CN118024029A - 一种激光-磁场辅助超精密磨削装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种激光‑磁场辅助超精密磨削装置及其加工方法，属于超精密磨削加工技术领域；包括磨床主体，磨床主体一侧安装砂轮防护罩，主轴上固定砂轮组件，且砂轮组件安装于砂轮防护罩内；砂轮防护罩一侧安装激光器，激光器与激光控制器电性连接；砂轮组件包括与主轴连接的砂轮基体，砂轮基体周侧开设环形凹槽，砂轮基体朝向激光器的一侧开设入射通孔，且入射通孔正对激光器的发射端；环形凹槽上开设多个光路通孔，且光路通孔与入射通孔相连通；入射通孔中设置反射镜；砂轮基体上镶嵌环形磁铁，移动工作台上设置磁铁板，磁铁板上固定待加工工件。本发明有效的将激光辅助磨削和磁场辅助磨削技术进行融合，充分发挥各自的优势和弥补自身的缺点。
Description
技术领域
本发明属于超精密磨削加工技术领域，尤其涉及一种激光-磁场辅助超精密磨削装置及其加工方法。
背景技术
对于磨削难加工金属材料，磨削时对砂轮磨损会非常大，加工表面容易出现烧蚀、裂纹、亚表层损伤等缺陷，无法实现工件高质量加工。因此，解决超硬质难加工金属材料磨削技术至关重要，现有的主要技术是选择砂轮型号及合理的磨削参数来磨削加工。虽然有些领域引入了激光辅助磨削加工技术，利用激光产生的高温对即将磨削的材料区域提前一步的去软化和去除一定量的材料，进而使砂轮有利去除难加工材料。但是进行激光辅助加工时如果激光功率或者焦距调节不好或者光路受切削液的影响使能量积聚过大，就很容易造成工件表面过渡去除或者烧蚀，并不能很好地辅助磨削加工，进而出现磨削质量较差的现像。还有一些领域虽然引入了磁场辅助磨削技术，利用磁场效应去辅助磨削加工，但是他们只是利用电磁线圈去单一的辅助磨削加工，将工件置于磁场中间，并不能将磁场充分发挥于砂轮的磨削区域，对于磨削超硬质难加工金属材料时并不能对砂轮磨削材料时提供帮助，最终砂轮对超硬质难加工材料还是无法实现超精密磨削加工。因此，突破常规理念设计、开辟新的加工方法、寻找到一个稳定可靠地技术迫在眉睫。
发明内容
本发明目的在于提供一种激光-磁场辅助超精密磨削装置及其加工方法，以解决超硬质难加工金属材料磨削时出现的难加工、易磨损以及工件超精密加工精度的技术问题，提高加工质量及生产效率，保护工人自身安全及稳定生产。
为实现上述目的，本发明的一种激光-磁场辅助超精密磨削装置及其加工方法的具体技术方案如下：
一种激光-磁场辅助超精密磨削装置，包括磨床主体，磨床主体上设有X轴、Y轴、Z轴的滑台和主轴，磨床主体用于控制移动工作台沿X、Y轴方向联动、控制主轴旋转以及控制主轴沿Y轴联动；磨床主体一侧安装砂轮防护罩，主轴上固定砂轮组件，且砂轮组件安装于砂轮防护罩内；
砂轮防护罩一侧安装激光器，激光器与激光控制器电性连接；
砂轮组件包括与主轴连接的砂轮基体，砂轮基体周侧开设环形凹槽，砂轮基体朝向激光器的一侧开设入射通孔，且入射通孔正对激光器的发射端；环形凹槽上开设多个光路通孔，且光路通孔与入射通孔相连通；入射通孔中设置反射镜，使进入入射通孔的激光经反射镜反射后由光路通孔作用于待加工工件表面；
砂轮基体上镶嵌环形磁铁，移动工作台上设置磁铁板，磁铁板上固定待加工工件，砂轮基体对待加工工件进行磨削时，环形磁铁和磁铁板间持续形成垂直于待加工工件的磁力线。
进一步，入射通孔为沿砂轮基体中心轴开设的一圈圆环形通孔。
进一步，入射通孔为沿砂轮基体中心轴均匀分布的多个通孔。
进一步，环形磁铁N极朝向待加工工件，磁铁板S极朝向待加工工件。
进一步，入射通孔上设置防护吸板。
进一步，移动工作台上固定真空工作台，真空工作台包括固定在移动工作台上的工作台底座，工作台底座中部中空，且与真空泵源连接；
工作台底座顶端上连接工作台顶盖，工作台顶盖与工作台底座连通，且内嵌磁铁板，磁铁板上阵列多个吸附通孔。
进一步，磁铁板上设置修整器。
本发明还提供了一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：安装砂轮组件；
步骤S2：通过修整器修整砂轮组件；
步骤S3：将砂轮组件与待加工工件进行试切，标定工件加工坐标系；
步骤S4：待砂轮组件与待加工工件接触后，打开激光器，通过激光器的上的激光旋钮调节激光聚焦；
步骤S5：砂轮组件旋转后，砂轮组件上的N极磁极磁力线会随着旋转，与待加工工件和磁铁板上的S级磁极发生相对运动，形成磁力线切割，此时，磁场辅助磨削作用开始；
步骤S6：磨床主体执行加工程序；
