专利名称：激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方法
技术领域：
本发明涉及树脂结合剂金刚石砂轮修整方法，进一步是指采用激光与机械复 合修整而实现树脂结合剂金刚石砂轮的精密整形和修锐的方法。
背景技术：
树脂结合剂金刚石砂轮具有异常优良的磨削性能，在难加工材料的磨削、精 密超精密磨削、成形磨削、高效磨削及磨削自动化中有广泛的应用前景。近年 来，由于砂轮制造、数控精密磨床等相关技术得以突破，这种砂轮应用急剧增 加。由于这种砂轮本身特性，修整很困难，修整精度难保证，使得磨削效率、 精度、质量受到较大影响，严重影响了其优良磨削性能的充分发挥，是其进一 步推广应用的瓶颈问题和数控精密磨床中的关键技术难题。
树脂结合剂金刚石砂轮的修整通常分为整形和修锐两道工序:整形是对砂 轮进行微量去除，使砂轮达到所要求的几何形状精度；修锐是通过去除砂轮磨 粒之间的结合剂，使磨粒凸出结合剂一定的高度，形成切削刃，同时产生足够 的容屑空间。砂轮整形精度的高低决定了所加工工件的尺寸精度。
金刚石是目前最硬的材料。传统的完全基于力的机械修整方法很难适应树 脂结合剂金刚石砂轮修整，对微粉级以上砂轮的修整精度很难达到要求。为此， 寻找一种适合树脂结合剂金刚石砂轮既能整形又能修锐的新方法，成为各国学 者研究的目标和热点。
发明内容
本发明要解决的问题是，针对现有技术中树脂结合剂金刚石砂轮的修整极
其困难的问题，提出一种激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方法， 该方法对所述砂轮既能实现精密整形，同时又能进行修锐，从而获得良好的地
形地貌；满足高效、精密磨削的要求。
本发明的技术方案是，釆用聚焦后功率密度达到去除金刚石功率密度阈值 3X108 W/cm2以上高功率密度脉冲激光，实施以下工艺步骤
(1) 针对树脂结合剂金刚石非成形砂轮，通过聚焦透镜将激光束聚焦， 垂直砂轮磨削面照射；
(2) 旋转砂轮，通过千分表测量砂轮圆跳动，调整激光焦点位置，使焦 点落在圆跳动最大处；
(3) 调整激光参数，使得砂轮圆跳动跳动最大处达到所述去除金刚石功 率密度阈值，从而去除金刚石和树脂结合剂；
(4) 所述砂轮沿轴向往复进给，同时砂轮作回转运动，经过若干次烧蚀， 直至其圆跳动最大处附近金刚石磨粒部分被整颗剥离、部分被微量去除、部分 因为结合剂去除而失去把持力；
(5) 接着，使用具有明确刀尖的单晶金刚石笔或碳化硅滚轮对所述砂轮 进行整形，去除失去把持力的磨粒和被激光烧蚀的磨粒变质层；
(6)重复以上激光修整和机械法整形交替进行的复合过程，直至达到所需 的圆跳动和地形地貌。
以下对本发明做出进一步说明。
本发明中，所述激光的连续输出平均功率可以是0—60W、重复频率O. 5kHz —10kHz、脉宽160 ns—500 ns;所述砂轮转速为1—2 m/s; 所述激光的焦距为15mm—30mm，脉冲激光聚焦后的光斑直径0. 20mm —O. 22mm。
本发明工艺过程中，通过千分表测量砂轮圆跳动，调整激光焦点位置，使
焦点落在圆跳动最大处(此处激光烧蚀功率最大)；随着跳动减小，沿径向方向 聚焦激光开始离焦，使得功率密度减小，小于烧蚀功率密度阈值。这样只在跳 动最大处附近才会去除金刚石，每个单脉冲去除量在微米级，调整合适的运动 参数，使烧蚀凹坑相切或部分重叠，经过若干次回转后，圆跳动最大处附近金 刚石磨粒部分被整颗剥离、部分被微量去除、部分因为结合剂去除而失去把持 力。
砂轮回转时随砂轮随着跳动减小，激光照射在砂轮表面光斑逐渐增大，功 率密度会逐渐减小，则调整激光参数，如平均功率、重复频率(脉宽和峰值功 率)、离焦量等(功率密度受这些参数影响)，使得跳动最大处达到烧蚀功率密 度阈值，从而去除金刚石和树脂结合剂。
本发明的技术原理是，为了克服现有技术的缺陷，通过理论研究和大量试 验选优，建立一种复合修整法，即加工过程中首先避开"硬碰硬"，采用基于微 区热作用的激光烧蚀精细加工的方法进行预修整，然后采用具有明确刀尖的机 械法整形。
本发明的上述激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方法，较已有技 术显著提高了树脂结合剂金刚石砂轮修整效率、并使砂轮磨削面获得良好的地 形地貌；满足高效、精密磨削的要求。图1为树脂结合剂金刚石砂轮修整前观 察的表面形貌，表面磨粒未凸出；图2为碳化硅滚轮24小时修整后的表面形貌， 圆跳动误差从50pim仅减小到25fim，表面形貌差；图3为复合法修整3小时的 表面形貌，圆跳动误差从5(Vm减小到5,，表面形貌良好。
