CN1586816A - 连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置及其方法，属于机械工程领域。修锐装置包括CO₂激光器、固定支架、聚焦透镜、皮带轮、调频电机、主轴、砂轮架、三相异步电动机。主轴由轴承支撑在砂轮架上，树脂结合剂砂轮和皮带轮分别安装在主轴的两端，聚焦透镜安放在CO₂激光器和树脂结合剂砂轮之间。对树脂结合剂砂轮进行砂轮修锐数值仿真，得到槽深与E_l的正比关系，选择CO₂激光器的输出功率、光斑直径来确定树脂结合剂砂轮的线速度，调整CO₂激光器的输出功率和光斑直径，调整调频电机的转速来调节树脂结合剂砂轮表面线速度，调整三相异步电动机的转速来调节树脂结合剂砂轮的轴向速度。通过调节激光器的性能参数对修锐效果进行精确的控制，可以得到理想的砂轮。

Description

连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种树脂结合剂砂轮修锐装置及方法，特别是一种连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置及其方法，属于机械工程中加工工具的整形技术领域。

背景技术

目前，对树脂结合剂砂轮的修锐有多种方法，如游离磨料挤轧修锐法、刚玉块切入修锐法、磨削修锐法以及液压喷射修锐法等。这些机械式修锐法其修锐参数不易控制，容易对砂轮产生过度修锐，造成砂轮表面的磨粒大量脱落，影响修锐效果和砂轮使用寿命。而且对树脂或金属结合剂这一类密实型的砂轮来说，结合剂表面的高度起伏是造成树脂结合剂砂轮有效磨粒下降的重要因素，砂轮整形后砂轮上磨粒之间还填充着大量结合剂，没有足够的容屑空间，磨粒裸露高度不足，严重影响磨削加工效果。

已有技术中，左敦稳等人在金刚石砂轮的CO₂脉冲激光修锐研究(《机械工程学报》第35卷第2期，1999年4月)一文中，通过模拟实验研究了激光脉冲频率和占空比等参数的影响，通过使用铝工件和砂轮片的相对刻划试验，对不同扫描条件下刻划时的切向力与法向力之比进行了对比分析，并以该力比用来对修锐效果进行定量评价。陈根余等人在声光调Q Nd：YAG脉冲激光修锐树脂结合剂CBN砂轮(《金刚石与磨料磨具工程》总第133期第1期，2003年2月)一文中，采用声光调Q Nd：YAG脉冲激光径向辐射，对树脂结合剂CBN砂轮进行修锐试验研究，研究了单脉冲激光辐射下，平均功率、脉冲频率和离焦量等参数对烧蚀凹坑深度的影响。日本学者Toshikatsu等人在Dressing of resinoid bond wheel withmoving heat source(3st report)-Improvement of dressing effect withQ-switched YAG laser一文(《精密工志》，1997，63(8))中用声调Q YAG脉冲激光对树脂结合剂的Al2O3砂轮进行了修锐试验。上述修锐方法虽然取得了一定的修锐效果，但与实际的要求还有很大的差距，特别是参数很多，不易进行精确控制。

发明内容

为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明采用连续激光修锐树脂结合剂砂轮。在连续激光作用下，可使结合剂熔蚀和汽化而磨粒基本不受影响，从而达到修锐的目的。

本发明是通过以下的技术方案来实现的：

本发明的修锐装置包括CO₂激光器、固定支架、聚焦透镜、皮带轮、调频电机、主轴、砂轮架、三相异步电动机。砂轮架为一带有4个小轮的平板车，三相异步电动机与4个小轮中并列排列的两个小轮轴连接，主轴由两个轴承支承在砂轮架上，树脂结合剂砂轮和皮带轮分别安装在主轴的两端，四个小轮由三相异步电动机驱动，以完成树脂结合剂砂轮的轴向进给运动，调频电机通过皮带与皮带轮连接，以完成树脂结合剂砂轮的旋转运动，CO₂激光器放在正对树脂结合剂砂轮表面的方向上并固定在固定支架上，聚焦透镜安放在CO₂激光器与树脂结合剂砂轮之间，整个修锐装置安放在一平板桌上。

