CN110202478A - 一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法 - Google Patents

Abstract

一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法，包括：步骤1，设置微水导激光参数并对刀；步骤2，径向粗修形：沿平形砂轮轴向将其工作面等分为宽度为L的若干截面，根据激光水束沿砂轮轴向进给深度的不同，依次在每个截面内去除不同深度H的磨料层，最终将平行砂轮粗修形成圆弧形砂轮；步骤3，检测砂轮表面轮廓精度，得到表面各点的高度信息并对刀；步骤4，切向精整形；步骤5，设置微水导激光工艺参数并对刀；步骤6，径向修锐。本发明以水束引导高能量密度的激光束以熔融、气化为主的方式去除砂轮材料，提出了激光水束变速率扫描的数学模型，保证了磨粒出刃高度的一致性，修整后砂轮表面形貌好、修整精度高，且水束冷却保证了修整质量，节能环保。

Description

一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法

技术领域

本发明属于砂轮的修整方法，具体涉及到一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法。

背景技术

近年来，随着全球3C产业的飞速发展，数码产品的需求量大幅增长，传统的球面镜、平面镜等光学元件由于受到成像质量和分辨率等因素的制约，已逐渐被非球面玻璃透镜所取代。在光学系统中使用非球面零件可以提高光学特性，改善成像质量，减少光学零件数目，从而简化系统结构，减小系统体积，而且更轻便，外形更美观，基于成形金刚石砂轮的超精密磨削技术是其制备的有效手段。金刚石砂轮包括磨料层3和基体4。磨削时，砂轮的轮廓形状误差与加工后工件的面形误差具有一定的映射关系，这会影响加工后工件的表面粗糙度以及亚表面层损伤程度。为提升磨削质量，必须定期对砂轮进行修整。圆弧形金刚石砂轮与普通平形砂轮相比，由于金刚石磨粒硬度极高，砂轮结合剂把持能力强，砂轮轮廓截面复杂，导致砂轮磨钝后的修整极其困难。因此，圆弧形金刚石砂轮的精密修整是实现球面、非球面及自由曲面超精密磨削加工的关键技术。

针对圆弧形砂轮修整技术的研究，以传统的机械修整法以及电火花、激光等特种修整方法为主。公开号为CN108381398A的专利“一种摆动式超硬砂轮圆弧修整器”提出了一种可修整各种半径的圆弧形砂轮的方法。修整轮安装在电主轴上，由驱动装置实现摆动运动来修整圆弧形轮廓，并可实现修整过程中砂轮磨损量的补偿，但砂轮磨损的在线监测和实时补偿的难度较大，修整后砂轮的轮廓精度不是很高。公开号为 CN103802039A的专利“一种凹曲面超硬磨料砂轮激光修整设备及方法”充分利用数控精密机床的高精度和计算机软件的高效性，直接建立标准砂轮标准轮廓各点与待修整砂轮的坐标对应关系，通过激光位移传感器扫描凹曲面砂轮轮廓，并与对应标准轮廓的对应点进行比较，从而判断该点是否需要修整，能够及时反馈修整信息，但仅去除了砂轮表面的高点材料，磨粒并未出刃，即仅适用于整形。公开号为CN103802027A的专利“一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的方法”也采用了相同的原理来修整成形砂轮，但其利用衍射光学元件将激光器发出的发散的准直光束整形成激光功率密度均匀的矩形平行光束，修整砂轮时材料去除更均匀，但同样仅适用于整形过程。

在相关的文献报道中，针对垂直磨削法中圆弧砂轮顶点区域的修整，陈冰等提出了一种利用磨棒端面精密修整砂轮截面圆弧顶点区域的方法，旋转的砂轮以一定的进给速度和磨削深度与旋转的GC磨棒端部对磨，随着修整过程的持续进行，砂轮安装和磨损产生的偏心和跳动会不断减小，修整后砂轮的回转误差由40μm下降到10μm。基于杯形砂轮的修整原理，柯晓龙等人开发了专用的两轴圆弧砂轮修整器，能修整出圆弧半径为 30～100mm的金刚石砂轮。张飞虎等人研制了摆动电极式电火花修整装置用于修整圆弧形砂轮，电极绕圆弧廓形往复摆动逐渐形成圆弧轮廓，电极磨损易补偿，但电极与工件间放电区域小，修整效率较低。