步骤S7：完成待加工工件磨削后结束加工程序，砂轮组件停止旋转，关闭激光器。
本发明的一种激光-磁场辅助超精密磨削装置及其加工方法具有以下优点：一种激光-磁场辅助超精密磨削装置及磨削方法，将砂轮磨削面设计为凹槽型，将激光光路置于砂轮内部，将磁极置于砂轮内部且N极朝外，工件下方同样设有磁极，S极朝上置于工件下方，有效的将激光辅助磨削和磁场辅助磨削技术进行融合，充分发挥各自的优势和弥补自身的缺点。
首先在砂轮内部设置激光光路，激光充分作用于磨削区域，且减少激光对材料的去除率，避免出现材料过渡去除烧蚀现象。其次在砂轮内部和工件下方的夹具中镶嵌磁铁，利用砂轮旋转实现工件对磁场磁力线的切割，这样材料加工区域的微观组织在磁场的作用下会发生相变，还会在磁场力的作用下减小弹性变形的现象，且内部金属电荷也会均匀分布，而且所磨削的磨屑还能沿着磁场的倒流性对工件表面进行研磨，提高磨削质量。
附图说明
图1为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的立体结构示意图。
图2为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的磨床主体的立体结构示意图。
图3为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的砂轮防护罩的立体结构示意图。
图4为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的激光器的立体结构示意图。
图5为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的砂轮组件的立体结构示意图一。
图6为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的砂轮组件的立体结构示意图二(该图中未安装环形磁铁)。
图7为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的砂轮组件的主视图。
图8为图7在A-A方向上的剖视图。
图9为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的环形磁铁的立体结构示意图。
图10为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的防护吸板的立体结构示意图。
图11为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的反射镜的立体结构的示意图。
图12为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的真空工作台的立体结构示意图。
图13为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的工作台底座的立体结构示意图。
图14为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的工作台顶盖的立体结构示意图。
图15为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的修整器的立体结构示意图。
图16为本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的磨削加工原理示意图。
图17本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的激光-磁场作用原理图。
图18本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的磨削区域加工示意图。
图中标记说明：1、磨床主体；2、砂轮防护罩；3、激光器；4、砂轮组件；401、砂轮基体；402、环形磁铁；403、反射镜；404、防护吸板；405、环形凹槽；406、入射通孔；407、光路通孔；5、真空工作台；501、工作台底座；502、工作台顶盖；503、真空泵；6、修整器；7、激光控制器；8、磁力线；9、待磨削区；10、完成磨削区；11、精磨削区；12、弹性变形区；13、待加工工件；14、磁铁板；15、吸附通孔；16、激光束。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种激光-磁场辅助超精密磨削装置及其加工方法做进一步详细的描述。
