CN112454171A - 一种超硬材料砂轮修整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超硬材料砂轮修整方法及装置，首先，通过电火花加工对加工件的槽型初步修整，得到的初步修整后的加工件记为第一加工件：对加工件通过电火花加工模块中的第一电极、第二电极和第三电极依次进行粗加工、中加工和精加工；对第一加工件通过金刚石滚轮和修整砂轮的转印配合下进行精密修整；最后，对第二加工件采用金刚石滚轮作为修整工具，更换修锐砂轮对第二加工件进行精密修锐。本发明实现金属结合剂、复合结合剂等含金属具有导电属性的超硬材料砂轮的高效精密修整修锐，解决了超硬材料砂轮修整精度差、修锐精度差、加工效率等问题，实现了超硬材料砂轮精密槽型的槽型形状精度可控高效加工、精密修锐加工。

Description

一种超硬材料砂轮修整方法及装置

技术领域

本发明涉及砂轮修整技术领域，尤其涉及一种超硬材料砂轮修整方法及装置。

背景技术

超硬磨料砂轮是指以金刚石或立方氮化硼作为磨粒的砂轮。磨料硬度远远超过刚玉和碳化硅磨料的硬度，主要特点：硬度高、锋利度高、导热率高，磨削效率高，在同样使用条件下，磨削力比普通砂轮小，消耗的功率少，节约动力；由于磨削锋利，即使在磨削效率较高时，磨削区的温度也比普通磨具低，避免了工作表面烧伤、裂纹等缺陷，减少了塑性变形，保证了被加工工件的形状、尺寸、精度，并且大大提高了工件的使用寿命。金属结合剂、复合结合剂等含金属具有导电属性的超硬材料砂轮，主要有采用烧结法制造，其结合强度高，成型性好，耐高温、导热性和耐磨性好，使用寿命长，可承受较大的负荷，普遍用于玻璃、陶瓷、蓝宝石、硅片、碳化硅、砷化镓、锗晶圆、硬质合金等磨削方面。

液晶玻璃、蓝宝石、硅片、碳化硅、砷化镓、锗晶圆（后简称“工件”）倒角加工的目的是要消除工件边缘表面由于经切割等加工后所产生的棱角、毛刺、崩边、裂缝或者其他缺陷和各种边缘表面污染，保持工件边缘的几何形状一致，减少后续加工边缘崩角及破裂的机会，减少或消除尖角等形状因素造成的应力缺陷，改善工件边缘的机械形状，降低工件边缘表面的粗糙度，增加工件边缘的机械强度、减少颗粒的表面污染。经工件倒角加工后，其边缘表面（截面）一般呈现圆弧形（R-type）和梯形（T-type），倒角加工中为使工件具有较高的尺寸公差，同时边缘表面又具有较小的粗糙度Ra和不留有较深的表面应力损伤。以硅片倒角加工为例，倒角工序控制的主要技术参数有：工件的尺寸、边缘轮廓表面（表面无异样、均匀、对称）、定位面（参考面或切口）尺寸和表面质量（无凹坑、亮点、刀痕、裂纹、崩边等）等。

现有工件倒角过程中使用的主要设备为日本、韩国设备，采用的倒角砂轮也主要是日本、韩国生产制造，国内倒角砂轮加工制造落后，特别在高精度倒角砂轮加工方面，存在一定的差距。

金属结合剂、复合结合剂等含金属具有导电属性的超硬材料砂轮的磨料层主要采用金刚石400#-3000#和铜、锡、树脂、石墨、碳化硅等元素组成的结合体。其硬度高，耐磨性高，传统方式无法进行高精度、高效加工。具体的，以倒角砂轮为例，其外圆圆周布局这多道精密槽型，其具有硬度高、耐磨性高、保型性好等特点，近年来各国学者相继开展了应用特种加工方法修整金刚石砂轮的研究工作，主要有电解修整法、电火花修整法和复合修整法等。

其中，电解修整法速度快，但整形精度不高；电火花修整法整形精度高，既可整形又可修锐，但整形速度较慢；复合修整法有电解电火花复合修整法、机械化学复合修整法等，修整效果较好，但系统较复杂。但是结合目前国内市场长针对倒角砂轮的加工设备较少，较为常见的卧式电火花成型机床，该种类机床采用石墨做为电极，加工精度度，适合精度低的产品的加工，对于高精度的倒角砂轮国内没有现成的成品高精度机床，且因国外该方面处于保密状态，高精度倒角砂轮的精密加工是亟待解决的问题。

