CN116652837A - 一种金刚石涂层抛光设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于抛光设备技术领域，具体涉及一种金刚石涂层抛光设备及方法，包括工作台，所述工作台上设有激光器、摄像机和载刀移动组件，所述摄像机和激光器设置在所述载刀移动组件的上方，所述载刀移动组件用于安装刀具和带动刀具运动，所述抛光设备还包括混料器和喷枪，所述混料器与所述喷枪连接，所述喷枪的喷嘴设置在所述激光器的下方且在刀具的上方。本发明可以完成复杂曲面和形状刀具涂层的抛光工艺，具有抛光速率高并且对刀具金刚石涂层的机械损伤小的特点，具有刀具表面的金刚石膜不易破损无需复杂的操作环境，对抛光件外形特征没有限制等优点。

Description

一种金刚石涂层抛光设备及方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石涂层抛光设备及方法，属于抛光设备技术领域。

背景技术

在加工高密度玻璃纤维、碳纤维等难加工的复合材料时，采用具有金刚石涂层的刀具比采用未涂层的硬质合金刀具更加耐用，具有金刚石涂层的刀具的使用寿命可达到未涂层硬质合金刀具的70倍及以上，大大的减少了因刀具磨损而需要换刀的次数，并且加工工件的精度提高了0.5-1级，降低了刀具的消耗率又提高了加工效率。

但是，由于金刚石涂层硬度极高且加工此类复合材料的刀具的形状较为复杂，导致对于具有金刚石涂层的刀具表面打磨抛光加工比较困难，并且金刚石膜的厚度小，采用传统的金刚石磨轮对此类刀具进行重磨需要耗费很长时间，抛光难度大，容易使表面膜损伤和破碎，抛光后表面粗糙度较大。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种金刚石涂层抛光设备及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种金刚石涂层抛光设备，包括工作台，所述工作台上设有激光器、摄像机和载刀移动组件，所述摄像机和激光器设置在所述载刀移动组件的上方，所述载刀移动组件用于安装刀具和带动刀具运动，所述抛光设备还包括混料器和喷枪，所述混料器与所述喷枪连接，所述喷枪的喷嘴设置在所述激光器的下方且在刀具的上方；

所述XY轴移动机构包括X轴移动台和Y轴移动台，所述Y轴移动台通过滑动连接件滑动安装在所述工作台上，所述Y轴移动台上设有滑槽，所述X轴移动台滑动安装在所述滑槽上，所述转动圆盘转动安装在所述X轴移动台上；

所述装夹台与所述转动圆盘通过球头连接件连接。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下的改进：

进一步，所述载刀移动组件包括XY轴移动机构、转动圆盘和装夹台，所述XY轴移动机构安装在所述工作台上，所述转动圆盘转动安装在所述XY轴移动机构上，所述装夹台安装在所述转动圆盘上，所述装夹台用于安装刀具。

进一步，所述球头连接件包括球头和球头座，所述球头安装在所述装夹台的底面上，所述球头座上设有与所述球头的形状与尺寸适配的凹槽，所述球头万向安装在所述球头座的凹槽内。

采取上述进一步技术方案，所述装夹台在抛光过程中固定刀具，所述装夹台通过球头连接件安装在转动圆盘上，使刀具可以在与Z轴夹角0°-45°范围内的任意方向偏转；旋转圆盘转动带动球头连接件做同轴转动，使刀具可以作旋转运动；所述XY轴移动机构与所述转动圆盘连接，XY轴移动机构通过滑动连接件安装在所述工作台的表面，所述计算机控制台控制驱动滑动连接件和X轴移动台做Y轴方向和X轴方向上的平面运动，使刀具可以在X、Y轴方向上平行移动；从而可以实现金刚石涂层刀具的曲面抛光。

进一步，所述混料器设有搅拌组件、第一粉末入口、第二粉末入口和混料出口，所述搅拌组件设置在所述混料器内，所述第一粉末入口、第二粉末入口和混料出口分别设置在所述混料器的侧壁上，所述混料出口与所述喷枪连接。

采取上述进一步技术方案，通过第一粉末入口、第二粉末入口将黑色金属粉末及磨粒粉末输送进入混料器中，黑色金属粉末与磨粒粉末形成混合粉末，经混料器混合均匀后通过喷枪将混合磨料喷在刀具表面。