修锐过程中，CO₂激光器位置固定，树脂结合剂砂轮在匀速转动的同时沿其轴向作轴向进给运动，CO₂激光修锐时在树脂结合剂砂轮表面形成一个螺旋形轨迹，在此轨迹内树脂结合剂被去除很薄的一层，使磨粒能够突出树脂结合剂表面。修锐过程可看作激光在砂轮表面产生螺旋槽的过程，且螺旋槽深度即为激光修锐后磨粒在砂轮表面的突出高度。螺旋槽之间存在重叠，取重叠系数k在1-1.5之间，重叠系数k为砂轮进给速度f与激光光斑直径D_l的比值，这样可使整个砂轮表面得到修锐。

采用上述砂轮修锐装置的具体修锐方法如下：

1.修锐前，首先对树脂结合剂砂轮进行修整；

2.对修整后的树脂结合剂砂轮进行砂轮修锐数值仿真，得到槽深与树脂结合剂砂轮表面单位面积内接受的激光能量E_l的正比关系，和关系式 $E_l=\frac{4P_l}{\mathrm{\π}{D}_l{V}_l}$ 焦耳/平方毫米(J/mm²)，其中，P_l为CO₂激光器的输出功率；D_l为CO₂激光光斑直径；V_l为光斑移动速度；

3.根据仿真结果选择激光在砂轮表面产生的槽深，根据此槽深对应的激光能量E_l选择CO₂激光器的输出功率P_l、光斑直径D_l来确定砂轮的线速度V_l(即光斑移动速度V_l)；

4.选择重叠系数k，根据激光光斑直径D_l确定树脂结合剂砂轮的轴向进给速度f；

5.移动聚焦透镜的位置，使CO₂激光器发出的激光光束垂直照射到树脂结合剂砂轮的表面上；

6.调整CO₂激光器的输出功率P_l和激光光斑直径D_l；

7.调整调频电机的转速来调节树脂结合剂砂轮表面线速度V_l；

8.调整三相异步电动机的转速来调节树脂结合剂砂轮的轴向进给速度f；

为验证激光修锐的实际效果，分别使用激光修锐前后的砂轮对DZ4合金进行了磨削试验，并测量磨削过程中的磨削力和磨削温度，发现使用激光修锐后，能有效提高其磨削性能，在磨削用量相同的条件下，可大幅度降低磨削力和磨削温度。

本发明的有益效果是：(1)该发明的修锐装置中CO₂激光器固定，通过移动聚焦透镜的位置，使CO₂激光器发出的激光光束垂直照射到树脂结合剂砂轮的表面上，使树脂结合剂砂轮在作匀速转动的同时作轴向进给运动，装置结构简单，造价便宜；(2)连续的CO₂激光能够满足对树脂结合剂砂轮进行修锐的要求，可以获得较好的砂轮表面形貌，使砂轮表面磨粒裸露高度和有效磨粒数增加，而且磨粒的等高性也得到一定程度的改善，可以得到理想的修锐结果。并且可以通过调节激光修锐的性能参数对修锐效果进行精确的控制，可以得到理想的砂轮。

附图说明：

图1是本发明激光修锐装置示意图。

图中1是CO₂激光器，2是固定支架，3是聚焦透镜，4是皮带轮，5是调频电机，6是主轴，7是树脂结合剂砂轮，8是砂轮架、9是三相异步电动机、10是小轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：