同时，结合目前倒角砂轮的加工工艺，电火花成型加工能够将精度控制在一定的范围内，但是无论是石墨、紫铜等电极材，在加工过程中一定存在一定的电极损耗，对于T型槽底部尖角或者R要求较高的场合，无法保证足够的尖角和圆度较好的R。同时，在倒角砂轮加工过程中，需反复用相关检测设备对精密槽型及外圆直径、跳动等进行检测，直接影响加工效率；精密槽型表面存在一层电蚀层，表面状态无法直接使用，需进行在不破坏精密槽型的基础上进行精密修锐，目前无相关设备和方法。因此，目前倒角砂轮形位精度低、槽型精度差，无法满足高精度加工需要，且在加工过程中，修整、修锐、检测等工序繁杂，重复装夹，造成无法避免的加工误差。因此，需要对电火花成型加工工艺设备进行优化或改进。并需增加其他的辅助修整方式对经电加工后的精密槽型进行精密修整和修锐。

发明内容

本发明的目的是提供一种超硬材料砂轮修整方法及装置，能够可实现液晶玻璃、蓝宝石、硅片、碳化硅、砷化镓、锗晶圆等用超硬材料砂轮的修整、检测、修锐，解决了超硬材料砂轮加工工艺繁琐、加工精度低、加工效率低等问题。

本发明采用的技术方案为：

一种超硬材料砂轮修整方法，包括如下步骤：

A：通过电火花加工对加工件的槽型初步修整，得到的初步修整后的加工件记为第一加工件：对加工件通过电火花加工模块中的第一电极、第二电极和第三电极依次进行粗加工、中加工和精加工；

B：对第一加工件通过金刚石滚轮和修整砂轮的转印配合下进行精密修整，精密修整后的加工件记为第二加工件；

C：对第二加工件采用金刚石滚轮作为修整工具，更换修锐砂轮对第二加工件进行精密修锐，修锐过程与精密修整过程一致，在保证不破坏第二加工件的形位公差等的前提下，对槽型表面的金刚石出露进行调整金刚石滚轮和修锐砂轮的配合进行精密修锐，完成加工件的修整。

所述步骤A具体步骤如下：

首先，通过第一电极对加工件进行粗加工，所述的第一电极的尺寸缩放量在0.1-0.2mm，主要用于加工件外圆槽型去除大量物质，同时保证槽型轮廓留有足够余量，经第一电极加工后，槽型表面粗糙度较高，电蚀层较厚；

第二电极对加工件槽型进行进一步修整，第二电极的尺寸缩放量在0.05-0.15mm，需保证精加工时槽型的各个尺寸留有足够余量，避免槽型因中加工过渡放电引起加工余量不足的现象，在实际加工过程中，第二电极主要将第一电极产生的较深的电蚀层予以抛除，同时对槽型进行进一步修整；

最后，第三电极在设计时，第三电极将第二电极加工时产生的电蚀层予以抛除，同时特别针对槽型中的尖角、直边、圆弧等予以修整，使槽型精度进一步的提高；尺寸缩放量一般为0.03-0.06mm；

在上述加工过程中，通过CCD工业相机实时监测加工件的图像数据，并发送到和图像处理系统中，图像处理系统对比实时检测图像和输入要求图纸，进行分析对比，将计算结果反馈至CNC系统，CNC系统再综合极间电压等参数进行综合计算，指导伺服系统和脉冲电源系统进行加工，直到完成电火花加工的槽型的初步修整。

所述的所述步骤B中具体包括如下步骤：

B1：修整砂轮预修型：

移动金刚石滚轮电机，金刚石滚轮和修整砂轮进行外圆对刀操作，滚轮电机带动金刚石滚轮接近修整砂轮，待金刚石滚轮外圆接近修整砂轮时，转换为慢速进给，金刚石滚轮和修整滚轮接触后，设置该点为修整砂轮预修整的对刀点；随后设置单次进刀量、总进刀量、转速和旋转方向，系统启动“修整砂轮预修整”程序，待修整完成后，系统自动记录修整完成后金刚石滚轮相对修整砂轮的坐标位置，此时修整砂轮外圆经金刚石滚轮修整后复印出了精密对称形状；

B2：超硬砂轮和修整砂轮对刀：

移动加工件电机，加工件和修整滚轮进行对刀操作，加工件接近修整砂轮后，转换为慢速进给，移动加工件的XYZ位置，以保证二者在Z轴保持水平，同时槽型完全吻合，系统记录此时加工件的XYZ坐标位置；

