CN112571282A - 一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置及方法，该装置沿激光束出射方向依次设有反射透镜夹、反射透镜座、水平位移调整台、竖向位移调整架、固定支座；并配备有定角转动旋钮、位移丝杠和声发射设备。装置为三自由度包含可x,y,z向移动和绕轴转动的反射透镜搭载装置，调控反射透镜将出射激光束以几近垂直的角度反射，使激光能量在水平和垂直方向同时作用，整形效率成倍提升。设计了透镜夹对激光截面包覆的方法，提出了奇数递增激光扫描次数的修形方法，保证了修整效率高，砂轮外廓形貌好，实现了高速、节能；建立了激光束于砂轮表面扫描轨迹修锐的模型，提出了采用最佳扫描次数控制、分层激光扫描修锐的方法，实现了磨粒出刃优良、合格率高。

Description

一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置及方法

技术领域

本发明属于砂轮修整技术领域，具体地说，涉及一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置及方法。

背景技术

随着现代加工技术朝着高速、高精、绿色化发展，以及新型复合材料、精密光学材料和难加工材料的出现，现代磨削对于CBN，金刚石等超硬磨料砂轮的需求也与日俱增。例如金刚石砂轮作为一种超硬磨料磨具，具有寿命长，硬度高，磨削效果好的优点，常用作光学材料及复合材料的精密磨削。磨削的关键是修整这一说法是行业内公认的，而超硬砂轮尤其是金属基结合剂超硬磨料砂轮由于基体强度大，熔点高，其修整一直以来是业界的难题。传统的机械、电解、电火花等修整方法工艺成熟，但存在修整效率低，修整精度差等缺陷，故急需要一种集高效率、高精度、绿色节能的砂轮修整方法，提高修整效率。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置及方法，已解决背景技术中提到的机械、电解修整及激光修整等高能束加工存在效率低等问题。

本发明采用技术方案的基本构思是：

一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置，包括反射透镜座、水平位移调整台、竖向位移调整架、固定支座、反射透镜夹、定角转动旋钮和位移丝杠。所述反射透镜架底端以向位移丝杠连接至水平位移调整台的滑轨；水平位移调整台沿对称轴底部装有向位移丝杠，连接至竖向位移调整架的滑轨；竖向位移调整架接于固定支座，固定支座通过内六角圆柱螺钉固定于激光修整工作台。整形后砂轮跳动和圆度误差低，保证了成形砂轮的轮廓形貌，降低了热损伤，且修锐效率高，磨粒出刃效果好。

进一步地，反射透镜座、水平位移调整台、竖向位移调整架和反射透镜夹分别可做沿x,y,z方向的移动和绕定角转动旋钮的定轴转动，实现三自由度调控。

进一步地，定角转动旋钮可固定反射透镜与水平方向的夹角，以实现激光修整过程中不发生扰动。

进一步地，水平位移调整台设计为质心非对称分布几何形貌，重心偏竖向位移调整架一侧以实现位移丝杠进行z向调整时与滑轨无侧向分力干涉。

一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法：

步骤1，将成形超硬磨料砂轮连接至声发射仪，并设置较小激光功率，脉冲频率和扫描速度等参数进行声发射对刀；

步骤2，调控反射透镜；

步骤3，将透镜装夹在搭载平台上面，根据出射激光光束参数调整反射透镜位移量，并为反射透镜在预调整位置夹角；

步骤4，切向修形，设置较高的激光能量参数，同时去除磨粒与结合剂材料；

步骤5，精整形和光整；按照奇数次增加循环进行磨料段结合剂与磨粒的去除，直至砂轮表面的圆跳动误差不超过20，光整5～10。

步骤6，调整镜架，调控激光为径向入射，选取最优激光扫描次数，进行激光径向分层修锐。

具体步骤：

步骤1，连接修整装置和声发射设备，进行对刀；

步骤2，调控反射透镜，使反射透镜所在平面与水平面呈θ角度，设计在激光扫描区域范围内反射透镜夹的尺寸在旋转最大角度后可包覆激光束，以确定其最大尺寸r_max；

步骤3，以三自由度调整装置的形位；

步骤4，设定激光参数，切向整形，根据砂轮整形目标半径r_max确定激光束沿z轴负向调整的长度范围，并调控反射激光束与砂轮底部的形位关系；

步骤5，精整形与光整，微调反射透镜夹和激光束的烧蚀深度，按照奇数次增加循环进行激光扫描去除磨粒和结合剂，达到砂轮表面跳动要求；调整砂轮转速进行一定时间的光整；

步骤6，利用分层扫描的方式进行径向激光修锐；将砂轮轴截面形状最大高度L_m进行等分，确定各等分点P_i(i＝1,2,…,n)之间的距离s_d应约等于激光束的瑞利长度L_R；

