CN110757274A - 一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法及装置 - Google Patents

一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法及装置，本发明采用激光辅助砂轮端面干磨削的方法，其主要原理是激光束在待加工表面高速螺旋回转，对待加工材料预热，使待磨削材料在短时间内迅速升温软化，降低表面维氏硬度。激光辅助砂轮端面干磨削通过对难切削材料进行预热，一方面可以降低材料的屈服强度，减少加工过程中砂轮的磨损，另一方面可以减少砂轮与工件的冲击，改善加工表面质量，延长砂轮使用寿命，减少表面烧伤，提高加工效率。

Description

一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法及装置
技术领域：
本发明涉及一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法及装置。
背景技术：
随着航空航天、汽车制造、海洋工业等领域的迅猛发展，各行业对产品零部件的材料性能、加工质量和加工效率等的需求也越来越高，硬质合金、镍基高温合金等这些高性能的工程材料虽然具有良好的机械性能，但因其加工性能较差，在机械加工领域属于难切削材料。
常规的端面磨削加工中切削的大多是高强度、高硬度的材料，端面砂轮磨损严重，而且在磨削过程中，由于磨削表面温度很高，还会烧伤加工表面。因此在加工过程中，需要不断的向磨削表面喷射冷却液，以降低磨削温度、减少表面烧伤，进而提高加工表面质量。与此同时，就会出现了另一个问题——冷却液的收集及处理，使用过的冷却液中会混合磨屑及其他残渣，影响再次使用；冷却液中含有亚硝酸钠等有害物质，若处理不当，会对环境造成污染。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法及装置。本发明采用激光辅助砂轮端面干磨削的方法，其主要原理是激光束在待加工表面高速螺旋回转，对待加工材料预热，使待磨削材料在短时间内迅速升温软化，降低表面维氏硬度。激光辅助砂轮端面干磨削通过对难切削材料进行预热，一方面可以降低材料的屈服强度，减少加工过程中砂轮的磨损，另一方面可以减少砂轮与工件的冲击，改善加工表面质量，延长砂轮使用寿命，减少表面烧伤，提高加工效率。
本发明所采用的技术方案有：
一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法，激光器连续发出的激光束通过偏振器并从环形砂轮的旋转中心聚焦于加工件的加工面，通过激光束由内向外的螺旋回转，对加工件表面进行预热处理，使加工件表面的维氏硬度降至适合干磨削的数值范围；同时环形砂轮作旋转运动和进给运动，在无冷却液条件下，减少加工件表面的烧伤和砂轮的磨损。
进一步地，所述激光器连续发出的激光束为CO2激光，功率为50-400W，光斑直径为2mm，激光束螺旋回转的最大回转半径为35mm，最小回转半径为2.5mm，回转速度为1-40r/s。
进一步地，所述加工件表面的维氏硬度适合干磨削的数值范围为120-180 HV。
本发明还提供一种激光辅助砂轮端面干磨削的装置，包括机座、工作台、环形砂轮、激光器、偏振器和聚焦透镜，所述工作台设置在机座上，并可在机座上作X、Y方向的二维运动，环形砂轮可转动和可轴向移动地设置在机座上，激光器发出的激光束通过偏振器后作螺旋回转并射入聚焦透镜，经聚焦透镜聚焦后从环形砂轮的旋转中心射出。
进一步地，所述偏振器包括X偏振电机、Y偏振电机、X偏振镜、Y偏振镜和振镜安装座，所述X偏振电机和Y偏振电机固定于振镜安装座内，X偏振镜和Y偏振镜对应固定于X偏振电机和Y偏振电机的输出轴上，在振镜安装座上设有入射口和出射口。
进一步地，所述机座的后侧固定有支撑架，激光器和振镜安装座均固定于支撑架上。
进一步地，所述支撑架上设有主电机、主轴箱和主轴，所述主轴转动连接在主轴箱内，主电机驱动主轴在主轴箱内转动。
