CN110640629A - 一种磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置及整形方法 - Google Patents

一种磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置及整形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置及整形方法，通过直线轴粗调和精调激光振镜和金刚石磨头之间x方向的相对位置，直线轴y2精调二者y方向的相对位置，垂直直线轴粗调和精调激光焦点位置。金刚石磨头固定在旋转轴控制转动；设定激光工艺参数、激光扫描路径，扫描路径角度使激光扫描方向与金刚石磨头母线相平行；打开旋转轴，控制磨头旋转，激光束沿扫描路径往复扫描，当金刚石磨头整形至磨粒等高性及圆跳动满足要求后，先后关闭激光束和旋转系统。本发明脉冲激光整形可通过扫描振镜对扫描路径和进给量进行控制，定位精度较高，可实现金刚石磨头精密整形，轴线两侧母线较高的平行度及均匀的磨粒等高性。

Description

一种磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置及整形 方法
技术领域
本发明涉及一种新型的磨粒有序排布金刚石钎焊砂轮脉冲激光整形装置及整形方法，尤其涉及一种脉冲激光精密整形装置及方法。
背景技术
陶瓷基复合材料、碳纤维复合材料等以其耐高温、耐磨、轻质、抗氧化、抗热冲击等优良特性在航空航天、汽车、新能源等领域得到广泛的应用。由于这些材料具有各向异性的力学特性和层间强度低的特点，在钻孔过程中易出现毛刺、纤维拔出、撕裂和分层等缺陷。其中，分层缺陷不但会降低装配件装配质量，还会影响零件使用寿命，造成大量的CFRP复合材料零件报废。
钎焊金刚石磨粒的工具采用“以磨代切”的方式可实现复合材料的高质量，高效率加工，工具不易磨损，使用寿命长。但是，由于金刚石磨头或套料钻钎焊后磨粒等高性较差，磨削或钻孔质量难以得到保证。因此对钎焊金刚石进行修整以改善磨粒的等高性及磨头的尺寸精度成为迫切需求。
目前针对磨粒有序排布钎焊金刚石磨头的修整主要采用软钢修整，油石修整，碟轮修整等机械修整方法，存在修整工具磨损快、金刚石磨粒容易破碎，修整质量和效率较低的问题。脉冲激光修整技术以其装置简单、非接触性、损伤小等特点在金刚石砂轮整形方面得到一定的应用，具有修整效率高、经济效益好等优点，可实现钎焊超硬磨料砂轮的精密修整。但是，脉冲激光修整技术主要集中在磨粒无序排布多层超硬磨料砂轮方面，在磨粒有序排布单层钎焊金刚石磨头的修整方面并未得到应用。而且，由于钎焊金刚石磨头单层磨料的特点，其修整过程需要对磨粒材料进行精密去除，并且需要保证整形后磨头轴线两侧母线具有较高的平行度，避免形成“锥形”磨头。
发明内容
为了克服现有磨粒有序排布钎焊金刚石磨头传统修整技术中存在的修整工具磨损较快、修整效率低和修整质量差，脉冲激光整形后磨头轴线两侧母线平行度较差等问题。本发明的目的是提供一种磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置及工艺方法，以提高磨头修整效率和修整质量，提高磨削稳定性和磨削的重复性。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：
一种磨粒有序排钎焊金刚石砂轮整形装置，包括：激光加工系统、微位移平台系统、检测系统。
其中激光加工系统，包括：激光器、光纤、激光振镜、工控机、垂直直线轴z1、水平直线轴y1；激光振镜固定于水平直线轴y1上，通过垂直直线轴z1和水平直线轴y1控制其运动；扫描振镜可以绕x轴旋转。
微位移平台系统包括三向直线轴x2、y2、z2和旋转轴B；微位移平台安装于隔振平台上以保证运动精度；微位移平台自下而上分别是y2、x2、z2轴，旋转轴B固定在z2轴上。旋转轴可以低速稳定旋转，而且可以分度转动。金刚石磨头固定在旋转轴B上以控制其转动；
检测系统包括光学CCD显微镜和激光位移传感器。
基于上述磨粒有序排钎焊金刚石砂轮整形装置的磨粒有序排钎焊金刚石砂轮整形工艺，步骤如下：
通过直线轴x1粗调和x2精调激光振镜和金刚石磨头之间x方向的相对位置， 通过直线轴y2精调二者y方向的相对位置。
通过垂直直线轴z1粗调和垂直直线轴z2精调激光焦点位置。
整形后的磨头圆跳动采用激光位移传感器进行在位检测，磨头表面形貌和等高性采用光学CCD光学显微镜进行在位观测。
磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置的操作工艺，步骤如下：