步骤7，各等分点处最优的激光扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)的确定；

步骤8，将激光束焦点依次设至各个等分点P_i(i＝1,2,…,n)处，然后按照各等分点对应点最优扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)调控激光以恒定的速度v_L沿与X轴平行、长度为L的轨迹线对匀速转动的砂轮表面扫描，即可完成成形砂轮的修锐；修锐过程选用的激光扫描次数总和T小，能量损耗第；修锐完成后的成形砂轮质量良好，磨粒合格率η_k高。

进一步地，步骤2中，反射透镜调控时，激光束腰处最小光斑ω可表示为：

式中F为振镜焦距，M²为光束质量因子，λ为波长，ω_S为聚焦前光束半径。

进一步地，步骤2中所述θ角度下焦点光斑直径l_bd与光斑在透镜面的椭圆短轴投影l_b′d′之比c在激光束各处截圆均固定：

进一步地，步骤2中所述最大尺寸r_max可表示为：

式中θ′为反射透镜在预调整位置夹角，α为微调整角度(-5°＜α＜5°)。

进一步地，步骤3中，通过位移丝杠微调反射透镜座、水平位移调整台和竖向位移调整架的位置，反射透镜夹角度调至θ＝45°。

进一步地，步骤4中，所述砂轮整形目标半径r_m可表示为：

其中r_G为砂轮初始半径，α_p为激光束的烧蚀深度，s为砂轮宽度。

进一步地，步骤4中，所述调控反射光束通过在α的角度范围内微调控定角转动旋钮。

进一步地，步骤5中，所述设置激光循环扫描次数n_i(i＝1,3,5,7…)，直到砂轮表面跳动误差不超过20μm。

进一步地，步骤5中，所述光整过程要求将砂轮转速提高到v＝400r/min，继续修整5～10min。

进一步地，步骤7中，所述选取最优扫描次数时，在同一个成形砂轮表面选取编号为k_i(i＝1,2,…,n)的n块区域如图13所示，分别对每块区域进行激光修锐，即当对编号为k_i的区域进行修锐时，激光焦点应置于P_i处，其余区域遮挡以防止被激光扫描；所有区域扫描N次(N为常数)。

进一步地，步骤8中，修锐后依次对n块区域中砂轮轴截面轮廓上各点磨粒出刃高度h_ij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m)进行测量，则成形砂轮表面整体磨粒出刃高度H_j(j＝1,2,…,m)可表示为:

其中，t_i(i＝1,2,…,n)为各等分点P_i(i＝1,2,…,n)处的激光扫描次数；

且磨粒出刃高度H_j的范围选取满足：

其中d为磨粒粒径。

进一步地，步骤8中，激光扫描总次数T可表示为：

磨粒合格率η_k(k＝1,2,…,l)可表示为：

其中Q为合格磨粒的总数，l为(t₁,t₂,…,t_n)的组数；

根据T和η_k两个条件可筛选得到各等分点P_i(i＝1,2,…,n)处合适的激光扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明三自由度反射透镜搭载平台实现激光调控超硬磨料成形砂轮修整，通过反射透镜进行振镜出射光束、透镜反射光束双光束的调控，成倍提高整形效率；且整形过程由于时间短不会出现激光热效应造成的砂轮端面损伤，整形后砂轮跳动和圆度误差低，具有良好的外廓。修锐过程采用选取最优扫描次数组合、分层扫描径向修锐方法，大大提高了砂轮修锐效率。

本发明以调控高能量双激光束的方法去除砂轮材料，设计了透镜夹对激光截面包络的方法，提出了奇数递增激光扫描次数的修形方法，保证了修整效率高，砂轮外廓形貌好，实现了高速、节能；建立了激光束于砂轮表面扫描轨迹修锐的模型，提出了采用最佳扫描次数控制、分层激光扫描修锐的方法，实现了磨粒出刃优良、合格率高。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为本发明一实施例中装置装配示意图；