B3：联动精密修整参数设置：

其中默认滚轮和第一加工件的单次进刀量、总进刀量、进刀速度一致，进刀位置即分别是滚轮光修后的位置和第一加工件的对刀位置；

B4，金刚石滚轮和第一加工件同时向修整砂轮进给，修整砂轮一边实时复印高精度滚轮的轮廓，一边对第一加工件进行精密修整；同时，CCD系统实时对经普通砂轮修整后的第一加工件槽型进行精密检测，检测值通过图像处理和产品成品图纸进行对比分析，将反馈信息作为条件输送到精细修整控制器中，若待精密修整程序完成时，CCD检测槽型还未合格，系统将通过对比分析修整时纠正的槽型情况，对“精密修整”程序进行完善，同时得出修整前、修整后和成品图的对标表，并提示是否根据计算进行进一步修整；同意后，系统进行进一步修整；直至完成修整。

一种超硬材料砂轮修整装置，包括由三轴移动的第一电机和加工件构成的待加工组件，还包括有用于提供标准加工件的刻印组件、图像采集模块、图像处理模块、电火花加工模块和用于把刻印组件的槽型转印到待加工组件的转印组件，所述的转印组件设置在刻印组件和待加工组件之间，图像采集模块固定设置在待加工组件的一侧，用于实时监测待加工组件加工面，所述的图像处理模块用于对图像采集模块的采集图像进行处理分析以及上述组件进行控制。

所述的刻印组件包括刻印电机和金刚石滚轮，所述的刻印电机为三轴移动的第二电机。

所述的转印组件包括转印电机、修整砂轮和修锐砂轮，所述的修整砂轮和修锐砂轮依次平行设置在转印电机的端部，转印电机用于带动修整砂轮和修锐砂轮转动和轴向的伸缩。

所述的修整砂轮为碳化硅砂轮或白刚玉砂轮，大小为较加工件粗2-3个号。

所述的精密修锐较加工件细3-5个号碳化硅砂轮或者白刚玉砂轮。

本发明实现金属结合剂、复合结合剂等含金属具有导电属性的超硬材料砂轮的高效精密修整修锐，解决了超硬材料砂轮修整精度差、修锐精度差、加工效率等问题，实现了超硬材料砂轮精密槽型的槽型形状精度可控高效加工、精密修锐加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明所述不同阶段槽型变化示意图；

图4为本发明电火花加工控制原理图；

图5为本发明所述砂轮修整和修锐的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4和5所示，本发明包括如下步骤：

A：通过电火花加工对加工件的槽型初步修整，得到的初步修整后的加工件记为第一加工件：对加工件1通过电火花加工模块4中的第一电极、第二电极和第三电极依次进行粗加工、中加工和精加工；具体步骤如下：

首先，通过第一电极对加工件进行粗加工，所述的第一电极的具体尺寸根据粗加工放电参数、粗加工放电间隙及粗加工电极损耗、金刚石粒度等设计，尺寸缩放量在0.1-0.2mm，主要用于超硬材料砂轮即（加工件）外圆槽型去除大量物质，同时保证槽型轮廓留有足够余量，经第一电极加工后，槽型表面粗糙度较高，电蚀层较厚。

其次，第二电极对加工件槽型进行进一步修整，第二电极的具体尺寸根据中加工放电参数、中加工放电间隙和电极损耗、粗加工电极及金刚石粒度等设计，尺寸缩放量在0.05-0.15mm，在设计第二电极时，需保证精加工时槽型的各个尺寸留有足够余量，避免槽型因中加工过渡放电引起加工余量不足的现象。在实际加工过程中，第二电极主要将第一电极产生的较深的电蚀层予以抛除，同时对槽型进行进一步修整。

最后，第三电极在设计时，需最大程度的将槽型尺寸精度做到最优，为后续精密修整打好基础，要求第三电极精度高，根据中加工后槽型余量和精加工的电加工参数、精加工放电间隙、电极损耗、金刚石粒度等进行电极设计，尺寸缩放量一般为0.03-0.06mm。第三电极将第二电极加工时产生的电蚀层予以抛除，同时特别针对槽型中的尖角、直边、圆弧等予以修整，使槽型达到一定的精度。

在上述加工过程中，通过CCD工业相机实时监测加工件的图像数据，并发送到和图像处理系统中，图像处理系统对比实时检测图像和输入要求图纸，进行分析对比，将计算结果反馈至CNC系统，CNC系统再综合极间电压等参数进行综合计算，指导伺服系统和脉冲电源系统进行加工，直到完成电火花加工的槽型的初步修整；

B：对第一加工件通过金刚石滚轮3和修整砂轮8的转印配合下进行精密修整，精密修整后的加工件记为第二加工件；如图3所示所述步骤B中具体包括如下步骤：

B1：修整砂轮预修型：

移动金刚石滚轮电机，金刚石滚轮和修整砂轮进行外圆对刀操作，滚轮电机带动金刚石滚轮接近修整砂轮，待金刚石滚轮外圆接近修整砂轮时，转换为慢速进给，金刚石滚轮和修整滚轮接触后，设置该点为修整砂轮预修整的对刀点；随后设置单次进刀量（一般单次进刀量为0.01-0.1mm）总进刀量（一般为槽深+（0.2-0.5,mm），转速、旋转方向等参数，系统启动“修整砂轮预修整”程序，待修整完成后，系统自动记录修整完成后金刚石滚轮相对修整砂轮的坐标位置，此时修整砂轮外圆经金刚石滚轮修整后复印出了精密对称形状。

