CN103042468B - 一种金刚石砂轮的粗修整的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金刚石砂轮的粗修整的方法，包括以下步骤：A、扫描金刚石砂轮表面，获取砂轮表面最高点，确定最高点的径向、轴向、母线方向的位置；B、沿着砂轮表面的内法线方向，发射聚焦脉冲激光束，使其焦斑位置与砂轮最高点位置在径向、轴向、母线方向重合；C、在砂轮的母线相对位置架设碳化硅滚轮，吃刀量为0.005mm；D、每整修3-5分钟，重复上述步骤；直至砂轮圆跳动误差不超过20μm。本申请使用聚焦脉冲激光束烧蚀金刚石磨粒直接去除，和碳化硅滚轮对其再去除，对经过激光烧蚀后的磨粒表面变质层及失去把持力的磨粒等进行机械剥离，适应磨粒尺寸较大的金刚石砂轮高效粗修整。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石砂轮修整技术领域，特别地，涉及一种金刚石砂轮的粗修整的方法。
背景技术
金刚石是当今最硬的材料，其摩擦系数小、耐磨性好，因此用金刚石制成的超硬磨料金刚石砂轮具有磨削能力强、磨具消耗小、磨削温度低等特点，越来越广泛地被应用于玻璃、石材、混凝土、陶瓷、硬质合金等硬脆材料加工，用量以每年约百分之十的速度增长，节省了大量的磨削时间和加工成本。
目前对于金刚石砂轮本身的磨削，基本采用的基于“硬碰硬”的机械式滚轮修整方法，如车削修整法、金刚石滚轮修整法、磨削修整法、滚轧修整法等，均是基于修整工具对结合剂和磨粒的挤压、剪切等机械力的作用来达到整形的目的。车削修整法是以单颗粒金刚石(或以细碎金刚石制成的金刚笔、金刚石修整块)作为刀具车削砂轮，精度和效率都比较低；金刚石滚轮修整法是采用电镀或粉末冶金等方法把大量金刚石颗粒镶嵌在钢质滚轮表面制成的金刚石滚轮以一定转速旋转(藉以降低滚轮与砂轮的相对速度)，对高速旋转的砂轮表面产生磨削和辗压作用，使砂轮获得与滚轮型面吻合的锋利工作表面，金刚石滚轮制造复杂，造价高，修整效率一般；砂轮磨削修整法是采用低速回转的超硬级碳化硅砂轮与高速旋转的砂轮对磨，碳化硅砂轮消耗大；滚轧修整法是采用硬质合金圆盘、一组由波浪形白口铁圆盘或带槽的淬硬钢片套装而成的滚轮，与砂轮对滚和挤压进行修整。
上述传统的基于力的金刚石砂轮修整方法存在修整时间长、修整难度大、修整效率低、精度低的问题。而在线电解修锐法修整金刚石砂轮仅能进行修锐，不能进行整形，基本只能适应微粉级金刚石砂轮修整；电火花修整只适应金属结合剂砂轮修整，对环境也不友好。
因此，针对金刚石磨粒尺寸比较大的金刚石砂轮修整，目前的方法难以兼顾修整效率和修整的高精度。
发明内容
本发明目的在于提供一种金刚石砂轮的粗修整的方法，以解决目前金刚石砂轮机械式修整效率极低、精度低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种金刚石砂轮的粗修整的方法，包括以下步骤：
A、通过线扫描激光位移传感器来扫描金刚石砂轮的表面，获取所述砂轮表面的最高点，并确定所述最高点的径向、轴向、母线方向的位置；
B、在所述砂轮的圆周运动方向上的滚轮与砂轮接触点之前，通过激光器沿着砂轮表面的内法线方向持续向所述砂轮发射聚焦脉冲激光束；
C、在所述砂轮的母线相对位置处架设碳化硅滚轮，所述滚轮的吃刀量为0.005mm；
所述聚焦脉冲激光束的焦斑位置与所述砂轮最高点位置在径向、轴向、母线方向重合；所述激光器的连续输出平均功率为5-50W，频率为5-200kHz，单脉冲持续时间为100-120ns，脉冲激光束沿所述砂轮轴线方向的往复运动速度为0.1mm/s；
D、每整修3-5分钟，重复A、B、C步骤；直至所述砂轮表面的圆跳动误差不超过20μm。
优选的，步骤A中，所述砂轮被安装在平面磨床的主轴上，磨床主轴转速为50-1000r/min。
优选的，步骤A中，先获取所述砂轮的圆跳动曲线图，得到砂轮表面各点的高度值；再比较各点高度值，确定其中的最大值为砂轮表面最高点。