图1是砂轮修整前观察的表面形貌； 图2是碳化硅滚轮修整的表面形貌； 图3是复合法修整的表面形貌；
图4是实施本发明方法的一种实施例工装示意图，其中 l一高功率密度脉冲激光器，2—聚焦透镜，3—树脂结合剂金刚石砂轮，4
一单点金刚笔或SiC滚轮，5—磨床。
具体实施例方式
图4是本发明激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮方法的一种实施 例。其中
高功率密度脉冲激光器1采用功率密度阈值能达到3X108 W/cm2的声光调 QYAG脉冲激光，连续输出平均功率0—60W，重复频率0.5kHz — 10kHz，脉宽 160 ns—500 ns;
聚焦透镜2的焦距为30mm，脉冲激光聚焦后的光斑直径0. 22mm。
树脂结合剂金刚石砂轮3转速为l一2 m/s;
用千分表测量砂轮圆跳动，记下最高跳动处，如果是新砂轮，圆跳动往往 跳动大于O. lmm;打开激光器输出小功率脉冲激光，调节磨床5，转动砂轮3， 用薄片金属试调，使焦点落在跳动最高处；逐渐增大激光器功率，达到去除金 刚石阈值3X108 W/cm2，为使金刚石烧蚀变质层少，宜采用低脉冲频率，窄脉 宽；砂轮沿轴向进给，经过若干次往复修整后，沿最高点附近金刚石磨粒部分 被整颗剥离、部分被微量去除、部分因为结合剂去除而失去把持力；接着采用 单晶金刚石笔4或碳化硅滚轮整形；待失去把持力的部分金刚石磨粒脱落后， 用千分表测量砂轮圆跳动，如果达到要求则结束。再检测地形地貌是否可以，
如果需进一步去除结合剂，则调低功率密度到金刚石磨粒去除功率密度阈值以
下，树脂结合剂去除功率密度阈值以上(树脂结合剂去除功率密度阈值为1.8 X105W/cm2)，实行修锐，至达到要求。如果圆跳动未达到要求则重复激光整形
和修锐，机械法整形过程。
权利要求
1、一种激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方法，其特征是，该方法为，采用聚焦后功率密度达到去除金刚石功率密度阈值3×108W/cm2以上高功率密度脉冲激光，实施以下工艺步骤(1)针对树脂结合剂金刚石非成形砂轮，通过聚焦透镜将激光束聚焦，垂直砂轮磨削面照射；(2)旋转砂轮，通过千分表测量砂轮圆跳动，调整激光焦点位置，使焦点落在圆跳动最大处；(3)调整激光参数，使得砂轮圆跳动跳动最大处达到所述去除金刚石功率密度阈值，从而去除金刚石和树脂结合剂；(4)所述砂轮沿轴向往复进给，同时砂轮作回转运动，经过若干次烧蚀，直至其圆跳动最大处附近金刚石磨粒部分被整颗剥离、部分被微量去除、部分因为结合剂去除而失去把持力；(5)接着，使用具有明确刀尖的单晶金刚石笔或碳化硅滚轮对所述砂轮进行整形，去除失去把持力的磨粒和被激光烧蚀的磨粒变质层；(6)重复以上激光修整和机械法整形交替进行的复合过程，直至达到所需的圆跳动和地形地貌。
2、 根据权利要求1所述激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方 法，其特征是，所述激光的连续输出平均功率0—60W，重复频率0.5kHz — 10kHz，脉宽160 ns —500 ns。
3、根据权利要求1所述激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方 法，其特征是，砂轮转速为1一2 m/s。
4、根据权利要求1所述激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方 法，其特征是，所述激光的焦距为15mm-30mm，脉冲激光聚焦后的光斑直径 0.20, —0. 22咖。
全文摘要
一种激光与机械复合修整树脂结合剂金刚石砂轮的方法，包括采用高功率密度脉冲激光；通过聚焦透镜将激光束聚焦，垂直砂轮磨削面照射；旋转砂轮，测量砂轮圆跳动，调整激光焦点位置，使焦点落在圆跳动最大处；调整激光参数，使得砂轮圆跳动最大处达到所述阈值；所述砂轮沿轴向往复进给并回转，经过若干次修整，直至其圆跳动最大处附近金刚石磨粒部分被整颗剥离、部分被微量去除、部分因为结合剂去除而失去把持力；使用具有明确刀尖的单晶金刚石笔或碳化硅滚轮对所述砂轮进行整形，去除失去把持力的磨粒和被激光烧蚀的磨粒变质层；重复以上复合过程，直至达到所需的圆跳动和地形地貌。显著提高了砂轮修整效率、并使砂轮磨削面获得良好的形貌。
文档编号B24B53/04GK101190503SQ20061013678
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年11月30日
发明者陈根余 申请人:湖南大学