CN110318052B - 用于cbn磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动‑激光成型装置，包括可变转角椭圆振动装置、微磨头基体工作台、振动支撑平台、激光熔覆装置和机械臂，其特征在于：所述可变转角椭圆振动装置设于振动支撑平台上，微磨头基体工作台通过双头螺柱实现与可变转角椭圆振动装置的连接，机械臂的驱动端连接外部驱动装置，机械臂的自由端与激光熔覆装置通过螺栓相固连；通过改变单一方向振动方式，实现微磨头基体工作台椭圆振动，使得金属结合剂在激光成型过程中晶粒细化的更加均匀，并且减少气孔，从而进一步提高了CBN微磨头的使用寿命；其次，水平面内两变幅杆之间夹角的改变可实现不同的椭圆振动模式，从而获得金属结合剂晶粒细化效果最好时所对应的振动夹角；该加工方式可以根据需求不同，通过改变激光熔覆的工艺参数以及扫描路径得到不同类型的结构化CBN微磨头，有效增加了产品的多样化，使其更好的而应用到不同的精加工领域；该装置结构控制难度小，易于操作。

Description

用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置及方法

技术领域

本发明属于超硬磨具加工技术领域，具体是涉及用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置及方法。

背景技术

近年来，随着制造业水平的不断提高，精密及超精密加工技术受到越来越多的学者关注。特别是对于一些难加工的金属材料，由于其加工过程金属元素(铁族元素)与金刚石具有亲和性，导致传统金刚石磨具加工稳定性下降，因此，仅次于金刚石硬度的CBN磨具应运而生。然而对于大多数电镀金属结合剂CBN磨具，由于其磨具表面磨粒分布不均以及磨粒与金属结合剂把持力度不够，导致其磨具的使用寿命大大缩短；除此之外，电镀金属结合剂CBN磨具的制作周期长，从一定程度上影响了被加工产品的产出效率。

为了提高CBN微磨头的制备效率，并提高其使用寿命，将激光熔覆引入CBN磨具的制备当中。目前激光熔覆技术在一定程度提高了CBN磨具的制备效率与使用寿命，但是其所制备的CBN磨具性能并没有达到最优，特别是磨粒与金属结合剂的把持力度还是不够。因此，引入超声振动辅助场对金属结合剂进行晶粒细化，然而目前所施加的超声振动都是单一振动方向，尽管对金属结合剂的晶粒细化起到一定的作用，但是细化程度不够均匀且很难得到不同金属结合剂晶粒细化的最优程度。

基于上述几方面的不足，本发明提出用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置及方法，通过施加椭圆振动，可以使得金属结合剂晶粒细化的更加均匀。其次，通过改变水平面内两变幅杆之间的夹角可实现不同的振动模式，并得到不同程度晶粒细化所对应的夹角，进而得到晶粒细化程度最优时对应的最佳夹角。此外，利用这种加工方式可以规划激光熔覆的扫描路径，并根据加工所需得到不同结构化CBN微磨头。从而实现结构化CBN微磨头的快速生产。

发明内容

基于上述提出的技术问题，本发明的目的是提供用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置及方法，该装置改变了一维单方向的振动模式，实现工作台的椭圆振动，从而使得熔融金属液在凝固过程中能够更好的实现对流且让晶粒细化的更加均匀；此外，通过改变水平面内两变幅杆之间的夹角可以实现不同的振动模式，进而得到不同金属结合剂晶粒细化最佳时对应的最优夹角，因此，这种加工方式不仅提高CBN磨粒与金属结合剂的把持力度，提高CBN微磨头的使用寿命；而且可以根据需求不同，得到不同金属结合剂CBN微磨头。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置，包括可变转角椭圆振动装置、微磨头基体工作台、振动支撑平台、激光熔覆装置和机械臂，所述可变转角椭圆振动装置设于振动支撑平台上，微磨头基体工作台通过双头螺柱实现与可变转角椭圆振动装置的连接，机械臂的驱动端连接外部驱动装置，机械臂的自由端与激光熔覆装置通过螺栓相固连。