由此可见，目前针对圆弧形成形砂轮的修整，机械法、电火花修整、激光修整法等均存在诸多的不足，迫切需要一种集高修整效率、精度、质量、环境友好为一体的砂轮修整技术，提高修整精度和效率。

因此，本领域需要一种新的圆弧形金刚石砂轮的修整方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法，以解决背景技术中提出的传统的机械修整法以及激光等特种修整方法均存在修整效率较低、修整质量较差以及应用范围有限的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1，设置微水导激光参数，并对刀，使激光水束径向入射至平形砂轮表面；

步骤2，径向粗修形：沿平形砂轮轴向将其工作面等分为宽度为L的若干截面，根据激光水束沿砂轮轴向进给深度a的不同，依次在每个截面内去除不同深度H的磨料层，最终将平形砂轮粗修形成圆弧形砂轮；

步骤3，检测粗修形后得到的圆弧形砂轮的表面轮廓精度，得到砂轮表面各点的高度信息并对刀；

步骤4，切向精整形：该步骤中激光水束的入射方向与圆弧形砂轮的圆弧曲线对应的轴心线平行，入射的激光水束同时去除金刚石磨粒和结合剂材料；

步骤5，设置微水导激光工艺参数并对刀；

步骤6，径向修锐：激光水束沿砂轮径向入射到砂轮表面，均匀去除结合剂使磨粒均匀出刃。

进一步地，所述步骤2中，从左至右的第n个截面需去除的砂轮材料深度H可表示为：

式中，M为磨料层厚度，R为理想圆弧半径，D为砂轮宽度；Ln在D/2至D的范围内时，要求去除的材料深度与0至D/2范围内的对称分布。

进一步地，所述步骤3中，采用激光测微仪沿圆弧形金刚石砂轮轴向匀速扫描圆弧形轮廓表面，采样频率40～60KHz，采样精度0.1μm，得到砂轮表面各点的高度信息，并比较得到最高点的高度信息，最高点的突出高度即为步骤4中激光水束在砂轮表面的总切削深度。

进一步地，所述步骤6中，激光水束每扫描1～20次，便在线检测砂轮表面磨粒的出刃高度信息，直至出刃高度达标。

进一步地，步骤6中，合适的出刃高度为相应磨粒粒径的1/4～1/3。

进一步地，所述砂轮为青铜结合剂金刚石砂轮，砂轮宽度D＝8～12mm、磨料层厚度M＝6～10mm、砂轮直径80～120mm，磨粒粒径100～140μm，圆弧形砂轮目标圆弧半径为 4～8mm，微水束输出喷嘴的直径为25～30μm，实际输出的激光水束直径为20～25μm，有效工作长度为50～90mm。

进一步地，所述步骤2和4中，激光水束的激光能量大于金刚石磨粒的去除阈值2.85 ×10⁸W/cm²；所述步骤6中，激光水束的能量为10⁷W/cm²量级。

进一步地，步骤4中，控制砂轮旋转，激光水束以切削深度a_p和扫描速度v沿砂轮径向截面的圆弧形轮廓扫描，通过控制激光水束的扫描速度v使水束重叠，同时去除金刚石磨粒和结合剂材料，以不同的切削深度进行整形，直至砂轮表面的圆跳动误差不超过 15μm。

进一步地，所述步骤6中，根据不同水束截面对应的材料体积的不同，保证砂轮不同截面位置吸收对应体积之比的水束能量，激光水束以变速率的扫描速度沿砂轮轴向循环扫描，均匀去除结合剂使磨粒均匀出刃；此步骤中，砂轮材料对激光水束的吸收率A_c仅与入射角α有关，且随着入射角的增大，吸收率逐渐减小；