本发明是将激光辅助磨削和磁场辅助磨削技术进行融合，将磁场磁力线和激光光路集中在砂轮磨削区域，充分发挥各自的优势和弥补自身的缺点，有效的将磁场的磁力线切割、激光辅助加工和砂轮磨削结合起来，首先在砂轮内部设置激光光路，激光充分作用于磨削区域，且减少激光对材料的去除率，避免出现材料过渡去除烧蚀现象。其次在砂轮内部和工件下方的夹具中镶嵌磁铁，利用砂轮旋转实现工件对磁场磁力线的切割，这时磨削区域就会产生高密度的磁场能量进行辅助加工。
磁场辅助加工的作用机理可分为以下三个部分：(1)磁场通过增加材料位错的迁移率，延迟裂纹的萌生，并且使裂纹萌生向表面移动，从而提高材料的疲劳寿命，提高磨削质量；(2)磁场可以使磁化材料内部无序的磁畴趋于统一，达到磁饱和状态，软化材料，提高材料塑性，降低残余应力，减小弹性变形的现象，提高磨削质量；(3)通过磁场把磁性磨屑吸引到一起，形成磁力研磨刷，磁力研磨刷和工件间发生相对运动，磁性磨屑在工件表面产生相对滑动、滚动等运动,从而实现磁性磨屑对工件表面的研磨加工，提高磨削质量。
一种激光-磁场辅助超精密磨削装置，包括磨床主体1，磨床主体1上设有X轴、Y轴、Z轴的滑台和主轴，磨床主体1用于控制移动工作台沿X、Y轴方向联动、控制主轴旋转以及控制主轴沿Y轴联动；磨床主体1一侧安装砂轮防护罩2，主轴上固定砂轮组件4，且砂轮组件4安装于砂轮防护罩2内，砂轮防护罩2上设有固定激光器3的连接孔；
砂轮防护罩2一侧安装激光器3，激光器3具有激光焦距调节轮，激光器3与激光控制器7电性连接，具体的，激光控制器7通过导线与激光器3连接；
砂轮组件4包括与主轴连接的砂轮基体401，砂轮基体401周侧开设环形凹槽405，砂轮基体401朝向激光器3的一侧开设入射通孔406，且入射通孔406正对激光器3的发射端，且入射通孔406的激光照射区域设有防护吸板404，防护吸板404作用是防止激光对砂轮基体401造成破坏；环形凹槽405上开设多个光路通孔407，且光路通孔407与入射通孔406相连通；入射通孔406中设置反射镜403，使进入入射通孔406的激光经反射镜403反射后由光路通孔407作用于待加工工件13表面；
注：砂轮基体401中间设置环形凹槽405，这样环形凹槽405两侧无论是哪一侧先进行磨削，另外一侧均可对弹性变形区域进行第二次精磨削，如果没有环形凹槽405那么相当于一个整体，磨削后工件的弹性变形就没有二次精密磨削(二次精密磨削是对产生的弹性变形区域进行磨削)。
砂轮基体401上镶嵌环形磁铁402N极向外，环形磁铁上开设多个与光路通孔407相对应的通孔，移动工作台上设置磁铁板14，磁铁板14上固定待加工工件13，砂轮基体401对待加工工件13进行磨削时，环形磁铁402和磁铁板14间持续形成垂直于待加工工件13的磁力线8。
在本实施方式中，入射通孔406为沿砂轮基体401中心轴开设的一圈圆环形通孔。
在本实施方式中，入射通孔406为沿砂轮基体401中心轴均匀分布的多个通孔。
在本实施方式中，环形磁铁402N极朝向待加工工件13，磁铁板14S极朝向待加工工件13。
在本实施方式中，入射通孔406上设置防护吸板404。
在本实施方式中，移动工作台上固定真空工作台5，真空工作台5分为上下盖腔体两部分，具体包括固定在移动工作台上的工作台底座501，工作台底座501中部中空，且与真空泵503源连接，具体的，真空泵503源通过气管与工作台底座501连接，用于吸取固定待加工工件13和修整器6；
工作台底座501顶端上连接工作台顶盖502，工作台顶盖502与工作台底座501连通，且内嵌磁铁板14，磁铁板14上阵列多个吸附通孔15。
在本实施方式中，磁铁板14上设置修整器6，修整器6用于修整砂轮组件4。
一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：安装砂轮组件4；
步骤S2：通过修整器6修整砂轮组件4；
步骤S3：将砂轮组件4与待加工工件13进行试切，标定工件加工坐标系；
步骤S4：待砂轮组件4与待加工工件13接触后，打开激光器3，通过激光器3的上的激光旋钮调节激光聚焦；
步骤S5：砂轮组件4旋转后，砂轮组件4上的N极磁极磁力线8会随着旋转，与待加工工件13和磁铁板14上的S级磁极发生相对运动，形成磁力线8切割，此时，磁场辅助磨削作用开始；
步骤S6：磨床主体1执行加工程序；
步骤S7：完成待加工工件13磨削后结束加工程序，砂轮组件4停止旋转，关闭激光器3。
至此，一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的加工方法完成。
