移动的第一移动平台和用以带动激光装置2在XYZ方向移动的第二移动平台。该磨削装置主要应用于曲面加工，因此在磨削过程中，当磨削点3和加热点4在XY平面内移动同样的距离时，要想保持激光装置2与加热点4的距离始终不变，砂轮12和激光装置2在Z方向上的移动距离有时是不同的，因此，第一移动平台和第二移动平台需要分别控制。在实际加工中，磨削点3和加热点4距离很近，加热点4相对磨削点3只保持微小的提前量。
由于曲面曲率的变化，激光照射到工件表面后，各磨削点处与激光束的入射角α不同，将导致材料对激光的吸收率及温度变化，因此，为了使工件不同加热点4都能够尽可能地达到相同的加热温度，需要适时地改变激光的参数来调整激光的照射强度。激光的参数的改变主要根据材料的硬度、强度等力学性能随温度的变化规律、激光入射角与温度场的关系，在一个加工过程中，由于其材料是特定的，即工件的硬度、强度等是特定的，因此只需要根据曲面曲率的变化来改变激光的参数，即根据入射角与温度场的关系，具体地所述入射角与温度场的关系采用现有技术。由于入射角与曲面的曲率有关，因此，在进行正式磨削之前，需要计算出工件200上的磨削点3的运动轨迹，通过磨削点3的运动轨迹即可获得加热点4的运动轨迹进而能够获得入射角的大小。
该磨削装置的磨削方法如下：
1)磨削之前，根据需要加工成的零件的形状确定磨削点和加热点的运动轨迹，并根据所述运动轨迹和工件的材质设定激光装置的参数；
2)开始磨削，砂轮12转动对磨削点3进行磨削，激光装置2向着加热点4照射；
3)第一移动平台带着砂轮12沿着所述运动轨迹移动，第二移动平台带着激光装置2沿着所述运动轨迹移动，直至磨削完成。.
在步骤1)中，为了方便确定加热点4的轨迹，将加热点4与磨削点3的距离l为一确定值，即在磨削点3的位置确定后，根据磨削点3的运动轨迹以及距离l即可确定与磨削点3对应的加热点4。
在步骤3)中，激光装置2根据运动轨迹实时调整激光参数以保证磨削表面能够达到相同的加热温度。并且第一移动平台和第二移动平台在XY平面移动的速度保持一致，这样能够保证砂轮12与激光装置2之间的距离保持不变。
在步骤2)中，开始磨削时，电源11向砂轮12和电极13供电，喷嘴5向着砂轮12与电极13之间的间隙喷入电解液。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种基于硬脆自由曲面磨削装置的磨削方法，所述硬脆自由曲面磨削装置包括用以对工件表面进行磨削的ELID磨削设备和用以对工件表面进行加热的激光装置，所述ELID磨削设备包括用以对工件表面进行磨削的砂轮，在磨削方向上，所述激光装置发出的激光在工件表面上形成的加热点位于砂轮在工件表面上形成的磨削点的前方；
所述ELID磨削设备还包括电源、与电源负极电连接的电极以及用以喷出电解液的喷嘴，所述砂轮与电源的正极电连接，所述电极用以对砂轮的圆周表面进行电解，所述砂轮与电极之间具有间隙，所述喷嘴用以向所述间隙喷入电解液；
所述砂轮的圆周表面沿着砂轮的轴线方向为圆弧面，所述电极的与砂轮配合的一侧设置有内凹的圆弧面，所述电极的圆弧面的直径大于砂轮的圆弧面的直径；
还包括用以带动砂轮、电极以及喷嘴同步移动的第一移动平台和用以带动激光装置移动的第二移动平台，所述第一移动平台和第二移动平台均可在XYZ空间内移动且两平台独立控制；
所述激光装置能够根据预先确定的砂轮的运动轨迹实时地调整其所发射的激光的参数；其特征在于，
所述磨削方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）磨削之前，根据工件表面确定砂轮和激光装置的运动轨迹，并根据所述运动轨迹和工件的材质设定激光装置的初始参数；
2）开始磨削，砂轮转动对工件表面进行磨削，激光装置向着工件表面照射；
3）第一移动平台带着砂轮沿着所述运动轨迹移动，第二移动平台带着激光装置沿着所述运动轨迹移动，直至磨削完成；
在步骤2）中，在开始磨削时，电源向电极和砂轮供电，喷嘴向着所述间隙喷入电解液；
在步骤3）中，激光装置根据所述运动轨迹实时调整激光的参数。
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