式中f为折射率，k为消光系数；入射角α与激光水束的轴向进给深度a的关系为：

式中，D为砂轮宽度，d₀为激光水束直径，r₀为激光水束半径，R为目标圆弧半径；建立坐标系，不同的水束截面①、②对应不同的入射角α、吸收率A_c以及需去除的结合剂体积W₁、W₂，砂轮表面在水束截面①处吸收的能量记为E₁，在水束截面②处吸收的能量记为E₂，其中，

式中，P为激光束的输出功率，β为水束对激光的衰减系数，其值为0.09，T为砂轮表面至激光水束喷嘴孔的距离，D_sl为砂轮直径，v为水束轴向进给速度；通过控制激光水束的扫描速度使水束重叠，使各水束截面内砂轮表面材料吸收对应材料体积的能量，即：

整理得：

因此，得到激光水束扫描速度与入射角的关系如上式所示，根据入射角与激光水束轴向进给深度a的关系，可得到激光水束扫描速度与轴向进给深度之间的关系，从而达到控制水束扫描速度，均匀去除结合剂材料的目的。

本发明的有益效果包括：

1、修整效率高。本发明采用的微水导加工技术是以水束引导高能量密度的激光束去除砂轮材料，材料去除方式以熔融，气化为主。切向整形时，激光水束以一定的切削深度沿砂轮轮廓走刀，采用较高的水束能量能快速去除砂轮表面突出的材料，快速改善砂轮圆跳动误差大的表面状况，提高整形效率。径向修锐时，激光水束直接沿砂轮轴向进给，以较小的水束能量去除一定深度的结合剂材料使磨粒出刃。微水导激光加工“无焦点”的加工特点，无需离焦量的控制，使其能在保证结合剂材料均匀去除的同时实现修整效率的提升。

2、修整后砂轮表面形貌好。微水导加工的水束能量分布是均匀的，能保证砂轮材料的均匀去除，提高结合剂表面平整度和磨粒出刃高度的一致性。此外，水束除引导激光束到加工材料表面，还起着冷却、带走烧蚀熔融物、降低砂轮表面热损伤的作用，被去除的材料碎屑及其产生的热量由水束流迅速带走，大大降低砂轮表面的热积累，减少热应力裂纹的产生。

3、修整精度高。成形砂轮的修整精度包括轮廓精度以及成形轮廓在砂轮表面的相对位置精度。水导激光精细、低热损伤的加工方式能保证成形砂轮修整的轮廓精度，排屑顺畅，修整后砂轮表面熔融物附着很少。除此之外，水导激光修整时的对刀精度较高，激光水束走的轨迹与成形砂轮轮廓能高精度吻合，减小修整成形的轮廓在轴向和径向的偏差，能够保证成形轮廓在砂轮表面的相对位置精度。

4、环保。传统的机械法、电火花等特种修整方法虽能实现一定的修整精度，但都避免不了对环境，人体造成危害。水导激光修整技术利用无污染的水作为能量传输介质，大大降低了对环境的影响，且极小的水束直径(取决于喷嘴直径)所需的水量很少，在环保意识日渐深入人心的今天，微水导激光修整具有独特的加工优势。