如图1所示，本发明的修锐装置包括CO₂激光器1、固定支架2、聚焦透镜3、皮带轮4、调频电机5、主轴6、砂轮架8和三相异步电动机9。CO₂激光器1采用上海激光研究所生产的封离型CO₂激光器。砂轮架8为一带有4个小轮10的平板车，三相异步电动机9与4个小轮10中并列排列的两个小轮轴连接。树脂结合剂砂轮7采用粒度号为100的树脂结合剂Al₂O₃砂轮。主轴6由两个轴承支承在砂轮架8上，树脂结合剂砂轮7和皮带轮4分别安装在主轴6的两端。4个小轮10由三相异步电动机9驱动，以完成树脂结合剂砂轮7的轴向进给运动。调频电机5通过皮带与皮带轮4连接，完成树脂结合剂砂轮7的旋转运动，皮带的传动比为5∶1。CO₂激光器1放在正对树脂结合剂砂轮7表面的方向上并固定在固定支架2上，聚焦透镜3安放在CO₂激光器1与树脂结合剂砂轮7之间，聚焦透镜3的规格为φ20×f50。

采用上述修锐装置对粒度号为100的树脂结合剂Al₂O₃砂轮修锐的具体步骤如下：

第一步，修锐前，首先用单点金刚石笔对树脂结合剂砂轮7进行一次修整；

第二步，通过对修整后的树脂结合剂砂轮7进行修锐数值仿真，得到槽深与树脂结合剂砂轮7表面单位面积内接受的激光能量E_l的正比关系，和关系式

$E_l=\frac{4P_l}{\mathrm{\π}{D}_l{V}_l}(J/m{m}^2);$

第三步，选择激光在树脂结合剂砂轮7表面产生的槽深分别为0.127mm、0.086mm和0.070mm，根据此槽深对应的激光能量E_l分别为0.544J/mm²，0.41J/mm²和0.35J/mm²，选择CO₂激光器的输出功率P_l＝40W、光斑直径D_l＝2mm来确定树脂结合剂砂轮的线速度V_l分别为50mm/s，60mm/s和70mm/s；

第四步，选择重叠系数k＝1，根据激光光斑直径D_l＝2mm确定树脂结合剂砂轮的轴向进给速度f＝2mm/s；

第五步，通过移动聚焦透镜3位置，使CO₂激光器1发出的激光光束垂直照射在树脂结合剂砂轮7表面上；

第六步，调整CO₂激光器1的性能参数，使输出功率为40W，激光光斑直径为2mm。

第七步，通过调整调频电机5的转速来调节树脂结合剂砂轮7表面线速度分别为50mm/s，60mm/s和70mm/s；

第八步，调整三相异步电动机9的转速来调节树脂结合剂砂轮7的轴向进给速度为2mm/s；

在修锐过程中，当E_l不同时，激光修锐过程中的表现形式也不相同。当E_l为0.54J/mm²时，树脂结合剂砂轮7表面激光作用区有明显的树脂结合剂材料溅射现象，并伴有明显的气流声，修锐后树脂结合剂砂轮7表面在轻微机械力作用下即有大量磨粒脱落；当E_l为0.41J/mm²时，激光作用区的树脂结合剂材料溅射现象不明显，气流声较微弱，修锐后树脂结合剂砂轮7表面在轻微机械力作用下只有少量磨粒脱落；当E_l为0.35J/mm²时，树脂结合剂砂轮7表面没有喷射现象发生，在激光作用区，树脂受热后有烟雾产生，激光对树脂结合剂材料的去除作用不明显。

对比修锐前后的树脂结合剂砂轮7表面形貌可对修锐的效果进行评价，发现激光修锐前树脂结合剂砂轮7表面较为平坦，磨粒在结合剂表面的突出高度很小，树脂结合剂砂轮7表面的突起部分基本是连通的，很少有尖锐独立的峰点，表明这时磨粒之间填充着大量结合剂。而经过激光修锐后树脂结合剂砂轮7表面的突起不再表现为连通的整体，而是出现了大量独立的小的峰点，树脂结合剂砂轮7表面形貌的起伏明显增大，容屑空间相应增大，这说明经过激光修锐，磨粒之间填充的结合剂被去除，树脂结合剂砂轮7取得了良好的修锐效果。

