[发明专利]一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其修整方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超硬磨料砂轮修整装置及修整方法，特别涉及一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其修整方法。

背景技术

超硬磨料砂轮是指立方氮化硼和金刚石砂轮，它具有极高的硬度，抗磨损能力强，但由于它具有极高的硬度致使修整非常困难。因此，为了使超薄超硬材料砂轮在切削过程中能保持几何形状的正确性和磨粒的锐利性，就需要对其进行定期修整。传统机械修整法如图1所示（如车削法、挤压法、滚压法）都是基于力的“硬碰硬”的作用，因此都存在致命缺陷，即效率及其低下，修整工具损耗严重，磨粒表面易造成机械损伤，同时修整工具的形状误差容易复映到被修整砂轮的工作表面上去，且不同的曲面的砂轮需要不同的修整工具，修整成本高。虽然一些国内外学者改进砂轮的修整方法如：电火花修整法、电解修整法（ELID）等克服了传统修整法在某些方面的不足，但或多或少仍然存在着效率低、适应性窄、修整工具损耗大、对环境不友好及难以实现控制自动化等缺点，这限制了它们的进一步推广和应用。

超硬磨料砂轮激光修整技术集激光技术、材料加工技术、传感器技术、精密磨削技术及计算机技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进修整技术。该技术其实质是基于脉冲激光烧蚀机理，将聚焦高能脉冲激光束辐照于匀速转动的砂轮表面，利用聚焦激光束这把基于热力学效应的非接触式“刀具”，对砂轮表层复合材料（磨粒，结合剂等）进行微量“切削”加工，并使超硬磨粒突出在结合剂之外形成切削刃，最终实现超硬磨料砂轮的修整加工。与传统机械修整法相比，激光修整方法作为一种非接触式的砂轮修整技术，避开了机械力的直接作用和硬接触，具有适用性广、热影响区小、无修整工具损耗、高灵活性及高可控性等优势，是一种精度和效率高、设备成本低的绿色修整技术，如图2所示。

已有的技术，如金泽大学A.Hosokawa研究了辅助侧向吹气、脉冲宽度和重复频率、砂轮旋转速度等工艺参数对激光修整后砂轮表面地形地貌的影响，通过工艺参数的良好匹配加工得到了表面质量良好的青铜金刚石砂轮。实验发现，当激光功率较高时，砂轮表面可以观察到明显的微裂纹和石墨变质层等缺陷；若激光功率较低，则可以有效地避免缺陷层的产生。对比分析了激光修整与碳化硅砂轮修整的青铜金刚石砂轮的磨削性能，发现两者修整后的砂轮在磨削过程中产生的法向和切向磨削力几乎相等。影响砂轮表面质量主要表现在微裂纹和石墨变质层等缺陷，在上述方法虽然取得了一定的修整效果，但在高功率激光加工时，无法避免的出现了微裂纹和石墨变质层等缺陷，影响了表面质量，且与实际要求还有很多大差距。

发明内容

为了克服已有技术的不足和缺陷，发明一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其方法，在砂轮修整中首次运用水液冷却效果，加以乳化液体，在砂轮表面形成一层液态薄膜，提高液体的表面蒸发，扩大接触散热，促进辐射热交换作用下，采用双切向液柱流方法，抑制砂轮表面在高功率激光烧蚀作用下的相爆炸的发生，减少飞溅的再次凝固，避免堵塞凹坑，抑制了超热层中固液相界面在脉冲激光结束后的移动，抑制能量累积效应，同时避免高功率激光烧蚀下结合剂和磨料出现的二次热传导产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，从而提高修整后的表面质量。

本发明的技术方案是提供一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置，包括计算机控制设备，控制操作平台，光纤激光器，激光烧蚀头，三维移动平台，超硬磨料砂轮，磨床，下切向细水管，下切向液柱压力控制器，右切向细水管，激光束，下切向液柱流，右切向液柱流，右切向液柱压力控制器，聚焦透镜，其特征在于：

超硬磨料砂轮安装在可控磨床上，通过磨床带动砂轮转动，激光烧蚀头固定在三维移动平台上，按径向方向水平放在砂轮左边，聚焦透镜安放在激光烧蚀头与超硬磨料砂轮之间，三维移动平台由计算机控制设备控制，可在X、Y、Z的三维方向移动，激光烧蚀头固定后由三维移动平台控制，控制操作平台可以控制光纤激光器的功率密度和脉冲频率，从而对砂轮分别进行轴向和径向烧蚀，双切向细水管分别对准超硬磨料砂轮的下切向和右切向，由进液压力控制器控制出液液柱压力，液柱流冲击超硬磨料砂轮表面；在修整过程中，通过进水压力控制器分别控制双切向液柱流的液柱压力，其中，下切向液柱流形成液膜，右切向液柱流用于快速冷却，通过下切向液柱压力控制器控制冲击压力小于右切向液柱压力控制器控制冲击压力。

本发明的有益效果是：

1）采用本发明提出了辅助双切向液柱流装置能有效避免结合剂和磨料出现的二次热传导产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，提高修整质量。