图2为本发明一实施例中反射透镜座三视图；

图3为本发明一实施例中水平位移调整台三视图；

图4为本发明一实施例中竖向位移调整架三视图；

图5为本发明一实施例中固定支座三视图；

图6为本发明一实施例中反射透镜可调控角度示意图；

图7为本发明一实施例中整体装置连接布置示意图；

图8为本发明一实施例中步骤2的激光光斑投影说明图；

图9为本发明一实施例中步骤3装置位移、角度调整后的示意图；

图10为图9的局部放大图；

图11为本发明一实施例中步骤4的砂轮宽度表示图；

图12为本发明一实施例中步骤6的径向修锐表征与反射透镜调节示意图；

图13为本发明一实施例中步骤6-8的激光扫描次数确定与扫描方法示意图。

图中：1-反射透镜座；2-水平位移调整台；3-竖向位移调整架；4-固定支座；5-反射透镜夹；6-定角转动旋钮；7-位移丝杠(数量3)；8-圆弧超硬磨料砂轮；9-激光振镜；10-传感器；11-放大器；12-采集卡；13-声发射显示屏。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1至图13所示，本实施例所述一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置，包括反射透镜座1、水平位移调整台2、竖向位移调整架3、固定支座4、反射透镜夹5、定角转动旋钮6和位移丝杠7。如图2到5所示，所述反射透镜架1底端以y向位移丝杠连接至水平位移调整台2的滑轨；水平位移调整台2沿对称轴底部装有x向位移丝杠，连接至竖向位移调整架3的滑轨；竖向位移调整架接于固定支座4，固定支座4通过内六角圆柱螺钉固定于激光修整工作台。该装置沿激光束出射方向依次设有反射透镜夹、反射透镜座、水平位移调整台、竖向位移调整架、固定支座；并配备有定角转动旋钮、位移丝杠和声发射设备。装置为三自由度包含可向移动和绕轴转动的反射透镜搭载装置，装置上设有反射透镜夹，与激光修整平台以螺柱固定连接，调控反射透镜将出射激光束以几近垂直的角度反射，使激光能量在水平和垂直方向同时作用，实现整形效率成倍提升的目的。

本实施例中，反射透镜座1、水平位移调整台2、竖向位移调整架3和反射透镜夹分别可做沿x,y,z方向的移动和绕定角转动旋钮6的定轴转动，实现三自由度调控。

本实施例中，定角转动旋钮6固定反射透镜与水平方向的夹角θ，参见图6，以实现激光整形过程中不发生扰动。

本实施例中，水平位移调整台2设计为质心非对称分布几何形貌，重心偏竖向位移调整架3一侧，参见图3，以实现位移丝杠7进行z向调整时与滑轨无侧向分力干涉。

具体实施方法：本实施方法利用上述装置可以实现激光修整圆弧形金刚石砂轮，包括以下步骤：

步骤1，将圆弧形金刚石砂轮8连接至声发射仪，顺序为传感器10、放大器11、采集卡12、声发射显示屏13，并设置较小激光功率p，脉冲频率f和扫描速度v等参数进行声发射对刀，如图7所示。

步骤2，进行反射透镜调控，激光振镜9出射的激光束在束腰处最小光斑尺寸ω可表示为：

式中，F为振镜焦距，M²为光束质量因子，λ为波长，ω_S为聚焦前光束半径。本实施例中，振镜扫描的范围为50x50mm的矩形区域；振镜焦距F为100mm，波长λ为1064nm。光束质量因子M²为1.4。聚焦前光束半径ω_S为3.3mm，可得出焦点光斑直径为28μm。如图8所示，在反射透镜所在平面与水平面呈θ角度下，原焦点光斑直径与光斑在透镜面的椭圆短轴投影之比对应于聚焦前光圈直径与其投影椭圆短轴之比，且在光束内各处截面圆都存在上述关系，即有：

其中c为常数。根据设计要求，在扫描区域为50x50mm的范围内要求圆形反射透镜夹的尺寸在旋转最大角度后可包络激光束。其最大半径r_max可表示为：

在对结果无影响的情况下可令c＝1，θ′为反射透镜在预调整位置夹角，α为微调整角度(-5°＜α＜5°)。

步骤3，调整三个自由度，如图9所示，分别通过位移丝杠7微调整反射透镜座1、水平位移调整台2、竖向位移调整架3的位置x₁,y₁,z₁，反射透镜夹角度调至θ＝45°。