所述可变转角椭圆振动装置包括X方向超声振动换能器、Y方向超声振动换能器、Z方向超声振动换能器、第一变幅杆、第二变幅杆、第三变幅杆、第一超声振动发生器、第二超声振动发生器、第一换能器支撑板、第二换能器支撑板、第一变幅杆支撑板和第二变幅杆支撑板，所述第一换能器支撑板与第二换能器支撑板均通过六角螺栓安装在振动支撑平台上表面，第一变幅杆支撑板与第二变幅杆支撑板均通过六角螺栓安装振动支撑平台上表面，X方向超声振动换能器贯穿第一换能器支撑板中心，第一变幅杆贯穿第一变幅杆支撑板中心，X方向超声振动换能器轴心与第一变幅杆轴心重合，且X方向超声振动换能器的输出端与第一变幅杆输入端相连，Y方向超声振动换能器贯穿第二换能器支撑板中心，第二变幅杆贯穿第二变幅杆支撑板中心，Y方向超声振动换能器轴心与第二变幅杆轴心重合，且Y方向超声振动换能器的输出端与第二变幅杆输入端相连，Z方向超声振动换能器固定安装与支撑平台内，第三变幅杆贯穿支撑平台台面，Z方向超声振动换能器轴心与第三变幅杆轴心重合，且Z方向超声振动换能器的输出端与第三变幅杆输入端相连，Z方向超声振动换能器的轴心、X方向超声振动换能器的轴心和Y方向超声振动换能器的轴心相交于一点，且Z方向超声振动换能器的轴线分别垂直X方向超声振动换能器的轴线与Y方向超声振动换能器的轴线，第一超声振动发生器电连接X方向超声振动换能器与Y方向超声振动换能器，且X方向超声振动换能器与Y方向超声振动换能器产生的振动存在相位差，第二超声振动发生器电连接Z方向超声振动换能器。

所述微磨头基体工作台包括振动底板与微磨头基体，振动底板通过双头螺柱分别与第一变幅杆、第二变幅杆和第三变幅杆相连，微磨头基体通过螺纹结构安装于振动底板上表面。

所述振动支撑平台包括上台板、下底板、U型支撑架、第三变幅杆支撑板、Z向换能器支撑板、六角螺栓、第一侧板、第二侧板和立柱，所述上台板与下台板通过第一侧板、第二侧板和立柱进行支撑隔离，U型支撑架数量为三，且U型支撑架成等角等距分布，U型支撑架通过六角螺栓固定上台板与下底板之间，三个所述的U型支撑架内侧下部均通过铆钉固定有Z向换能器支撑板，三个所述的U型支撑架内侧上部均通过铆钉固定有第三变幅杆支撑板，Z方向超声振动换能器卡装在Z向换能器支撑板之间，第三变幅杆卡装第三变幅杆之间。

用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将微磨头基体通过螺纹结构固定于振动底板；

步骤2：将CBN磨粒粉末至100目～200目大小，而后与100目～200目大小金属结合剂按照两者体积比1:10～1:15的比例进行混合，获得混合物，之后将混合物放入球磨机中进行球磨；

步骤3：然后将球磨后的混合物粉末烘干，放入送粉器中，加工过程中将混合物粉末喷射至微磨头基体的表面；

步骤4：通过激光熔覆装置对覆有混合物粉末的微磨头基体的表面进行熔覆加工；

步骤5：:加工过程中可以通过改变工艺参数、激光扫描路径，使得X方向超声振动换能器、Y方向超声振动换能器、Z方向超声振动换能器及机械臂的工作角度进行调整，实现加工过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过调节每个方向的振动模式，实现微磨头基体工作台椭圆振动，使得金属结合剂在激光成型过程中晶粒细化的更加均匀，并且减少气孔，从而进一步提高了CBN微磨头的使用寿命。

2、其次，水平面内两变幅杆之间夹角的改变可实现不同的椭圆振动模式，从而获得金属结合剂晶粒细化效果最好时所对应的振动夹角。

3、该加工方式可以根据需求不同，通过改变激光熔覆的工艺参数以及扫描路径得到不同类型的结构化CBN微磨头，有效增加了产品的多样化，使其更好的而应用到不同的精加工领域。