B2：超硬材料砂轮和修整砂轮对刀

移动超硬材料砂轮电机，超硬材料砂轮和修整滚轮进行对刀操作，待超硬材料砂轮接近修整砂轮后，转换为慢速进给，移动超硬材料砂轮的XYZ位置，以保证两砂轮在在Z轴保持水平，同时槽型完全吻合，系统记录此时超硬材料砂轮的XYZ坐标位置。

B3：联动精密修整参数设置

设置系统中“超硬材料砂轮精密修整”工序的程序参数：滚轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；超硬材料砂轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；修整砂轮的转速及方向。程序默认滚轮和超硬材料砂轮的单次进刀量、总进刀量、进刀速度一致，进刀位置即分别是滚轮光修后的位置和超硬材料砂轮的对刀位置。

待程序设定完毕后，

B4:联动修整

金刚石滚轮和超硬材料砂轮同时向修整砂轮进给，修整砂轮一边实时复印高精度滚轮的轮廓，一边对超硬材料砂轮进行精密修整；同时，CCD系统实时对经修整砂轮修整后的超硬材料砂轮槽型进行精密检测，检测值通过图像处理和产品成品图纸进行对比分析，如图3所示，图中示出的同一个槽型的基准值、下偏差带、精加工带、中加工带和粗加工带的位置示意图，由图中可以看出在上述加工过程中槽型的变化。通过对比文件槽型变化即可将反馈信息做为条件输送到精细修整控制器中，若待精密修整程序完成时，CCD检测槽型还未合格，系统将通过对比分析修整时纠正的槽型情况，对“精密修整”程序进行完善，同时得出修整前、修整后和成品图的对标表，并提示是否根据计算进行进一步修整。同意后，系统进行进一步修整。直至完成修整。

C：对第二加工件采用金刚石滚轮3做为修整工具，借助修锐砂轮2对超硬材料砂轮进行精密修锐，在保证不破坏超硬材料砂轮的形位公差等的前提下，对槽型表面的金刚石出露进行调整，金刚石滚轮和修锐砂轮的配合进行精密修锐，完成加工件的修整（步骤和修整类似）：

所述的精密修锐采用CCD工业相机和图像处理系统做为CNC系统的反馈信号，监控槽型、外径、跳动的宏观变化情况，通过工艺保证超硬材料砂轮的金刚石出露：如图5所示，

C1、修锐砂轮预修型：

金刚石滚轮对刀（不能碰到修锐砂轮）→手动慢速进给（根据槽深+（0.2-0.5mm））→光修（系统记录此时的超硬材料砂轮XYZ坐标位置）

C2、超硬材料砂轮和修锐砂轮对刀，系统记录此时位置

设置系统中“精密修锐”工序的程序参数：滚轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；超硬材料砂轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；修整砂轮的转速及方向。程序默认滚轮和超硬材料砂轮的单次进刀量、总进刀量、进刀速度一致，进刀位置即分别是滚轮光修后的位置和超硬材料砂轮的对刀位置。

待程序设定完毕后，开始精密修锐，金刚石滚轮和超硬材料砂轮同时进给，修锐砂轮一边实时复印高精度滚轮的轮廓，一边对超硬材料砂轮进行精密修锐；同时，CCD系统实时对经普通砂轮修整后的超硬材料砂轮槽型进行精密检测，检测值通过图像处理和产品成品图纸进行对比分析，同时监控砂轮槽型的磨损量，将反馈信息做为条件输送到精细修锐控制器中。超硬材料砂轮经过高精度显微镜进行微观金刚石出露高度检测，若合格，及将修锐工艺固化，保证批量产品修锐质量稳定。若不合格，对修锐参数进行相应的调整，直至合格。

如图1和2所示，一种超硬材料砂轮修整装置，包括由三轴移动的第一电机11和加工件1构成的待加工组件，还包括有用于提供标准加工件的刻印组件、图像采集模块5、图像处理模块7、电火花加工模块4和用于把刻印组件的槽型转印到待加工组件的转印组件，所述的转印组件设置在刻印组件和待加工组件之间，图像采集模块5固定设置在待加工组件的一侧，用于实时监测待加工组件加工面，所述的图像处理模块7用于对图像采集模块的采集图像进行处理分析以及上述组件进行控制。