进一步，所述抛光设备还包括计算机控制台，所述计算机控制台设置在所述工作台上，所述计算机控制台与所述激光器、摄像机、载刀移动组件、混料器和喷枪信号连接。

采取上述进一步技术方案，计算机控制台经过计算对比数据库控制载刀移动组件位置，调节激光器焦离、混料器的送粉速度和送粉量，完成整个金刚石涂层刀具表面的柔性抛光。

进一步，所述激光器为低脉冲红光激光器。

进一步，所述摄像机的PAL图像信号采样率为15.5MHz。

本发明还涉及一种金刚石涂层抛光方法，采用如上所述的金刚石涂层抛光设备。

进一步，采用黑色金属粉末和磨粒粉末进行抛光，所述黑色金属粉末和磨粒粉末的质量比为1:10-1:1。

进一步，所述的金刚石涂层抛光方法包括以下步骤：

步骤一、抛光前准备，将待抛光的刀具固定在载刀移动组件上，启动计算机控制台，对载刀移动组件的XY轴移动机构和转动圆盘进行位置校正，使激光器的光斑聚焦于刀具需加工区域，将喷枪的射流范围调整到激光光斑位置；

步骤二、规划抛光路径，将规划好的路径输入到计算机控制台，并设置好光斑在刀具表面的大小；

步骤三、激光器的光斑作用于刀具表面的气射流，将黑色金属粉末加热至熔融或半熔状态，在激光光斑作用下黑色金属与金刚石接触产生石墨相，磨粒将石墨和熔融的黑色金属去除，达到抛光金刚石涂层刀具的目的；

步骤四、计算机控制台对摄像机采集的图像进行处理，判断图像上的刀具涂层是否达到要求，若达到要求，刀具根据预先设置好的轨迹继续移动，直到完成刀具金刚石涂层的抛光。

本发明的有益效果在于：对比传统的物理抛光金刚石刀具表面，本发明是一种非接触式抛光，可以完成复杂曲面和形状刀具涂层的抛光工艺，具有抛光速率高并且对刀具金刚石涂层的机械损伤小的特点，具有刀具表面的金刚石膜不易破损无需复杂的操作环境，对抛光件外形特征没有限制等优点。

附图说明

图1为本发明的金刚石涂层抛光设备的结构示意图；

图2为本发明的载刀移动组件的结构示意图；

附图标记记录如下：1、工作台；2、摄像机；3、激光器；4、计算机控制台；5、XY轴移动机构；6、混料器；7、球头连接件；8、喷嘴；9、喷枪；10、第一粉末入口；11、第二粉末入口；12、转动圆盘；13、装夹台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，本实施例公开了一种金刚石涂层抛光设备，包括工作台1，所述工作台1上设有激光器3、摄像机2、计算机控制台4和载刀移动组件，所述摄像机2和激光器3设置在所述载刀移动组件的上方，其中激光器3设置在所述载刀移动组件的正上方，所述摄像机2与所述工作台1顶部的下表面相连接。

所述激光器3为低脉冲红光激光器。所述低脉冲红光激光器具有短的脉冲宽度和更小的能量，红光的波长在620纳米-700纳米之间，所述低脉冲红光激光器的光斑直径在0.5μm-5μm之间，低脉冲激光器的焦距可调，且光斑在刀具的金刚石涂层表面能够形成高温的温度场，该温度场的温度在600℃-1000℃之间。所述低脉冲激光器的功率为100W-1000W之间。

所述载刀移动组件用于安装刀具和带动刀具运动，所述载刀移动组件包括XY轴移动机构5、转动圆盘12和装夹台13，所述XY轴移动机构5安装在所述工作台1上，所述转动圆盘12转动安装在所述XY轴移动机构5上，所述装夹台13安装在所述转动圆盘12上，所述装夹台13用于安装刀具。所述XY轴移动机构5包括X轴移动台和Y轴移动台，所述Y轴移动台通过滑动连接件滑动安装在所述工作台1上，所述工作台1上设有滑轨，所述滑动连接件滑动安装在所述滑轨上，所述Y轴移动台上设有滑槽，所述X轴移动台滑动安装在所述滑槽上，所述滑槽的宽度与所述X轴移动台的宽度相适配，所述X轴移动台和Y轴移动台的移动分别通过X轴气缸和Y轴缸驱动（图中未示出），所述转动圆盘12转动安装在所述X轴移动台上，所述转动圆盘12通过圆盘电机驱动（图中未示出）。所述装夹台13与所述转动圆盘12通过球头连接件7连接。所述球头连接件7包括球头和球头座，所述球头安装在所述装夹台13的底面上，所述球头座上设有与所述球头的形状与尺寸适配的凹槽，所述球头万向安装在所述球头座的凹槽内。

所述装夹台13在抛光过程中固定刀具，所述装夹台13通过球头连接件7安装在转动圆盘12上，使刀具可以在与Z轴夹角在0°-45°范围内的任意方向偏转；旋转圆盘转动带动球头连接件7做同轴转动，使刀具可以作旋转运动；所述XY轴移动机构5与所述转动圆盘12连接，XY轴移动机构5通过滑动连接件安装在所述工作台1的表面，所述计算机控制台4控制驱动滑动连接件和X轴移动台做Y轴方向和X轴方向上的平面运动，使刀具可以在X、Y轴方向上平行移动；从而可以实现金刚石涂层刀具的曲面抛光。