步骤4，切向修形，设置较高的激光能量参数，同时去除金刚石磨粒与结合剂材料，修整目标砂轮半径为r_m。如图9所示，砂轮沿逆时针方向以转速v＝500r/min旋转。如图10所示，激光束向z轴负向调整的长度范围h可表示为：

其中，r_G为砂轮初始半径，α_p为激光束的烧蚀深度，s为砂轮宽度。要求砂轮磨料层厚度w＞＞ω(最小光斑尺寸)，参见图11。整形过程中，要求在α的角度范围内调控定角转动旋钮6使反射激光束与砂轮的形位关系与出射激光束相同，以达到金刚石砂轮底端的最佳整形效果。此步骤中所选用的激光功率密度应保持在10⁸w/cm²量级。

步骤5，精整形和光整，设定与步骤4相同的激光能量参数和砂轮转速，调节一定的微角度α和激光束的烧蚀深度α_p进行激光扫描次数循环，设置扫描次数n_i(i＝1,3,5,7…)，按照奇数次增加循环进行磨料段结合剂与金刚石磨粒的去除，直至砂轮表面的圆跳动误差不超过20μm。达到要求砂轮表面轮廓精度后固定α和激光束的烧蚀深度α_p，将砂轮转速提高到v＝400r/min，继续修整5～10min，完成光整过程。

步骤6，分层扫描径向修锐；调控镜架的反射透镜于水平180°状态，如图12；将砂轮轴截面形状最大高度L_m进行等分，确定各等分点P_i(i＝1,2,…,n)之间的距离s_d应约等于激光束的瑞利长度L_R。

步骤7，各等分点处最优的激光扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)的确定。所述选取最优扫描次数时，在同一个成形砂轮表面选取编号为k_i(i＝1,2,…,n)的n块区域如图13所示，分别对每块区域进行激光修锐。即当对编号为k_i的区域进行修锐时，激光焦点应置于P_i处，其余区域遮挡以防止被激光扫描；所有区域扫描N次(N为常数)。

步骤8，将激光束焦点依次设至各个等分点P_i(i＝1,2,…,n)处，然后按照各等分点对应点最优扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)调控激光以恒定的速度v_L沿与X轴平行、长度为L的轨迹线对匀速转动的砂轮表面扫描，即可完成圆弧形砂轮的修锐；

成形砂轮表面整体磨粒出刃高度H_j(j＝1,2,…,m)可表示为:

磨粒出刃高度H_j的范围选取满足：

其中，t_i(i＝1,2,…,n)为各等分点P_i(i＝1,2,…,n)处激光扫描次数；d为磨粒粒径。

扫描次数表示为：

修锐过程选用的激光扫描次数总和T小，修锐完成后的圆弧形砂轮磨粒合格率η_k(k＝1,2,…,l)高。磨粒合格率可以表示为：

三自由度反射透镜搭载装置能够实现在砂轮的激光整形过程中全方位对出射激光束进行细微调节，保证砂轮侧端面和底端面同时和激光束能量最高点作用，以实现成倍提高整形效率。整形过程由于时间短未出现激光热效应造成的砂轮端面损伤，整形后砂轮跳动和圆度误差低，保证了成形砂轮的形貌在表面的良好外廓。采用最佳扫描次数控制、分层激光扫描修锐的方法可以获得出刃高度良好、磨粒合格率高的砂轮表面质量，且在扫描次数选取的调控过程中修锐效率大大提高，同时成形砂轮激光修锐过程中的激光束轨迹容易控制。

本发明装置为三自由度包含可x,y,z向移动和绕轴转动的反射透镜搭载装置，装置上设有反射透镜夹，与激光修整平台以螺柱固定连接，调控反射透镜将出射激光束以几近垂直的角度反射，使激光能量在水平和垂直方向同时作用，实现整形效率成倍提升的目的。本发明以调控高能量双激光束的方法去除砂轮材料，设计了透镜夹对激光截面包络的方法，提出了奇数递增激光扫描次数的修形方法，保证了修整效率高，砂轮外廓形貌好，实现了高速、节能；提出了采用最佳扫描次数控制、分层激光扫描修锐的方法，实现了磨粒出刃优良、合格率高。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种超硬磨料成形砂轮激光修整装置，其特征在于，包含反射透镜座、水平位移调整台、竖向位移调整架、固定支座、反射透镜夹、定角转动旋钮和位移丝杠；反射透镜架底端以位移丝杠连接至水平位移调整台的滑轨；水平位移调整台沿对称轴底部装有位移丝杠，连接至竖向位移调整架的滑轨；竖向位移调整架接于固定支座，固定支座通过螺钉固定于激光修整工作台，反射透镜座、水平位移调整台、竖向位移调整架和反射透镜夹分别可做沿x,y,z方向的移动和绕定角转动旋钮的定轴转动，实现三自由度调控。