所述的电火花加工模块4包括端部尖锐度不同的三种电极，分别用于不同工况的加工；脉冲电源6为其提供动力来源。所述的刻印组件包括刻印电机13和金刚石滚轮3，所述的刻印电机13为三轴移动的第二电机。所述的转印组件包括转印电机12、修整砂轮8和修锐砂轮2，所述的修整砂轮8和修锐砂轮2依次平行设置在转印电机12的端部，转印电机12用于带动修整砂轮8和修锐砂轮2转动和轴向的伸缩。

所述的修整砂轮为碳化硅砂轮或白刚玉砂轮，修整砂轮的切削性能较好，一般选用粗粒度（较超硬材料砂轮粗2-3个号），主要是经超硬材料砂轮的宏观形状予以修整。

所述的精密修锐用的砂轮粒度较细，材质较软，主要是在不破坏精密槽型的情况下，将超硬材料砂轮槽内表面的金刚石予以一定高度的暴露，采用细粒度（较超硬材料砂轮细3-5个号）碳化硅砂轮或者白刚玉砂轮。

金属结合剂、复合结合剂等含金属具有导电属性的超硬材料砂轮主要采用金刚石400#-3000#和铜、锡、树脂、石墨、碳化硅等元素组成的结合体。光学曲线磨床是一种高精密的机械加工设备，加工精度可达到精度1μm以内，表面粗糙度可达到Ra0.01μm，适合高硬度材料的成型加工，但是加工效率较低。同时，高精度修整滚轮是用于大批量成型磨削中，加工效率高、寿命高成本低。通过安装在磨床的修整装置上，金刚石轮流修整普通陶瓷砂轮或者CBN砂轮，砂轮成型后再磨削零件，从而将金刚石的外形轮廓及精度、尺寸通过砂轮复制到被加工的零件表面。其特点是机床操作简单，对操作工人的技术要求不高，加工的产品精度一致性好，质量稳定，能够显著提高生产效率和产品质量，降低制造成品，容易实现磨削加工自动化。

结合以上问题和技术，发明以倒角砂轮加工为例，对倒角砂轮进行分步骤精密修整和修锐，实现金属结合剂、复合结合剂等含金属具有导电属性的超硬材料砂轮的精密槽型、外圆跳动、外圆公差、金刚石出露的精确控制。

第一步：电火花修整：发明拟在电火花成型加工过程中采用纯铜做为电极，并设计专家系统，对在倒角砂轮精密加工，同时采用CCD工业相机和图像处理系统实时监测外圆精密槽型，经分析对比后，将CCD采集到的槽型做为反馈信号传输到CNC系统中，指导专家系统进行加工。

倒角砂轮主要由金刚石（400#-3000#）和铜、锡、树脂、石墨、碳化硅等元素经高温、高压烧结而成，内部组织结构极为复杂，和传统钢铁材质有着本质的区别。因此，在电加工过程中，倒角砂轮的材料腐蚀、抛出过程也有区别于传统钢铁材料。在电加工的放电热蚀阶段、消离抛出阶段，除了要对中的金属材料和非金属材料进行抛出气化外，还需要将金刚石碳化或抛出，金刚石占一定的体积，加工时的放电间隙较传统材料大，加工表面存在金刚石被碳化或抛出后的大的凹坑，导致加工表面的电蚀层较传统材料较厚且表面波峰波谷差异大，电加工后的槽型精度不易控制，表面质量差，加工效率低下。发明以逐级分解加工的方式，以控制放电间隙、电蚀层、槽型形状为目的，将电加工过程分为粗、中、精三段，通过CCD工业相机和图像处理系统（对比实时检测图像和输入要求图纸进行分析对比）测定每一段的放电间隙及形状误差并通过后一段进行补偿的手段，逐级分解任务，最终高效完成加工，保证型面精度及效率。

采用矩形电极伺服进给的方式，粗、中、精三段分别进行加工，加工过程中，CCD工业相机对砂轮槽型形状实时检测，通过图像处理系统和输入图像进行分析计算，将计算结果反馈至CNC系统，CNC系统再综合极间电压等参数进行综合计算，指导伺服系统和脉冲电源系统进行加工。

第一个电极，尖角不明显，主要去除大余量（通过CCD检测实际槽型）；

第二个电极，修整尖角，去除第一段的电蚀层及对槽型进一步修整等（通过CCD检测实际槽型），

第三个电极，修整尖角，去除第二段电蚀层对槽型进一步修整（通过CCD检测实际槽型），实现电火花槽型修整。

因经电加工后的砂轮，表面存在一定的电蚀层，且因电极的消耗，存在一定的精度损失，因此需对倒角砂轮进行精密修整。若直接采取光曲磨进行加工，槽型精度高，但是加工效率低，因此，项目拟采用光曲磨加工过的高精度滚轮，以碳化硅砂轮或者白刚玉砂轮做为介质，对金属结合倒角砂轮槽型、外圆直径、跳动进行精密修整，最终实现槽型的精密修整。