附图说明

图1为本发明中步骤1的对刀位置主视图；

图2为本发明中步骤1的对刀位置俯视图；

图3为本发明中步骤1的对刀位置左视图；

图4为本发明中步骤2的平形砂轮径向粗整形的剖面示意图；

图5为本发明图4中A部的局部放大图；

图6为本发明图5中E部的局部放大图；

图7为本发明中步骤4的砂轮切向精整形的剖面示意图；

图8为本发明图7中B部的局部放大图；

图9为本发明中步骤6的圆弧砂轮径向修锐的剖面示意图；

图10为本发明图9中C部的局部放大图；

图11为本发明中激光水束的原理图；

图12为本发明图11中D部的局部放大图；

其中，1、粗整形对刀位置；2、激光水束；3、磨料层；4、基体；5、精整形对刀位置；6、精整形的走刀轨迹；7、径向修锐的对刀位置；8、修锐后的砂轮表面；9、粗整形阶段去掉的磨料层；10、精整形阶段去掉的磨料层；11、激光束；12、微水束；13、聚焦镜；14、耦合腔；15、激光水束有效工作长度；16、入射窗口；17、入水口；18、喷嘴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1至图12所示，本发明所述的一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法，包括以下步骤：

步骤1，设置较小的微水导激光能量参数并对刀，粗整形对刀位置1如附图1～3所示，微水束发生装置与砂轮分装于三轴联动的高精度气浮主轴磨床的工件主轴与磨削主轴上，砂轮由磨削主轴带动旋转，微水束发生装置工作，通过调节机床主轴的相对位置，使微水束中心线与砂轮轴线处于同一竖直平面内，调节工件主轴位置坐标使激光水束2逐渐向砂轮靠拢，利用安装在磨削主轴上的旋转AE传感器反馈激光水束2与砂轮表面接触而产生的AE信号源，检测到AE信号的幅值突然变化时，激光水束2停止进给，对刀完成，并记录此时的机床工作坐标Q。此步骤中设置的水束能量应保持在10⁷W/cm²量级，可去除结合剂材料即可。

步骤2，径向粗修形，如附图4～5所示，设置较高的水束能量参数，同时去除由磨粒和结合剂材料组成的粗整形阶段去掉的磨料层9，沿砂轮轴线方向将其工作面等分为宽度为0.2mm的若干截面，根据激光水束沿砂轮轴向进给深度的不同，利用激光位移传感器在线检测去除的磨料层3深度，激光水束在每个截面内循环进给扫描去除不同深度H的磨料层3，逐渐将平行砂轮粗修形为圆弧形砂轮。从左至右的第n个截面需去除的砂轮材料深度H可表示为：

式中，M为磨料层厚度，R为理想圆弧半径，D为砂轮宽度。0.2n在D/2至D的范围内时，要求去除的材料深度与0至D/2范围内的对称分布。为同时去除磨粒和结合剂材料，此步骤中所用的激光水束能量较高，应保持在10⁸W/cm²量级。如附图10～11所示，激光水束2由水束激光耦合装置输出，激光束11穿过聚焦镜13，水束激光耦合装置位于正下方，激光束11通过耦合腔14的入射窗口16，水由入水口17进入储水腔，经喷嘴18 输出激光水束2，激光水束2由微水束12和激光束11组成，形成激光水束有效工作长度 15，通过控制激光束11的功率，达到调节激光水束2能量的目的，无需考虑聚焦问题及离焦量的变化。

步骤3，在位检测粗修形后的圆弧形砂轮的表面轮廓精度并对刀，激光测微仪以恒定速度15mm/min移动测量以400rev/min转速转动的砂轮，采样频率50KHz，采样精度 0.1μm，获得的采样点为砂轮圆弧表面上高度信息的特征点，比较得到最高点的高度信息，最高点的突出高度(记为t)即为步骤4中激光水束2在砂轮表面的总切削深度。精整形对刀位置5如附图7～8所示，根据步骤1记录的对刀坐标Q，调节砂轮与微水束的相对位置，调节工件主轴位置坐标使激光水束沿砂轮轴向进给，利用安装在磨削主轴上的旋转AE传感器反馈激光水束与砂轮表面接触而产生的AE信号源，检测到AE信号的幅值突然变化时，激光水束停止进给，对刀完成。