2.一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1，连接修整装置和声发射设备，进行对刀；

步骤2，调控反射透镜，使反射透镜所在平面与水平面呈θ角度，设计在激光扫描区域范围内反射透镜夹的尺寸在旋转最大角度后可包覆激光束，以确定其最大尺寸r_max；

步骤3，以三自由度调整装置的形位；

步骤4，设定激光参数，切向整形，根据砂轮整形目标半径r_max确定激光束沿z轴负向调整的长度范围，并调控反射激光束与砂轮底部的形位关系；

步骤5，精整形与光整，微调反射透镜夹和激光束的烧蚀深度，按照奇数次增加循环进行激光扫描去除磨粒和结合剂，达到砂轮表面跳动要求；调整砂轮转速进行一定时间的光整；

步骤6，利用分层扫描的方式进行径向激光修锐；将砂轮轴截面形状最大高度L_m进行等分，确定各等分点P_i(i＝1,2,…,n)之间的距离s_d应约等于激光束的瑞利长度L_R；

步骤7，各等分点处最优的激光扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)的确定；

步骤8，将激光束焦点依次设至各个等分点P_i(i＝1,2,…,n)处，然后按照各等分点对应点最优扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)调控激光以恒定的速度v_L沿与X轴平行、长度为L的轨迹线对匀速转动的砂轮表面扫描，即可完成成形砂轮的修锐；修锐过程选用的激光扫描次数总和T小，能量损耗第；修锐完成后的成形砂轮质量良好，磨粒合格率η_k高。

3.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤2中，反射透镜调控时，激光束腰处最小光斑ω可表示为：

式中F为振镜焦距，M²为光束质量因子，λ为波长，ω_S为聚焦前光束半径；

所述θ角度下焦点光斑直径l_bd与光斑在透镜面的椭圆短轴投影l_b′d′之比c在激光束各处截圆均固定：

4.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤2中所述最大尺寸r_max可表示为：

式中θ′为反射透镜在预调整位置夹角，α为微调整角度(-5°＜α＜5°)。

5.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤3中，通过位移丝杠微调反射透镜座、水平位移调整台和竖向位移调整架的位置，反射透镜夹角度调至θ＝45°。

6.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤4中，所述砂轮整形目标半径r_m可表示为：

其中r_G为砂轮初始半径，α_p为激光束的烧蚀深度，s为砂轮宽度；

所述调控反射光束通过在α的角度范围内微调控定角转动旋钮。

7.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤5中，所述设置激光循环扫描次数n_i(i＝1,3,5,7…)，直到砂轮表面跳动误差不超过20μm；所述光整过程要求将砂轮转速提高到v＝400r/min，继续修整5～10min。

8.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤7中，所述选取最优扫描次数时，在同一个成形砂轮表面选取编号为k_i(i＝1,2,…,n)的n块区域，分别对每块区域进行激光修锐，即当对编号为k_i的区域进行修锐时，激光焦点应置于P_i处，其余区域遮挡以防止被激光扫描；所有区域扫描N次(N为常数)。

9.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤8中，修锐后依次对n块区域中砂轮轴截面轮廓上各点磨粒出刃高度h_ij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m)进行测量，则成形砂轮表面整体磨粒出刃高度H_j(j＝1,2,…,m)可表示为:

其中，t_i(i＝1,2,…,n)为各等分点P_i(i＝1,2,…,n)处的激光扫描次数；

且磨粒出刃高度H_j的范围选取满足：

其中d为磨粒粒径。

10.根据权利要求2所述的一种超硬磨料成形砂轮激光修整方法，其特征在于，步骤8中，激光扫描总次数T可表示为：

磨粒合格率η_k(k＝1,2,…,l)可表示为：

其中Q为合格磨粒的总数，l为(t₁,t₂,…,t_n)的组数；

根据T和η_k两个条件可筛选得到各等分点P_i(i＝1,2,…,n)处合适的激光扫描次数S_i(i＝1,2,…,n)。

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