第二步：精密修整：

倒角砂轮经电火花成型加工后，采用经光学曲线磨床精密修整的金刚石滚轮做为修整工具，借助修整砂轮对倒角砂轮进行精密修整，实现精密槽型的修整，在修整过程中也采用CCD工业相机和图像处理系统做为CNC系统的反馈信号，实现倒角砂轮的精密修整，保证要求的外圆公差、跳动、槽型精度等指标。

优选保锋利度高、保型性较好的白刚玉砂轮作为精密修整砂轮，将经光学曲线磨床修整的滚轮的槽型复印至倒角砂轮上，主要对经电火花加工的残留电蚀层、尖角、圆弧等进行去除和精密修整，实现槽型的高精度修整。

第三步：精密修锐：

采用金刚石滚轮做为修整工具，借助修锐砂轮对倒角砂轮进行精密修锐，在保证不破坏倒角砂轮的形位公差等的前提下，对槽型表面的金刚石出露进行调整。在修锐过程中，采用CCD工业相机和图像处理系统做为CNC系统的反馈信号，监控槽型、外径、跳动等的宏观变化情况。通过工艺保证倒角砂轮的金刚石出露。

常用刀柄方式较多：BT锥柄、SK刀柄、HSK刀柄等。发明优选HSK刀柄做为倒角砂轮和修整砂轮、金刚石滚轮的安装工具。

三个电机采用精密电主轴，同时采用重复装卡精度较高的HSK刀柄结构，该较高的系统精度，系统精度指的是定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一直性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证在使用过程中刀具的静态和动态稳定性；较高的系统刚性：刀具系统的静动态刚性是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

根据经验，待砂轮槽型加工到尺寸后，其底部尖角及斜面等尺寸及平整度未达到实际要求，经CCD检测并和成品原始图样进行对比，确认差异，系统采用高精度滚轮对普通修整砂轮进行修型，待修型完毕后，确认位置，同时移动工件X方向，进行对刀工作，随后，开启精密修整工作，倒角砂轮转动，修整砂轮转动，同时滚轮转动，砂轮和滚轮按照一样的进刀速率进行加工，CCD实时监测槽型的变化情况，待槽型和达到设计槽型公差后，系统自动停机，完成精密修整工作；

同理，高精度滚轮对修锐砂轮进行修整，保证形状完全复印，然后倒角砂轮进行对刀，随后，开启精密修整工作，倒角砂轮转动，修锐砂轮转动，同时滚轮转动，砂轮和滚轮按照一样的速率进行修锐加工，CCD实时监测槽型的变化，根据经验设置相关修锐转速、进刀量、进刀速度、总进刀量，待程序完毕后，完成加工工作，同时CCD确认倒角砂轮槽型变化情况，若在尺寸公差内，完成工作。

机床主要组成部分：

脉冲电源、CNC系统、CCD系统、倒角砂轮用电机、修整、修锐用电机、金刚石滚轮电机、油冷机、液压泵、四级过滤装置、其他附属机构等；

其中倒角砂轮XYZ三轴移动、修整修锐电机Z、Y方向移动、金刚石滚轮电机XYZ方向移动。

本发明具体的操作实施过程以超硬材料砂轮的倒边轮为例。

1、录入专家系统

某种倒角砂轮的初次加工时，因该种砂轮的材质属性未知，为保证后续批量产品的高质量、高效加工，系统需对该种材质加工的电加工参数、放电间隙、蚀除速度、电极损耗等进行评估计算。因此，需要进行专家系统参数录入工作。

根据加工经验设置粗加工、中加工、精加工三段的电加工参数（电压、电流、脉宽、脉间等），分别对三段加工参数进行分别试验，同时，通过CCD实时监测砂轮外圆精密微槽的形状，得出每段参数加工的电极损耗、放电间隙等参数。

2、电火花加工阶段：将倒角砂轮安装至机床上，采用自动测定外圆程序，系统工件主轴缓慢转动，CCD通过对外圆进行检测，最终绘制砂轮外圆圆度图，同时确认砂轮最高点、最低点（即确认砂轮外径值）；输入系统砂轮成品外径；