所述抛光设备还包括混料器6和喷枪9，所述混料器6与所述喷枪9连接，所述喷枪9的喷嘴8设置在所述激光器3的下方且在刀具的上方。所述混料器6设有搅拌组件、第一粉末入口10、第二粉末入口11和混料出口，所述搅拌组件设置在所述混料器6内，所述第一粉末入口10、第二粉末入口11和混料出口分别设置在所述混料器6的侧壁上，所述混料出口与所述喷枪9连接。

所述摄像机2为高速摄像机(每秒连续拍摄的图像的帧数达到千帧)，所述摄像机的PAL图像信号采样率为15.5MHz。

所述计算机控制台4与所述激光器3、摄像机2、载刀移动组件、混料器6和喷枪9信号连接。

本实施例还公开了一种金刚石涂层抛光方法，采用如上所述的金刚石涂层抛光设备。采用黑色金属粉末和磨粒粉末进行抛光，所述黑色金属粉末和磨粒粉末的质量比为1:10-1:1。在本实施例中，所述黑色金属粉末为铁粉，所述磨粒粉末为二氧化硅、碳化钨的一种或者两种。所述磨粒粉末的粒径为0.2μm-5μm；磨粒粉末的硬度为1000HV-2400HV，磨粒粉末的熔点大于或者等于1500℃；优选的，所述磨粒粉末的熔点为1750℃-2770℃；优选的，本实施例所述磨粒粉末的硬度为2000HV，磨粒粉末的熔点为2000℃，磨粒粉末的粒径为0.3μm。

本实施例的金刚石涂层抛光方法具体包括以下步骤：

步骤一、抛光前准备，将待抛光的刀具固定在载刀移动组件上，启动计算机控制台，对载刀移动组件的XY轴移动机构和转动圆盘进行位置校正，使激光器的光斑聚焦于刀具需加工区域，通过计算机控制台控制激光器的离焦量，使焦平面位于待抛光刀具的表面上方1mm-2mm，将喷枪的射流范围调整到激光光斑位置，输入铁粉、二氧化硅和碳化钨，混料器进行混料；

步骤二、规划抛光路径，对要实际抛光的刀具进行合理的路径规划，设置抛光的先后顺序，将规划好的路径输入到计算机控制台，把数据库内表面抛光完成后的参数作为实验标准，并设置好光斑在刀具表面的大小；

上述步骤二具体的操作过程为：由表面粗糙度测量仪器测得刀具表面光洁度，在本实施例中，刀具表面光洁度小于Ra0.8，通过扫描电子显微镜放大后得到这类刀具表面涂层的形貌图作为抛光标准，再将形貌图导入计算机控制台，通过计算机控制台系统嵌入的数据库中表面熔池以及被加工表面形貌的涂层图像作为处理标准；提前通过路径规划软件规划抛光路径，对要实际抛光的刀具表面进行合理的路径规划，路径规划的原则是从刀具的一侧的上端表面开始，通过载刀移动组件的旋转和摆动，使抛光路径呈螺旋状，将规划好的路径输入到控制台系统，激光器在刀具表面形成的光斑直径在0.2μm-5μm之间，根据刀具的实际大小，设置好激光光斑在刀具表面的直径，刀具的直径在0.1mm-12mm之间，刀具越小，激光光斑在刀具表面的直径越小；所述激光器的功率在100W-1000W范围内可调，波长为650nm，低脉冲激光产生较小的能量，但是可以持续产生高温，在刀具表面生成微小的熔池；将喷枪对准刀具，设置离焦量，使焦平面位于抛光刀具表面上方1mm-2mm。

步骤三、激光器的光斑作用于刀具表面的气射流，将黑色金属粉末加热至熔融或半熔状态，在激光光斑作用下黑色金属与金刚石接触产生石墨相，磨粒将石墨和熔融的黑色金属去除，由于石墨相的质地较软，与熔融状态下的黑色金属粉末可以被高硬度的磨料颗粒通过机械接触的方式抛光去除，达到抛光金刚石涂层刀具的目的，形成对复杂曲面刀具的金刚石涂层的抛光；