4、该装置结构控制难度小，易于操作。

附图说明

图1是本发明用于结构化CBN微磨头制备的可变转角椭圆振动辅助激光成型装置的结构原理图。

图2是本发明用于结构化CBN微磨头制备的可变转角椭圆振动辅助激光成型装置的主视图。

图3是本发明用于结构化CBN微磨头制备的可变转角椭圆振动辅助激光成型装置的俯视图。

图4是本发明振动支撑平台的等轴侧图。

图5是本发明振动支撑平台的主视图与

图6是本发明Z向超声振动装置的结构原理图。

图7是本发明不同夹角下的超声振动加工状态。

图8是本发明激光成型扫描路径。

图9是本发明为微磨头基体工作台的三视图及普通、超声振动下激光成型金属结合剂(青铜金属结合剂)的金相组织。

图中：1、可变转角椭圆振动装置，1-1-1、X方向超声振动换能器，1-2-1、Y方向超声振动换能器，1-3-1、Z方向超声振动换能器，1-1-2、第一变幅杆，1-2-2、第二变幅杆，1-3-2、第三变幅杆，1-1-3、第一换能器支撑板，1-2-3、第二换能器支撑板，1-1-4、第一变幅杆支撑板，1-2-4、第二变幅杆支撑板，1-4、第一超声振动发生器，1-5、第二超声振动发生器，2、微磨头基体工作台，2-1、振动底板，2-2、微磨头基体，3、振动支撑平台，3-1、上台板，3-2、U型支撑架，3-3、第三变幅杆支撑板，3-4、Z向换能器支撑板，3-5、下底板，3-6、第一侧板，3-7、第二侧板，3-8立柱，4、激光熔覆装置，5、机械臂。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示仅用于解释附图中特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，当该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图9所示，本发明提供了用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置及方法，包括可变转角椭圆振动装置1、微磨头基体工作台2、振动支撑平台3、激光熔覆装置4和机械臂5，其特征在于：所述可变转角椭圆振动装置1设于振动支撑平台3上，微磨头基体工作台2通过双头螺柱实现与可变转角椭圆振动装置1的连接，机械臂5的驱动端连接外部驱动装置，机械臂5的自由端与激光熔覆装置4通过螺栓相固连。

同时上述结构的组成，及叙述的位置关系进行相互连接，组成整体的工作装置，通过各个结构的相互配合实现工作的有效运动，可变转角椭圆振动装置1通过第一变幅杆1-1-2、第二变幅杆1-2-2、第三变幅杆1-3-2带动微磨头基体工作台2进行可控振动，激光熔覆装置4对微磨头基体工作台2上待加工的微磨头基体2-2及其上的CBN磨粒粉末和金属结合剂进行熔覆加工。

所述可变转角椭圆振动装置1包括X方向超声振动换能器1-1-1、Y方向超声振动换能器1-2-1、Z方向超声振动换能器1-3-1、第一变幅杆1-1-2、第二变幅杆1-2-2、第三变幅杆1-3-2、第一超声振动发生器1-4、第二超声振动发生器1-5、第一换能器支撑板1-1-3、第二换能器支撑板1-2-3、第一变幅杆支撑板1-1-4和第二变幅杆支撑板1-2-4，所述第一换能器支撑板1-1-3与第二换能器支撑板1-2-3均通过六角螺栓安装在振动支撑平台3上表面，第一变幅杆支撑板1-1-4与第二变幅杆支撑板1-2-4均通过六角螺栓安装振动支撑平台3上表面，X方向超声振动换能器1-1-1贯穿第一换能器支撑板1-1-3中心，第一变幅杆1-1-2贯穿第一变幅杆支撑板1-1-4中心，X方向超声振动换能器1-1-1轴心与第一变幅杆1-1-2轴心重合，且X方向超声振动换能器1-1-1的输出端与第一变幅杆1-1-2输入端相连，Y方向超声振动换能器1-2-1贯穿第二换能器支撑板1-2-3中心，第二变幅杆1-2-2贯穿第二变幅杆支撑板1-2-4中心，Y方向超声振动换能器1-2-1轴心与第二变幅杆1-2-2轴心重合，且Y方向超声振动换能器1-2-1的输出端与第二变幅杆1-2-2输入端相连，Z方向超声振动换能器1-3-1固定安装与支撑平台内，第三变幅杆1-3-2贯穿支撑平台台面，Z方向超声振动换能器1-3-1轴心与第三变幅杆1-3-2轴心重合，且Z方向超声振动换能器1-3-1的输出端与第三变幅杆1-3-2输入端相连，Z方向超声振动换能器1-3-1的轴心、X方向超声振动换能器的轴心1-1-1和Y方向超声振动换能器1-2-1的轴心相交于一点，且Z方向超声振动换能器1-3-1的轴线分别垂直X方向超声振动换能器1-1-1的轴线与Y方向超声振动换能器1-2-1的轴线，第一超声振动发生器1-4电连接X方向超声振动换能器1-1-1与Y方向超声振动换能器1-2-1，且X方向超声振动换能器1-1-1与Y方向超声振动换能器1-2-1产生的振动存在相位差，第二超声振动发生器1-5电连接Z方向超声振动换能器1-3-1。