步骤4，切向精整形，设定与步骤2相同的激光水束能量参数，砂轮以500rev/min的转速旋转，激光水束以一定的切削深度a_p和扫描速度v沿圆弧轮廓循环扫描，同时去除由磨粒和结合剂材料组成的精整形阶段去掉的磨料层10，以不同的切削深度进行若干次整形，直至砂轮表面的圆跳动误差不超过15μm。精整形的走刀轨迹6中，初始的圆弧扫描轨迹半径r₁＝R+r₀+t，最终的圆弧扫描轨迹半径r₂＝R+r₀，R为理想圆弧半径，r₀为激光水束半径，t为步骤3中检测到的砂轮轮廓表面最高点的高度。此步骤中，激光水束的输出喷嘴的直径为30μm，输出的激光水束直径约为25μm。

步骤5，设置较小的微水导激光能量参数并对刀，径向修锐的对刀位置7如附图9所示，对刀的方法与步骤1相同。此步骤中仅去除结合剂材料，因此设置的激光水束能量较小，应保持在10⁷W/cm²量级。

步骤6，径向修锐，砂轮以500rev/min的转速旋转，激光水束径向入射至砂轮表面，并以变速率的扫描速度沿砂轮轴向进给，在砂轮的圆弧工作面上均匀去除相同深度h 的结合剂材料使磨粒出刃一定的高度，每扫描2次，便在线检测磨粒的出刃高度，出刃高度为相应磨粒粒径的1/4至1/3时，为较佳的修锐后的砂轮表面8。此步骤中，砂轮材料对激光水束的吸收率A_c仅与入射角α有关，且随着入射角的增大，吸收率逐渐减小。在本实施例中，激光水束沿砂轮轴向扫描，入射角先从53°减小至0°再增大至53°，吸收率先由0.43增长至0.58再减小至0.43。

式中f为折射率，k为消光系数。对于青铜材料，f为12.8、k为6.4。入射角α与微水束的轴向进给深度a的关系为：

式中，D为砂轮宽度，d₀为激光水束直径，r₀为激光水束半径，R为目标圆弧半径。建立坐标系，不同的水束截面①、②对应不同的入射角α、吸收率A_c以及需去除的结合剂体积W₁、W₂，砂轮表面在水束截面①处吸收的能量记为E₁，在水束截面②处吸收的能量记为E₂，其中，

式中，P为激光束的输出功率，β为水束对激光的衰减系数，其值为0.09，T为砂轮表面至激光水束喷嘴孔的距离(不大于水束的破碎长度90mm)，D_sl为砂轮直径，v为水束轴向进给速度。通过控制激光水束的扫描速度使水束重叠，使各水束截面内砂轮表面材料吸收对应材料体积的能量，即：

整理得：

因此，得到激光水束扫描速度与入射角的关系如上式所示，根据入射角与激光水束轴向进给深度a的关系，可得到激光水束扫描速度与轴向进给深度之间的关系，从而达到控制水束扫描速度，均匀去除结合剂材料的目的。

水导激光精细、低热损伤的加工方式能保证成形砂轮修整的轮廓精度和修整质量。修整过程中排屑顺畅，修整效率高，修整后砂轮表面几乎没有熔融物的附着，金刚石磨粒没有石墨化现象且微水束的对刀精度较高，能大幅减小修整成形的轮廓在轴向和径向的偏差，能够保证成形轮廓在砂轮表面的相对位置精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，设置微水导激光参数，并对刀，使激光水束径向入射至平形砂轮表面；

步骤2，径向粗修形：沿平形砂轮轴向将其工作面等分为宽度为L的若干截面，根据激光水束沿砂轮轴向进给深度a的不同，依次在每个截面内去除不同深度H的磨料层，最终将平形砂轮粗修形成圆弧形砂轮；