进一步地，所述主轴为中空的阶梯轴，环形砂轮通过法兰盘固定连接在主轴的底端，激光器发出的激光束通过主轴并从环形砂轮的旋转中心射出。
进一步地，所述支撑架上固定连接有电动丝杠升降机，所述主电机和主轴箱固定连接在电动丝杠升降机的自由端，且主电机通过皮带轮和皮带的联动驱动主轴在主轴箱内转动。
进一步地，所述机座设有X轴电动丝杠移动机和Y轴电动丝杠移动机，X轴电动丝杠移动机固定连接在Y轴电动丝杠移动机的自由端，所述工作台固定连接在X轴电动丝杠移动机的自由端。
本发明具有如下有益效果：
本发明适用于难切削材料，可以延长砂轮的使用寿命，提高磨削效率，减少表面烧伤，提高加工表面质量，采用非接触式的方法对待加工表面进行预热，能明显改善工件的磨削性能，提高磨削效率和加工表面质量，减少表面烧伤。装置结构简单、建立简单方便，易于操作，采用无冷却液的干磨削方法，能避免冷却液对环境的污染。
附图说明：
图1是本发明激光辅助砂轮端面干磨削装置的结构示意图。
图2是光路***的示意图。
图3是直接干磨削与激光辅助干磨削的磨削表面形貌对比图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法，激光器连续发出的激光束通过偏振器并射入聚焦透镜，经聚焦透镜聚焦后从环形砂轮的旋转中心射于加工件的加工面，偏振器使得激光束由内向外的螺旋回转，对加工件表面进行预热处理，使加工件表面的维氏硬度降至适合干磨削的数值范围。与此同时，环形砂轮作旋转运动和进给运动，在无冷却液条件下，减少加工件表面的烧伤和砂轮的磨损。
本发明中激光器连续发出的激光束为CO2激光，功率为50-400W，光斑直径为2mm，激光束螺旋回转的最大回转半径为35mm，最小回转半径为2.5mm，回转速度为1-40r/s。
加工件表面的维氏硬度适合干磨削的数值范围为120-180 HV。
如图1至图3，本发明激光辅助砂轮端面干磨削的装置，本发明装置适用于打磨硬度在220HV以上的材料。本发明装置包括机座1、工作台7、环形砂轮30、激光器13、偏振器和聚焦透镜38，工作台7设置在机座1上，并可在机座1上作X、Y方向的二维运动，环形砂轮30可转动和可轴向移动地设置在机座1上，激光器13发出的激光束通过偏振器后作螺旋回转并射入聚焦透镜38，经聚焦透镜38聚焦后从环形砂轮30的旋转中心射出。
本发明中的偏振器包括X偏振电机33、Y偏振电机34、X偏振镜36、Y偏振镜37和振镜安装座11，X偏振电机33和Y偏振电机34固定于振镜安装座11内，X偏振镜36和Y偏振镜37对应固定于X偏振电机33和Y偏振电机34的输出轴上，在振镜安装座11上设有入射口和出射口，激光器13发出的激光束由入射***入，通过X偏振镜36和Y偏振镜37后由出射***出。
在机座1的后侧固定有支撑架22，激光器13和振镜安装座11均固定于支撑架22上。
为便于实现环形砂轮30的转动，在支撑架22上设有主电机17、主轴箱27和主轴10，主轴10转动连接在主轴箱27内，主电机17驱动主轴10在主轴箱27内转动。主轴10为中空的阶梯轴，设有Φ80mm的圆形通孔供激光束通过。
环形砂轮30通过法兰盘31固定连接在主轴10的底端，激光器13发出的激光束通过主轴10并从环形砂轮30的旋转中心射出。
为便于实现环形砂轮30的进给运动，在支撑架22上固定连接有电动丝杠升降机，主电机17和主轴箱27固定连接在电动丝杠升降机的自由端，且主电机17通过皮带轮和皮带的联动驱动主轴10在主轴箱27内转动。
为便于实现工作台7在机座1上作X、Y方向的二维运动，在机座1设有X轴电动丝杠移动机和Y轴电动丝杠移动机，X轴电动丝杠移动机固定连接在Y轴电动丝杠移动机的自由端，工作台7固定连接在X轴电动丝杠移动机的自由端。
以下对本发明的磨削方法进行详细说明：
将待加工工件8固定连接在工作台7上，启动X轴电动丝杠移动机和Y轴电动丝杠移动机，使得X轴电动丝杠移动机和Y轴电动丝杠移动机以0.01m/s的速度移动，将工作台7的待加工区域移动到环形砂轮的正下方，同时启动电动丝杠升降机，使得环形砂轮以0.01mm/s的速度向下移动，直至砂轮接触台板表面。