如图16-图18所示：
8为磁力线、16为激光束，9为待磨削区：
待加工工件13被加工过程中，砂轮组件4持续旋转，图18中待加工工件13的最右侧首先与砂轮组件4的最右端紧密接触，随后待加工工件13相对于砂轮组件4向右侧缓慢移动；
通过砂轮组件4的左侧砂轮和磁场辅助作用对于待加工工件13上表面的材料进行第一次去除，砂轮组件4的环形凹槽405处对应加工工件13的弹性变形区12，通过激光-磁场辅助加工可对弹性变形区12进行软化，并伴随砂轮组件4右侧的行进进行二次材料去除，同时砂轮组件4右侧砂轮再进行精磨削加工，完成磨削区10的加工，11为精磨削区。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种激光-磁场辅助超精密磨削装置，包括磨床主体(1)，磨床主体(1)上设有X轴、Y轴、Z轴的滑台和主轴，磨床主体(1)用于控制移动工作台沿X、Y轴方向联动、控制主轴旋转以及控制主轴沿Y轴联动；其特征在于，磨床主体(1)一侧安装砂轮防护罩(2)，主轴上固定砂轮组件(4)，且砂轮组件(4)安装于砂轮防护罩(2)内；
砂轮防护罩(2)一侧安装激光器(3)，激光器(3)与激光控制器(7)电性连接；
砂轮组件(4)包括与主轴连接的砂轮基体(401)，砂轮基体(401)周侧开设环形凹槽(405)，砂轮基体(401)朝向激光器(3)的一侧开设入射通孔(406)，且入射通孔(406)正对激光器(3)的发射端；环形凹槽(405)上开设多个光路通孔(407)，且光路通孔(407)与入射通孔(406)相连通；入射通孔(406)中设置反射镜(403)，使进入入射通孔(406)的激光经反射镜(403)反射后由光路通孔(407)作用于待加工工件(13)表面；
砂轮基体(401)上镶嵌环形磁铁(402)，移动工作台上设置磁铁板(14)，磁铁板(14)上固定待加工工件(13)，砂轮基体(401)对待加工工件(13)进行磨削时，环形磁铁(402)和磁铁板(14)间持续形成垂直于待加工工件(13)的磁力线(8)。
2.根据权利要求1所述的激光-磁场辅助超精密磨削装置，其特征在于，入射通孔(406)为沿砂轮基体(401)中心轴开设的一圈圆环形通孔。
3.根据权利要求1所述的激光-磁场辅助超精密磨削装置，其特征在于，入射通孔(406)为沿砂轮基体(401)中心轴均匀分布的多个通孔。
4.根据权利要求1所述的激光-磁场辅助超精密磨削装置，其特征在于，环形磁铁(402)N极朝向待加工工件(13)，磁铁板(14)S极朝向待加工工件(13)。
5.根据权利要求1所述的激光-磁场辅助超精密磨削装置，其特征在于，入射通孔(406)上设置防护吸板(404)。
6.根据权利要求1所述的激光-磁场辅助超精密磨削装置，其特征在于，移动工作台上固定真空工作台(5)，真空工作台(5)包括固定在移动工作台上的工作台底座(501)，工作台底座(501)中部中空，且与真空泵(503)源连接；
工作台底座(501)顶端上连接工作台顶盖(502)，工作台顶盖(502)与工作台底座(501)连通，且内嵌磁铁板(14)，磁铁板(14)上阵列多个吸附通孔(15)。
7.根据权利要求1所述的激光-磁场辅助超精密磨削装置，其特征在于，磁铁板(14)上设置修整器(6)。
8.一种激光-磁场辅助超精密磨削装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：安装砂轮组件(4)；
步骤S2：通过修整器(6)修整砂轮组件(4)；
步骤S3：将砂轮组件(4)与待加工工件(13)进行试切，标定工件加工坐标系；
步骤S4：待砂轮组件(4)与待加工工件(13)接触后，打开激光器(3)，通过激光器(3)的上的激光旋钮调节激光聚焦；
步骤S5：砂轮组件(4)旋转后，砂轮组件(4)上的磁力线(8)会随着旋转，与待加工工件(13)和磁铁板(14)上的发生相对运动，形成磁力线(8)切割，此时，磁场辅助磨削作用开始；
步骤S6：磨床主体(1)执行加工程序；
步骤S7：完成待加工工件(13)磨削后结束加工程序，砂轮组件(4)停止旋转，关闭激光器(3)。
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2024
- 2024-01-19 CN CN202410079185.3A patent/CN118024029A/zh active Pending
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