优选的，所述激光器的连续输出平均功率为30W，重复频率为7kHz，单脉冲脉宽为100ns，光束聚焦镜的焦距为180mm。
优选的，所述激光束的焦点位置功率密度值达到108W/cm2量级以上。
优选的，所述砂轮的直径为20cm，宽度为5cm。
本发明具有以下有益效果：
1、高效修整：本发明以使用激光器发射聚焦脉冲激光直接选择性熔化、气化去除金刚石砂轮表面的金刚石磨粒和结合剂的修整手段为主、在激光刚修整过的区域使用滚轮修整为辅的方法，利用激光烧蚀的直接热力学效应，快速剥离砂轮表面较为突出的大颗粒金刚石磨粒，或者快速去除结合剂，使得结合剂对磨粒的把持力降低、甚至完全失去把持力，快速改善砂轮圆跳动误差大的表面状况，提高修整效率；
2、双效作用：使用聚焦脉冲激光直接去除砂轮表面高点，实现砂轮的高效率修整，同时对其进行机械性修整，对失去把持力的磨粒、对因激光烧蚀产生的磨粒变质层和热物理缺陷层，对附着于砂轮表面的结合剂溅射重凝层、熔融物进行机械剥离，获得良好的砂轮地形地貌和修整精度；
3、检测及时：随着修整的进行，金刚石砂轮的圆跳动逐渐减小，激光束焦斑位置和砂轮表面最高点的位置关系的也会相应变动，从而导致照射在砂轮表面激光光斑面积增大，功率密度减小，从而烧蚀效果不明显，激光修整效率降低。因此每修整3-5分钟之后，采用线扫描激光位移传感器重新扫描整个砂轮表面，重新确定高点位置，及时调整使得激光束焦斑位置与最高点重合，确保修整的准确性和高效性；
4、减少磨损：将对修整滚轮磨损较大的凸出的大颗粒金刚石磨粒采用非机械式接触的激光束剥离，对机械式的修整滚轮几乎不产生非正常磨损，大大延长滚轮寿命。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点，下面对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本申请公开了一种金刚石砂轮的粗修整的方法，适用于金刚石磨粒尺寸比较大、圆跳动比较大的圆柱形金刚石砂轮粗修整的工艺过程，包括以下步骤：
A、通过线扫描激光位移传感器来扫描金刚石砂轮的表面，获取所述砂轮表面的最高点，并确定所述最高点的径向、轴向、母线方向的位置；
可采用基于三角测量原理的线扫描激光位移传感器扫描整个砂轮表面，获取砂轮的圆跳动曲线图，得到砂轮表面各点处的高度值，通过比较找出其中的最大值，确定为砂轮的最高点。
可将砂轮安装在平面磨床的主轴上，磨床主轴转速为650-1000r/min，根据实际情况选择合适的转速，转速快则激光脉冲在圆周方向上的重叠率低，磨料去除力度小，转速慢则脉冲重叠率高，去除力度大。砂轮的直径可为20cm，宽度为5cm。
B、在所述砂轮的圆周运动方向上，通过激光器沿着砂轮表面的内法线方向持续向所述砂轮发射聚焦脉冲激光束，聚焦脉冲激光束的焦斑位置与所述砂轮最高点位置在径向、轴向、母线方向重合；所述激光器的连续输出平均功率为5-50W，频率为5-200kHz，单脉冲持续时间为100-120ns，脉冲激光束沿所述砂轮轴线方向的往复运动速度为0.1mm/s。
为了提高砂轮利用率和修整效率，考虑到聚焦激光特性，即焦斑位置功率密度最高，而正离焦或负离焦时功率密度会逐渐降低，结合物质的烧蚀去除热物理性质，即达到一定的功率密度阈值才能产生烧蚀去除，上述设置使得辐照于砂轮表面圆跳动高点处的聚焦脉冲激光束焦斑位置的功率密度正好能达到金刚石的烧蚀去除阈值3×108W/cm2，并且每个单脉冲去除量在微米级，而远离聚焦脉冲激光焦斑位置的砂轮表面圆跳动低点处，因达不到烧蚀去除阈值，不能去除材料，从而实现高点逐渐被烧蚀去除，而低点几乎不被去除，逐渐缩小砂轮表面圆跳动差值。
采用光束聚焦镜聚焦，其焦距可为180mm。
激光去除主要是基于热的烧蚀机理，脉冲激光束连续烧蚀砂轮，使砂轮表面的高点处及附近的结合剂熔化、气化去除、金刚石磨粒被整颗剥离或金刚石磨粒被部分去除或部分因为结合剂的去除而失去把持力；而砂轮表面的低点处及附近，因远离激光束焦平面而导致入射到砂轮表面的激光束功率密度降低，达不到金刚石磨粒的去除阈值，结合剂也只是极少量去除；最后使得砂轮表面高处的材料逐渐被去除，而低处几乎不损坏，从而减小表面高度差，达到修整目的。