上述结构，通过第一变幅杆1-1-2将X方向超声振动换能器1-1-1的振动传递给微磨头基体工作台2，使得微磨头基体工作台2进行X方向振动，第二变幅杆1-2-2将Y方向超声振动换能器1-2-1的振动传递给微磨头基体工作台2，使得微磨头基体工作台2进行Y方向振动，第三变幅杆1-3-2将Z方向超声振动换能器1-3-1的振动传递给微磨头基体工作台2，使得微磨头基体工作台2进行Z方向振动，同时在振动支撑平台3上表面开设五组对应螺孔，且五组螺孔均匀分布180°的扇形区域内，使得第一变幅杆1-1-2与第二变幅杆1-2-2能够进行夹角的调整，如图7中所示的夹角状态，而第一超声振动发生器1-4为X方向超声振动换能器1-1-1与Y方向超声振动换能器1-2-1同时提供振动，但振动波形存在相位差，同时相位差可以进行调整，第二超声振动发生器1-5单独为Z方向超声振动换能器1-3-1提供振动振动波形。

所述微磨头基体工作台2包括振动底板2-1与微磨头基体2-2，振动底板2-1通过双头螺柱分别与第一变幅杆1-1-2、第二变幅杆1-2-2和第三变幅杆1-3-2相连，微磨头基体2-2通过螺纹结构安装于振动底板2-1上表面。

上述结构，通过第一变幅杆1-1-2、第二变幅杆1-2-2和第三变幅杆1-3-2的带动，振动底板2-1进行可控的振动，使得安装在振动底板2-1上的微磨头基体2-2在加工过程中进行角度的调整。

所述振动支撑平台3包括上台板3-1、下底板3-5、U型支撑架3-2、第三变幅杆支撑板3-3、Z向换能器支撑板3-4、六角螺栓、第一侧板3-6、第二侧板3-7和立柱3-8，所述上台板3-1与下台板通过第一侧板3-6、第二侧板3-7和立柱3-8进行支撑隔离，U型支撑架3-2数量为三，且U型支撑架3-2成等角等距分布，U型支撑架3-2通过六角螺栓固定上台板3-1与下底板3-5之间，三个所述的U型支撑架3-2内侧下部均通过铆钉固定有Z向换能器支撑板3-4，三个所述的U型支撑架3-2内侧上部均通过铆钉固定有第三变幅杆支撑板3-3，Z方向超声振动换能器1-3-1卡装在Z向换能器支撑板3-4之间，第三变幅杆1-3-2卡装第三变幅杆1-3-2之间。

上述结构，通过上台板3-1、下底板3-5、第一侧板3-6、第二侧板3-7和立柱3-8的组合构成振动支撑平台3的整体空间结构，而后在整体空间结构内安装三个等角等距分布的U型支撑架3-2，配合其上的Z向换能器支撑板3-4与第三变幅杆支撑板3-3，构成一个空间类筒结构，对Z方向超声振动换能器1-3-1与第三变幅杆1-3-2进行固定安装。

用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置及方法的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将微磨头基体2-2通过螺纹结构固定于振动底板2-1；

步骤2：将CBN磨粒粉末至100目～200目大小，而后与100目～200目大小金属结合剂按照两者体积比1:10～1:15的比例进行混合，获得混合物，之后将混合物放入球磨机中进行球磨；

步骤3：然后将球磨后的混合物粉末烘干，放入送粉器中，加工过程中将混合物粉末喷射至微磨头基体2-2的表面；

步骤4：通过激光熔覆装置4对覆有混合物粉末的微磨头基体2-2的表面进行熔覆加工；

步骤5：:加工过程中可以通过改变工艺参数、激光扫描路径，使得X方向超声振动换能器1-1-1、Y方向超声振动换能器1-2-1、Z方向超声振动换能器1-3-1及机械臂5的工作角度进行调整，如图8中所示的激光成型扫描路径，实现加工过程。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (3)