启动CO2激光器、X偏振电机33和Y偏振电机34，通过聚焦透镜38将80W的连续CO2激光聚焦于待加工工件8表面，并对待加工工件8的表面预热1s，降低其表面的硬度。
预热过程结束后，启动主电机17，环形砂轮30以970r/min转速开始磨削工件8中被预热后的表面，与此同时，启动电动丝杠升降机，电动丝杠升降机带动环形砂轮以0.01mm/s的速度向下移动1.5mm。
启动Y轴电动丝杠移动机，工作台7以0.01m/s的速度从左向右移动，对工件8表面干磨削，完成一个工作行程后，X轴电动丝杠移动机，工作台7以0.01m/s的速度向后移动；重复以上步骤，直至完成对整个工件表面的干磨削。
下表为典型难切削材料的激光辅助干磨削的工艺参数：
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以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光辅助砂轮端面干磨削的方法，其特征在于：激光器连续发出的激光束通过偏振器并从环形砂轮的旋转中心聚焦于加工件的加工面，通过激光束由内向外的螺旋回转，对加工件表面进行预热使加工件表面的维氏硬度降低，同时环形砂轮作旋转运动和进给运动。
2.根据权利要求1所述激光辅助砂轮端面干磨削的方法，其特征在于：所述激光器连续发出的激光束为CO2激光，功率为50-400W，光斑直径为2mm，激光束螺旋回转的最大回转半径为35mm，最小回转半径为2.5mm，回转速度为1-40r/s。
3.根据权利要求1所述激光辅助砂轮端面干磨削的方法，其特征在于：所述激光束对加工件表面预热使加工件表面的维氏硬度降低至120-180 HV。
4.一种激光辅助砂轮端面干磨削的装置，其特征在于：包括机座（1）、工作台（7）、环形砂轮（30）、激光器（13）、聚焦透镜（38）和偏振器，所述工作台（7）设置在机座（1）上，并可在机座（1）上作X、Y方向的二维运动，环形砂轮（30）可转动和可轴向移动地设置在机座（1）上，激光器（13）发出的激光束通过偏振器后作螺旋回转并射入聚焦透镜（38），经聚焦透镜（38）聚焦后从环形砂轮（30）的旋转中心射出。
5.如权利要求4所述的激光辅助砂轮端面干磨削的装置，其特征在于：所述激光器（13）通过偏振器中作旋转运动的X偏振镜（36）和Y偏振镜（37）偏振后作螺旋回转。
6.如权利要求5所述的激光辅助砂轮端面干磨削的装置，其特征在于：所述机座（1）的后侧固定有支撑架（22），在支撑架（22）上固定连接振镜安装座（11），所述振镜安装座（11）上固定连接有X偏振电机（33）和Y偏振电机（34），X偏振电机（33）与Y偏振电机（34）的转轴对应与X偏振镜（36）和Y偏振镜（37）固定连接，所述激光器（13）固定于支撑架（22）上。
7.如权利要求6所述的激光辅助砂轮端面干磨削的装置，其特征在于：所述支撑架（22）上设有主电机（17）、主轴箱（27）和主轴（10），所述主轴（10）转动连接在主轴箱（27）内，主电机（17）驱动主轴（10）在主轴箱（27）内转动。
8.如权利要求7所述的激光辅助砂轮端面干磨削的装置，其特征在于：所述主轴（10）为中空的阶梯轴，环形砂轮（30）通过法兰盘（31）固定连接在主轴（10）的底端，激光器（13）发出的激光束通过主轴（10）并从环形砂轮（30）的旋转中心射出。
9.如权利要求6所述的激光辅助砂轮端面干磨削的装置，其特征在于：所述支撑架（22）上固定连接有电动丝杠升降机，所述主电机（17）和主轴箱（27）固定连接在电动丝杠升降机的自由端，且主电机（17）通过皮带轮和皮带的联动驱动主轴（10）在主轴箱（27）内转动。
10.如权利要求4所述的激光辅助砂轮端面干磨削的装置，其特征在于：所述机座（1）设有X轴电动丝杠移动机和Y轴电动丝杠移动机，X轴电动丝杠移动机固定连接在Y轴电动丝杠移动机的自由端，所述工作台（7）固定连接在X轴电动丝杠移动机的自由端。
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