根据专家系统输入的数据，系统自动生产加工参数：电加工参数（电流、电压、脉宽、脉间等）、各段加工量等。同时，操作人员对加工参数进行核实，可进行微调。后进行电加工。

在加工过程中，系统采用光栅尺和伺服电机编码器进行位置、速度监测，并将实时的位置、速度信号反馈至CNC系统中，实现电火花加工系统的位置调节和速度伺服控制；同时采用CCD实时监测加工槽型状态及外径值，系统将检测到的槽型图像进行计算，并和专家系统的图像、成品参数进行比对分析；将分析后的数据传输到CNC系统，系统根据目前的外径值、槽型对比值，进行各个段加工量的调整，避免粗加工加工过大，造成外径超差的现象和粗加工量小，中加工和精加工量大，加工效率低下的问题。待精加工完毕后，系统通过CCD图像检测，达到了电火花最终精密加工的要求。电火花加工完毕，进入精密修整阶段。

3、精密修整阶段：

A、修整砂轮预修型：

金刚石滚轮对刀（不能碰到修整砂轮）→手动慢速进给（根据槽深+（0.2-0.5mm））→光修（系统记录此时的位置）。

B、倒角砂轮对刀，系统记录此时位置。

设置系统中“精密修整”工序的程序参数：滚轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；倒角砂轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；修整砂轮的转速及方向。程序默认滚轮和倒角砂轮的单次进刀量、总进刀量、进刀速度一致，进刀位置即分别是滚轮光修后的位置和倒角砂轮的对刀位置。

待程序设定完毕后，开始精密修整，金刚石滚轮和倒角砂轮同时进给，修整砂轮一边实时复印高精度滚轮的轮廓，一边对倒角砂轮进行精密修整；同时，CCD系统实时对经普通砂轮修整后的倒角砂轮槽型进行精密检测，检测值通过图像处理和产品成品图纸进行对比分析，将反馈信息做为条件输送到精细修整控制器中，若待精密修整程序完成时，CCD检测槽型还未合格，系统将通过对比分析修整时纠正的槽型情况，对“精密修整”程序进行完善，同时得出修整前、修整后和成品图的对标表，并提示是否根据计算进行进一步修整。同意后，系统进行进一步修整。直至完成修整。

4、精密修锐阶段：

A、修锐砂轮预修型：

金刚石滚轮对刀（不能碰到修锐砂轮）→手动慢速进给（根据槽深+（0.2-0.5mm））→光修（系统记录此时的位置）

B、倒角砂轮对刀，系统记录此时位置

设置系统中“精密修锐”工序的程序参数：滚轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；倒角砂轮的转速及方向、单次进刀量、总进刀量、进刀位置、进刀速度；修整砂轮的转速及方向。程序默认滚轮和倒角砂轮的单次进刀量、总进刀量、进刀速度一致，进刀位置即分别是滚轮光修后的位置和倒角砂轮的对刀位置。

待程序设定完毕后，开始精密修锐，金刚石滚轮和倒角砂轮同时进给，修锐砂轮一边实时复印高精度滚轮的轮廓，一边对倒角砂轮进行精密修锐；同时，CCD系统实时对经普通砂轮修整后的倒角砂轮槽型进行精密检测，检测值通过图像处理和产品成品图纸进行对比分析，同时监控砂轮槽型的磨损量，将反馈信息作为条件输送到精细修锐控制器中。倒角砂轮经过高精度显微镜进行微观金刚石出露高度检测，若合格，及将修锐工艺固化，保证批量产品修锐质量稳定。若不合格，对修锐参数进行相应的调整，直至合格。

精密修整和精密修锐采用修整砂轮差异较大，修整砂轮的切削性能较好，粒度较粗，主要是经倒角砂轮的宏观形状予以修整，精密修锐用砂轮粒度较细，材质较软，主要是在不破坏精密槽型的情况下，将倒角砂轮槽内表面的金刚石予以一定高度的暴露。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“ 中心”，“ 横向”、“ 纵向”、“ 长度”、“ 宽度”、“ 厚度”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”、“ 顺时针”、“ 逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“ 第一”、“ 第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“ 包括”和“ 具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较详细的说明，但本发明不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等有效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种超硬材料砂轮修整方法，其特征在于：包括如下步骤：

A：通过电火花加工对加工件的槽型初步修整，得到的初步修整后的加工件记为第一加工件：对加工件通过电火花加工模块中的第一电极、第二电极和第三电极依次进行粗加工、中加工和精加工；

B：对第一加工件通过金刚石滚轮和修整砂轮的转印配合下进行精密修整，精密修整后的加工件记为第二加工件；

C：对第二加工件采用金刚石滚轮作为修整工具，更换修锐砂轮对第二加工件进行精密修锐，修锐过程与精密修整过程一致，在保证不破坏第二加工件的形位公差等的前提下，对槽型表面的金刚石出露进行调整金刚石滚轮和修锐砂轮的配合进行精密修锐，完成加工件的修整。