C、在所述砂轮的母线相对位置处架设碳化硅滚轮，所述滚轮的吃刀量为0.005mm；
顺着所述砂轮的圆周运动方向，所述砂轮表面先接触所述聚焦脉冲激光束，然后接触所述滚轮；使得砂轮表面的高点处先被激光束烧蚀，然后再经碳化硅滚轮机械修整。
部分去除的金刚石表面留有碳化层和热物理缺陷层；部分结合剂气化去除、部分结合剂熔化后由于气化产生的反冲压力作用而引起溅射重凝；碳化硅滚轮对失去把持力的磨粒、对因激光烧蚀产生的磨粒变质层和热物理缺陷层、对附着于砂轮表面的结合剂溅射重凝层、熔融物进行机械剥离。
D、每整修3-5分钟，重复上述A、B、C步骤；直至所述砂轮表面的圆跳动误差不超过20微米，则完成砂轮的外形修整。
以下为具体实施例。
A、将砂轮安装在平面磨床的主轴上，磨床主轴转速为120r/min；接着扫描整个砂轮表面，得到圆跳动误差值为243μm，确定砂轮的最高点为A点，并确定A点的径向、轴向、母线方向位置；
B、精密调整激光烧蚀头，使激光束焦斑位置与砂轮最高点A在径向、轴向、母线方向重合；设置激光器的连续输出平均功率为30W，频率为7kHz，单脉冲持续时间为100ns，脉冲激光束沿所述砂轮轴线方向的往复运动速度为0.1mm/s，光束聚焦镜的焦距为180mm；
C、关闭磨床，使砂轮停止转动。在砂轮母线相对位置设置碳化硅滚轮，其吃刀量为0.005mm；
D、开启激光器和磨床及碳化硅滚轮，开始修整砂轮；
E、砂轮旋转3分钟后，关闭激光器；重新扫描整个砂轮表面，圆跳动误差为78μm，则重新确定砂轮的最高点为B点，并确定B点的径向、轴向、母线方向位置；
F、重新调整激光烧蚀头，使激光束焦斑位置与砂轮最高点B在径向、轴向、母线方向重合；其它工艺参数保持不变;
G、关闭磨床，使砂轮停止转动。重新调整碳化硅滚轮和砂轮的相对位置，使吃刀量保持在0.005mm；
H、重新开启激光器和磨床及碳化硅滚轮；
I、重复以上步骤五次，关闭激光器；重新扫描整个砂轮表面，圆跳动误差为16μm。完成该砂轮的整修。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)
1.一种金刚石砂轮的粗修整的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、通过线扫描激光位移传感器来扫描金刚石砂轮的表面，获取所述砂轮的圆跳动曲线图，得到砂轮表面各点的高度值；再比较各点高度值，确定其中的最大值为砂轮表面最高点，并确定所述最高点的径向、轴向、母线方向的位置；
B、在所述砂轮的圆周运动方向上的滚轮与砂轮接触点之前，通过激光器沿着砂轮表面的内法线方向持续向所述砂轮发射聚焦脉冲激光束；
C、在所述砂轮的母线相对位置处架设碳化硅滚轮，所述滚轮的吃刀量为0.005mm；
所述聚焦脉冲激光束的焦斑位置与所述砂轮最高点位置在径向、轴向、母线方向重合；所述激光器的连续输出平均功率为30W，重复频率为7kHz，单脉冲脉宽为100ns，光束聚焦镜的焦距为180mm；脉冲激光束沿所述砂轮轴线方向的往复运动速度为0.1mm/s；
D、每整修3-5分钟，重复A、B、C步骤；直至所述砂轮表面的圆跳动误差不超过20μm。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮的粗修整的方法，其特征在于，步骤A中，所述砂轮被安装在平面磨床的主轴上，磨床主轴转速为50-1000r/min。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮的粗修整的方法，其特征在于，所述激光束的焦点位置功率密度值达到108W/cm2量级以上。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮的粗修整的方法，其特征在于，所述砂轮的直径为20cm，宽度为5cm。
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