步骤一、打开激光加工系统和微位移运动系统，将金刚石磨头安装于微位移平台旋转轴B上，保证磨头圆跳动在5μm以内（采用激光位移传感器进行检测）。通过垂直直线轴z1和水平直线轴y1进行激光束与金刚石磨头之间的位置粗调整；
步骤二、通过垂直直线轴z1和微位移平台精确调整激光焦点位置，直至离焦量为0以保证激光能量最大；通过微位移平台将激光束调整至与金刚石磨头外缘相切（采用光学CCD进行观测）；
步骤三、通过工控机激光控制软件设定激光工艺参数，包括：激光脉冲宽度、激光功率、激光频率、激光扫描速度、扫描次数。其中脉冲宽度1-120ns，激光功率0-50W，激光重复频率在1-750kHz，激光扫描速度0-2000mm/s，扫描次数可自定。通过工控机软件设定激光扫描路径，调整扫描路径角度使激光扫描方向与金刚石磨头母线相平行，保证平行度误差在5μm以内（采用光学CCD进行观测）。
步骤四、打开旋转轴控制系统保持小磨头在特定转速下旋转，此过程应保证转动稳定且无振动。打开激光控制按钮使激光束沿扫描路径往复扫描，通过激光控制软件调整激光扫描路径与磨头母线之间的距离进行磨头切向整形，激光进给量5μm-50μm/次；
步骤五、当金刚石磨头整形至磨粒等高性及圆跳动满足要求后，先后关闭激光束和旋转系统。
与现有钎焊金刚石磨头修整方式相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明采用脉冲激光对金刚石磨头进行整形，避免了传统接触式机械整形易产生较大接触力而造成磨粒破碎的问题；
（2）脉冲激光整形相比于传统机械修整效率高，修整所耗费时间大大降低；
（3）脉冲激光整形可通过扫描振镜对扫描路径和进给量进行控制，定位精度较高，可实现金刚石磨头的精密整形及均匀的磨粒等高性；
（4）本发明提供的脉冲激光修整装置可以保证修整后磨头具有较高的平行度，为磨头的磨削/钻削质量提供基础。
（5）该装置修整过程中不产生相互作用力，整形装置简单，易于控制。
附图说明
图1是本发明的加工装置示意图；
图2是本发明四轴精密微位移平台示意图；
图3是本发明金刚石磨头整形前的表面形貌；
图4是本发明金刚石磨头激光整形方案示意图；
图5是本发明脉冲激光与金刚石磨头相对位置；
图6是金刚石磨头激光整形效果图；
图7是图1中局部A的放大图。
图中： 1、控制柜，2、控制按钮，3、工控机，4、光纤，5、垂直直线轴z1，6、水平直线轴x1，7、激光光路，8、振镜，9、激光束，10、磨粒有序排布钎焊金刚石磨头，11、垂直直线轴y2，12、旋转轴B，13、水平直线轴x2，14、隔振平台，15、水平直线轴y2，16、磨粒，17、结合剂材料，18、磨头基体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
参照图1所示，一种磨粒有序排布钎焊金刚石砂轮整形装置，包括激光加工系统、微位移平台系统、检测系统。
其中激光加工系统包括激光器控制柜1、光纤4、激光振镜8、工控机3、垂直直线轴z1 5、水平直线轴y1 6；
微位移平台系统包括三向直线轴，即水平直线轴x2 13、水平直线轴y2 15、垂直直线轴z2 11和旋转轴b12；
检测系统包括光学CCD显微镜19和激光位移传感器20。
激光振镜8固定于水平直线轴y1 6上，通过垂直直线轴z1 5和水平直线轴y1 6控制其运动；激光振镜8可以绕x轴360度旋转。
图2是本发明四轴精密微位移平台示意图，参照图2所示，微位移平台安装于隔振平台上以保证运动精度；微位移平台自下而上分别是水平直线轴y2 15、水平直线轴x2 13、垂直直线轴z2 11轴，旋转轴b 12固定在垂直直线轴z2 11轴上。该位移平台可以根据类似原理进行演变。
旋转轴12可以低速稳定旋转，而且可以分度转动，磨粒有序排布钎焊金刚石磨头10安装在旋转轴b 12上以控制其转动；
整个装置可通过水平直线轴x1 6粗调和水平直线轴x2 13精调激光振镜8和磨粒有序排布钎焊金刚石磨头10之间x向的相对位置，同时通过水平直线轴y2 15精调二者y向的相对位置。通过垂直直线轴z1 5粗调和垂直直线轴z2 11精调激光焦点位置。
整形后的磨粒有序排布钎焊金刚石磨头10圆跳动采用激光位移传感器20进行检测，磨粒有序排布钎焊金刚石磨头10表面形貌和等高性采用光学CCD显微镜19进行观测。
图3是本发明金刚石磨头整形前的表面形貌；磨粒16借助结合剂材料17固定在磨头基体18上。
实施例1