2.根据权利要求2所述的超硬材料砂轮修整方法，其特征在于：所述步骤A具体步骤如下：

首先，通过第一电极对加工件进行粗加工，所述的第一电极的尺寸缩放量在0.1-0.2mm，主要用于加工件外圆槽型去除大量物质，同时保证槽型轮廓留有足够余量，经第一电极加工后，槽型表面粗糙度较高，电蚀层较厚；

第二电极对加工件槽型进行进一步修整，第二电极的尺寸缩放量在0.05-0.15mm，需保证精加工时槽型的各个尺寸留有足够余量，避免槽型因中加工过渡放电引起加工余量不足的现象，在实际加工过程中，第二电极主要将第一电极产生的较深的电蚀层予以抛除，同时对槽型进行进一步修整；

最后，第三电极在设计时，第三电极将第二电极加工时产生的电蚀层予以抛除，同时特别针对槽型中的尖角、直边、圆弧等予以修整，使槽型精度进一步的提高；尺寸缩放量一般为0.03-0.06mm；

在上述加工过程中，通过CCD工业相机实时监测加工件的图像数据，并发送到和图像处理系统中，图像处理系统对比实时检测图像和输入要求图纸，进行分析对比，将计算结果反馈至CNC系统，CNC系统再综合极间电压等参数进行综合计算，指导伺服系统和脉冲电源系统进行加工，直到完成电火花加工的槽型的初步修整。

3.根据权利要求1所述的超硬材料砂轮修整方法，其特征在于：所述的所述步骤B中具体包括如下步骤：

B1：修整砂轮预修型：

移动金刚石滚轮电机，金刚石滚轮和修整砂轮进行外圆对刀操作，滚轮电机带动金刚石滚轮接近修整砂轮，待金刚石滚轮外圆接近修整砂轮时，转换为慢速进给，金刚石滚轮和修整滚轮接触后，设置该点为修整砂轮预修整的对刀点；随后设置单次进刀量、总进刀量、转速和旋转方向，系统启动“修整砂轮预修整”程序，待修整完成后，系统自动记录修整完成后金刚石滚轮相对修整砂轮的坐标位置，此时修整砂轮外圆经金刚石滚轮修整后复印出了精密对称形状；

B2：超硬砂轮和修整砂轮对刀：

移动加工件电机，加工件和修整滚轮进行对刀操作，加工件接近修整砂轮后，转换为慢速进给，移动加工件的XYZ位置，以保证二者在Z轴保持水平，同时槽型完全吻合，系统记录此时加工件的XYZ坐标位置；

B3：联动精密修整参数设置：

其中默认滚轮和第一加工件的单次进刀量、总进刀量、进刀速度一致，进刀位置即分别是滚轮光修后的位置和第一加工件的对刀位置；

B4，金刚石滚轮和第一加工件同时向修整砂轮进给，修整砂轮一边实时复印高精度滚轮的轮廓，一边对第一加工件进行精密修整；同时，CCD系统实时对经普通砂轮修整后的第一加工件槽型进行精密检测，检测值通过图像处理和产品成品图纸进行对比分析，将反馈信息作为条件输送到精细修整控制器中，若待精密修整程序完成时，CCD检测槽型还未合格，系统将通过对比分析修整时纠正的槽型情况，对“精密修整”程序进行完善，同时得出修整前、修整后和成品图的对标表，并提示是否根据计算进行进一步修整；同意后，系统进行进一步修整；直至完成修整。

4.一种超硬材料砂轮修整装置，包括由三轴移动的第一电机和加工件构成的待加工组件，其特征在于：还包括有用于提供标准加工件的刻印组件、图像采集模块、图像处理模块、电火花加工模块和用于把刻印组件的槽型转印到待加工组件的转印组件，所述的转印组件设置在刻印组件和待加工组件之间，图像采集模块固定设置在待加工组件的一侧，用于实时监测待加工组件加工面，所述的图像处理模块用于对图像采集模块的采集图像进行处理分析以及上述组件进行控制。

5.根据权利要求4所述的超硬材料砂轮修整装置，其特征在于：所述的刻印组件包括刻印电机和金刚石滚轮，所述的刻印电机为三轴移动的第二电机。

6.根据权利要求4所述的超硬材料砂轮修整装置，其特征在于：所述的转印组件包括转印电机、修整砂轮和修锐砂轮，所述的修整砂轮和修锐砂轮依次平行设置在转印电机的端部，转印电机用于带动修整砂轮和修锐砂轮转动和轴向的伸缩。

7.根据权利要求4所述的超硬材料砂轮修整装置，其特征在于：所述的修整砂轮为碳化硅砂轮或白刚玉砂轮，大小为较加工件粗2-3个号。

8.根据权利要求4所述的超硬材料砂轮修整装置，其特征在于：所述的精密修锐较加工件细3-5个号碳化硅砂轮或者白刚玉砂轮。

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