步骤3，检测粗修形后得到的圆弧形砂轮的表面轮廓精度，得到砂轮表面各点的高度信息并对刀；

步骤4，切向精整形：该步骤中激光水束的入射方向与圆弧形砂轮的圆弧曲线对应的轴心线平行，入射的激光水束同时去除金刚石磨粒和结合剂材料；

步骤5，设置微水导激光工艺参数并对刀；

步骤6，径向修锐：激光水束沿砂轮径向入射到砂轮表面，均匀去除结合剂使磨粒均匀出刃。

2.根据权利要求1所述的修整方法，其特征在于，所述步骤2中，从左至右的第n个截面需去除的砂轮材料深度H可表示为：

式中，M为磨料层厚度，R为理想圆弧半径，D为砂轮宽度；Ln在D/2至D的范围内时，要求去除的材料深度与0至D/2范围内的对称分布。

3.根据权利要求1所述的修整方法，其特征在于，所述步骤3中，采用激光测微仪沿圆弧形金刚石砂轮轴向匀速扫描圆弧形轮廓表面，采样频率40～60KHz，采样精度0.1μm，得到砂轮表面各点的高度信息，并比较得到最高点的高度信息，最高点的突出高度即为步骤4中激光水束在砂轮表面的总切削深度。

4.根据权利要求1所述的修整方法，其特征在于，所述步骤6中，激光水束每扫描1～20次，便在线检测砂轮表面磨粒的出刃高度信息，直至出刃高度达标。

5.根据权利要求1或4所述的修整方法，其特征在于，步骤6中，合适的出刃高度为相应磨粒粒径的1/4～1/3。

6.根据权利要求1所述的修整方法，其特征在于，所述砂轮为青铜结合剂金刚石砂轮，砂轮宽度D＝8～12mm、磨料层厚度M＝6～10mm、砂轮直径80～120mm，磨粒粒径100～140μm，圆弧形砂轮目标圆弧半径为4～8mm，微水束输出喷嘴的直径为25～30μm，实际输出的激光水束直径为20～25μm，有效工作长度为50～90mm。

7.根据权利要求1所述的修整方法，其特征在于，所述步骤2和4中，激光水束的激光能量大于金刚石磨粒的去除阈值2.85×10⁸W/cm²；所述步骤6中，激光水束的能量为10⁷W/cm²量级。

8.根据权利要求1所述的修整方法，其特征在于，步骤4中，控制砂轮旋转，激光水束以切削深度a_p和扫描速度v沿砂轮径向截面的圆弧形轮廓扫描，通过控制激光水束的扫描速度v使水束重叠，同时去除金刚石磨粒和结合剂材料，以不同的切削深度进行整形，直至砂轮表面的圆跳动误差不超过15μm。

9.根据权利要求1所述的修整方法，其特征在于，所述步骤6中，根据不同水束截面对应的材料体积的不同，保证砂轮不同截面位置吸收对应体积之比的水束能量，激光水束以变速率的扫描速度沿砂轮轴向循环扫描，均匀去除结合剂使磨粒均匀出刃；此步骤中，砂轮材料对激光水束的吸收率A_c仅与入射角α有关，且随着入射角的增大，吸收率逐渐减小；

式中f为折射率，k为消光系数；入射角α与激光水束的轴向进给深度a的关系为：

式中，D为砂轮宽度，d₀为激光水束直径，r₀为激光水束半径，R为目标圆弧半径；建立坐标系，不同的水束截面①、②对应不同的入射角α、吸收率A_c以及需去除的结合剂体积W₁、W₂，砂轮表面在水束截面①处吸收的能量记为E₁，在水束截面②处吸收的能量记为E₂，其中，

式中，P为激光束的输出功率，β为水束对激光的衰减系数，其值为0.09，T为砂轮表面至激光水束喷嘴孔的距离，D_sl为砂轮直径，v为水束轴向进给速度；通过控制激光水束的扫描速度使水束重叠，使各水束截面内砂轮表面材料吸收对应材料体积的能量，即：

整理得：

因此，得到激光水束扫描速度与入射角的关系如上式所示，根据入射角与激光水束轴向进给深度a的关系，可得到激光水束扫描速度与轴向进给深度之间的关系，从而达到控制水束扫描速度，均匀去除结合剂材料的目的。