操作方法是：打开激光加工系统控制按钮2和微位移运动系统，将Φ4mm磨粒有序排布钎焊金刚石磨头10安装于微位移平台旋转轴b1 2上。通过调整垂直直线轴z1 5和水平直线轴y1 6以粗调激光束9与磨粒有序排布钎焊金刚石磨头10之间的位置，保证磨头10圆跳动在5μm以内；通过垂直直线轴z1 5和微位移平台垂直直线轴z2 11精确调整激光焦点位置，直至调整激光离焦量为0以保证激光能量最大；通过调整微位移水平直线轴x213和水平直线轴y215将激光束9调整至与金刚石磨头10外缘母线相切，参照图5和图7；通过工控机3激光控制软件设定激光工艺参数，包括：激光脉冲宽度、激光功率、激光频率、激光扫描速度、扫描次数。在该实施例中，控制脉冲宽度在120ns，激光功率50W，激光重复频率在50kHz，激光扫描速度400mm/s，扫描次数100次。通过工控机3软件设定激光扫描路径，通过调整扫描路径角度使激光扫描方向与金刚石磨头母线相平行，保证平行度误差在5μm以内。打开旋转轴控制系统使其旋转，此过程应保证转动稳定且无振动。打开激光控制按钮使激光束沿扫描路径往复扫描，通过激光控制软件调整激光扫描路径与磨头母线之间的距离进行磨头切向整形，激光进给量10μm/次，参照图4；当金刚石磨头整形至磨粒等高性误差在5μm以内，表面形貌较好时停止整形，脉冲激光整形效果和金刚石磨头等性能见图6所示。
最后，先后关闭激光束和旋转系统。
实施例2
与实施例1不同的是：本实施例采用Φ 6-20mm的磨粒有序排布钎焊金刚石磨头作为整形对象。整形过程中激光参数为：脉冲宽度在1-120ns，激光功率20-50W，激光重复频率在20-750kHz，激光扫描速度50-2000mm/s，扫描次数50-500次。激光进给量为5-50μm/次。激光扫描长度大于金刚石磨头磨料层长度。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明,而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置，其特征在于，包括：激光加工系统、微位移平台系统、检测系统；
其中激光加工系统包括激光器、光纤、激光振镜、工控机、垂直直线轴z1、水平直线轴y1；激光振镜固定于水平直线轴y1上，通过垂直直线轴z1和水平直线轴y1控制其运动；扫描振镜可以绕x轴旋转；
微位移平台系统包括三向直线轴x2、y2、z2和旋转轴B；旋转轴B固定在z2轴上；金刚石磨头固定在旋转轴B上以控制其转动；
检测系统包括光学CCD显微镜和激光位移传感器。
2.根据权利要求1所述磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置，其特征在于，所述磨粒有序排布钎焊金刚石磨头磨粒材料为金刚石和CBN超硬磨料，磨粒借助结合剂材料固定在磨头基体上。
3.基于权利要求1所述磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形装置的磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、打开激光加工系统和微位移运动系统，将金刚石磨头安装于微位移平台旋转轴B上，保证磨头圆跳动在5μm以内；通过垂直直线轴z1和水平直线轴y1进行激光束与金刚石磨头之间的位置粗调整；
步骤二、通过垂直直线轴z1和微位移平台精确调整激光焦点位置，直至离焦量为0以保证激光能量最大；通过微位移平台将激光束调整至与金刚石磨头外缘相切；
步骤三、通过工控机激光控制软件设定激光工艺参数，通过工控机软件设定激光扫描路径，调整扫描路径角度使激光扫描方向与金刚石磨头母线相平行，保证平行度误差在5μm以内；
步骤四、打开旋转轴控制系统保持小磨头在特定转速下稳定旋转，打开激光控制按钮使激光束沿扫描路径往复扫描，通过激光控制软件调整激光扫描路径与磨头母线之间的距离进行磨头切向整形，激光进给量5μm-50μm/次；
步骤五、当金刚石磨头整形至磨粒等高性及圆跳动满足要求后，先后关闭激光束和旋转系统。
4.根据权利要求2所述磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形方法，其特征在于，步骤三，所述的激光工艺参数包括：激光脉冲宽度、激光功率、激光频率、激光扫描速度、扫描次数。
5.根据权利要求3所述磨粒有序排布钎焊金刚石磨头脉冲激光整形方法，其特征在于，脉冲宽度1-120ns，激光功率0-50W，激光重复频率在1-750kHz，激光扫描速度0-2000mm/s，扫描次数自定。
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