步骤四、摄像机的镜头对准载刀移动组件上的刀具表面的激光光斑位置，实时捕获加工位置形貌图片，获得熔池形貌和被加工表面图像，摄像机采集抛光过程图像并传输到计算机控制台，计算机控制台对摄像机采集的图像进行处理，判断光斑大小，调整离焦量是否符合加工要求以及判断表面形貌是否达到抛光标准；若光斑大小与离焦量偏离所设置的参数范围，计算机控制台实时调控激光器的可伸缩式激光头在轴向移动，当光斑过大，且焦平面位于刀具的内部时，激光头在竖直方向向上移动，至光斑大小和离焦量符合所设参数，反之，则相反；计算机控制台系统对所抛光刀具形貌图和标准形貌图进行对比处理，若表面存在凹凸，不够光滑整洁，在计算机控制台调控下继续对不符合标准处按照设置参数进行抛光。当计算机控制台系统判断这一位置的抛光表面达到系统内的标准要求，刀具根据预先设置好的轨迹继续移动，随着刀具在三维平面内移动，激光在刀具表面光斑始终符合设置的参数，激光焦距也在竖直方向上自动调整，喷粉量和喷粉速率也会在控制系统作用下调整变化，直到完成刀具金刚石涂层的抛光，柔性抛光完成。在电子显微镜下观察可以看出在抛光后，刀具的金刚石涂层表面变得光滑、整洁。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金刚石涂层抛光设备，包括工作台，其特征在于，所述工作台上设有激光器、摄像机和载刀移动组件，所述摄像机和激光器设置在所述载刀移动组件的上方，所述载刀移动组件用于安装刀具和带动刀具运动，所述抛光设备还包括混料器和喷枪，所述混料器与所述喷枪连接，所述喷枪的喷嘴设置在所述激光器的下方且在刀具的上方;

所述载刀移动组件包括XY轴移动机构、转动圆盘和装夹台，所述XY轴移动机构安装在所述工作台上，所述转动圆盘转动安装在所述XY轴移动机构上，所述装夹台安装在所述转动圆盘上，所述装夹台用于安装刀具;

所述装夹台与所述转动圆盘通过球头连接件连接。

2.根据权利要求1所述的金刚石涂层抛光设备，其特征在于，所述XY轴移动机构包括X轴移动台和Y轴移动台，所述Y轴移动台通过滑动连接件滑动安装在所述工作台上，所述Y轴移动台上设有滑槽，所述X轴移动台滑动安装在所述滑槽上，所述转动圆盘转动安装在所述X轴移动台上。

3.根据权利要求1所述的金刚石涂层抛光设备，其特征在于，所述球头连接件包括球头和球头座，所述球头安装在所述装夹台的底面上，所述球头座上设有与所述球头的形状与尺寸适配的凹槽，所述球头万向安装在所述球头座的凹槽内。

4.根据权利要求1所述的金刚石涂层抛光设备，其特征在于，所述混料器设有搅拌组件、第一粉末入口、第二粉末入口和混料出口，所述搅拌组件设置在所述混料器内，所述第一粉末入口、第二粉末入口和混料出口分别设置在所述混料器的侧壁上，所述混料出口与所述喷枪连接。

5.根据权利要求1所述的金刚石涂层抛光设备，其特征在于，还包括计算机控制台，所述计算机控制台设置在所述工作台上，所述计算机控制台与所述激光器、摄像机、载刀移动组件、混料器和喷枪信号连接。

6.根据权利要求1所述的金刚石涂层抛光设备，其特征在于，所述激光器为低脉冲红光激光器。

7.根据权利要求1所述的金刚石涂层抛光设备，其特征在于，所述摄像机的PAL图像信号采样率为15.5MHz。

8.一种金刚石涂层抛光方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的金刚石涂层抛光设备。

9.根据权利要求8所述的金刚石涂层抛光方法，其特征在于，采用黑色金属粉末和磨粒粉末进行抛光，所述黑色金属粉末和磨粒粉末的质量比为1:10-1:1。

10.根据权利要求8所述的金刚石涂层抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、抛光前准备，将待抛光的刀具固定在载刀移动组件上，启动计算机控制台，对载刀移动组件的XY轴移动机构和转动圆盘进行位置校正，使激光器的光斑聚焦于刀具需加工区域，将喷枪的射流范围调整到激光光斑位置；

步骤二、规划抛光路径，将规划好的路径输入到计算机控制台，并设置好光斑在刀具表面的大小；

步骤三、激光器的光斑作用于刀具表面的气射流，将黑色金属粉末加热至熔融或半熔状态，在激光光斑作用下黑色金属与金刚石接触产生石墨相，磨粒将石墨和熔融的黑色金属去除，达到抛光金刚石涂层刀具的目的；

步骤四、计算机控制台对摄像机采集的图像进行处理，判断图像上的刀具涂层是否达到要求，若达到要求，刀具根据预先设置好的轨迹继续移动，直到完成刀具金刚石涂层的抛光。