1.用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置，包括可变转角椭圆振动装置、微磨头基体工作台、振动支撑平台、激光熔覆装置和机械臂，其特征在于：所述可变转角椭圆振动装置设于振动支撑平台上，微磨头基体工作台通过双头螺柱实现与可变转角椭圆振动装置的连接，机械臂的驱动端连接外部驱动装置，机械臂的自由端与激光熔覆装置通过螺栓相固连；

所述可变转角椭圆振动装置包括X方向超声振动换能器、Y方向超声振动换能器、Z方向超声振动换能器、第一变幅杆、第二变幅杆、第三变幅杆、第一超声振动发生器、第二超声振动发生器、第一换能器支撑板、第二换能器支撑板、第一变幅杆支撑板和第二变幅杆支撑板，所述第一换能器支撑板与第二换能器支撑板均通过六角螺栓安装在振动支撑平台上表面，第一变幅杆支撑板与第二变幅杆支撑板均通过六角螺栓安装振动支撑平台上表面，X方向超声振动换能器贯穿第一换能器支撑板中心，第一变幅杆贯穿第一变幅杆支撑板中心，X方向超声振动换能器轴心与第一变幅杆轴心重合，且X方向超声振动换能器的输出端与第一变幅杆输入端相连，Y方向超声振动换能器贯穿第二换能器支撑板中心，第二变幅杆贯穿第二变幅杆支撑板中心，Y方向超声振动换能器轴心与第二变幅杆轴心重合，且Y方向超声振动换能器的输出端与第二变幅杆输入端相连，Z方向超声振动换能器固定安装于 支撑平台内，第三变幅杆贯穿支撑平台台面，Z方向超声振动换能器轴心与第三变幅杆轴心重合，且Z方向超声振动换能器的输出端与第三变幅杆输入端相连，Z方向超声振动换能器的轴心、X方向超声振动换能器的轴心和Y方向超声振动换能器的轴心相交于一点，且Z方向超声振动换能器的轴线分别垂直X方向超声振动换能器的轴线与Y方向超声振动换能器的轴线，第一超声振动发生器电连接X方向超声振动换能器与Y方向超声振动换能器，且X方向超声振动换能器与Y方向超声振动换能器产生的振动存在相位差，第二超声振动发生器电连接Z方向超声振动换能器；

在振动支撑平台上表面开设五组对应螺孔，且五组螺孔均匀分布180°的扇形区域内，使得第一变幅杆与第二变幅杆能够进行夹角的调整；

所述微磨头基体工作台包括振动底板与微磨头基体，振动底板通过双头螺柱分别与第一变幅杆、第二变幅杆和第三变幅杆相连，微磨头基体通过螺纹结构安装于振动底板上表面。

2.根据权利要求1所述的用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置，其特征在于，所述振动支撑平台包括上台板、下底板、U型支撑架、第三变幅杆支撑板、Z向换能器支撑板、六角螺栓、第一侧板、第二侧板和立柱，所述上台板与下台板通过第一侧板、第二侧板和立柱进行支撑隔离，U型支撑架数量为三，且U型支撑架成等角等距分布，U型支撑架通过六角螺栓固定上台板与下底板之间，三个所述的U型支撑架内侧下部均通过铆钉固定有Z向换能器支撑板，三个所述的U型支撑架内侧上部均通过铆钉固定有第三变幅杆支撑板，Z方向超声振动换能器卡装Z向换能器支撑板之间，第三变幅杆卡装第三变幅杆之间。

3.权利要求1所述的用于CBN磨头制备的变夹角椭圆振动-激光成型装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将微磨头基体通过螺纹结构固定于振动底板；

步骤2：将CBN磨粒粉末至100目～200目大小，而后与100目～200目大小金属结合剂按照两者体积比1:10～1:15的比例进行混合，获得混合物，之后将混合物放入球磨机中进行球磨；

步骤3：然后将球磨后的混合物粉末烘干，放入送粉器中，加工过程中将混合物粉末喷射至微磨头基体的表面；

步骤4：通过激光熔覆装置对覆有混合物粉末的微磨头基体的表面进行熔覆加工；

步骤5：加工过程中通过改变工艺参数、激光扫描路径，使得X方向超声振动换能器、Y方向超声振动换能器、Z方向超声振动换能器及机械臂的工作角度进行调整，实现加工过程。

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