Claims (10)

1.一种连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置，其特征在于该修锐装置包括CO₂激光器(1)、固定支架(2)、聚焦透镜(3)、皮带轮(4)、调频电机(5)、主轴(6)、砂轮架(8)、三相异步电动机(9)，砂轮架(8)为一个带有4个小轮(10)的平板车，三相异步电动机(9)与4个小轮(10)中并列排列的两个小轮(10)轴连接，主轴(6)由两个轴承支承在砂轮架(8)上，树脂结合剂砂轮(7)和皮带轮(4)分别安装在主轴(6)的两端，调频电机(5)通过皮带与皮带轮(4)连接，CO₂激光器(1)放在正对砂轮(7)表面的方向上并固定在固定支架(2)上，聚焦透镜(3)安放在CO₂激光器(1)与树脂结合剂砂轮(7)之间。

2.根据权利要求1所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置，其特征是CO₂激光器(1)采用上海激光研究所生产的能产生连续激光的封离型CO₂激光器，聚焦透镜(3)的规格为φ20×f50。

3.根据权利要求1所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的装置，其特征是所述皮带的传动比为5∶1。

4.一种连续激光修锐树脂结合剂砂轮的方法，其特征在于该修锐方法包括下列步骤：

[1]修锐前，首先对树脂结合剂砂轮(7)进行修整；

[2]对修整后的树脂结合剂砂轮(7)进行砂轮修锐数值仿真，得到槽深与树脂结合剂砂轮(7)表面单位面积内接受的激光能量E_l的正比关系，和关系式

$E_l=\frac{4P_l}{\mathrm{\π}{D}_l{V}_l}J/{\mathrm{mm}}^2;$

[3]根据仿真结果选择激光在树脂结合剂砂轮(7)表面产生的槽深，根据此槽深对应的激光能量E_l选择CO₂激光器(1)的输出功率P_l、光斑直径D_l来确定树脂结合剂砂轮(7)的表面线速度V_l；

[4]选择重叠系数k，根据激光光斑直径D_l确定树脂结合剂砂轮(7)的轴向进给速度f；

[5]移动聚焦透镜(3)的位置，使CO₂激光器(1)发出的激光光束垂直照射到树脂结合剂砂轮(7)的表面上；

[6]调整CO₂激光器(1)的输出功率P_l和激光光斑直径D_l；

[7]调整调频电机(5)的转速来调节树脂结合剂砂轮(7)表面线速度V_l；

[8]调整三相异步电动机(9)的转速来调节树脂结合剂砂轮(7)的轴向进给速度f。

5.根据权利要求4所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的方法，其特征是所述的步骤[2]，选择树脂结合剂砂轮(7)的槽深分别为0.127mm、0.086mm和0.070mm，其对应的激光能量E_l分别为0.54J/mm²，0.41J/mm²和0.35J/mm²。

6.根据权利要求4所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的方法，其特征是所述的步骤[3]，选择CO₂激光器(1)的输出功率为40W，光斑直径为2mm，确定树脂结合剂砂轮(7)的表面线速度分别为50mm/s，60mm/s和70mm/s。

7.根据权利要求4所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的方法，其特征是所述的步骤[4]，选择重叠系数k＝1，确定树脂结合剂砂轮(7)的轴向进给速度f＝2mm/s。

8.根据权利要求4所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的方法，其特征是所述的步骤[6]，调整CO₂激光器(1)，使其输出功率为40W，激光光斑直径为2mm。

9.根据权利要求4所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的方法，其特征是所述的步骤[7]，调整调频电机(5)的转速，使树脂结合剂砂轮(7)的表面线速度分别为50mm/s，60mm/s和70mm/s。

10.根据权利要求4所述的连续激光修锐树脂结合剂砂轮的方法，其特征是所述的步骤[8]，调节三相异步电动机(9)的转速，使树脂结合剂砂轮(7)的轴向进给速度f＝2mm/s。

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