一种在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削装置的制作方法

本实用新型涉及一种微细加工装置及方法，具体涉及一种在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削装置。

背景技术：

微磨削加工是对工件进行精加工的一种常用机械加工方法，能精确控制形状精度，但很难有效提升极限加工精度，磨削玻璃陶瓷等硬脆材料时易引起脆裂，加工不锈钢等金属材料时易在边缘产生毛刺，砂轮微尖端磨损后需要定期修锐。激光加工作为一种非接触物理加工方法，具有可控性强，加工灵活等优点，能通过高密度热能快速熔化去除材料，但过大能量会造成有害热影响区。因此将物理与机械加工结合为一体的激光辅助加工技术得到迅速发展。传统激光辅助加工采用激光束先预热材料，减小材料屈服强度，软化材料后再用车削、铣削、磨削等机械方法进行加工。Virginia García Navas 发现采用二极管泵浦连续激光辅助车削镍合金时车削力减小了， Jong Wook Ahn采用二极管激光辅助铣削碳钢时发现比切削能减小了60% 。 D.W. Kang发现采用激光多次预热陶瓷，然后再进行铣削，刀具磨削明显减小，但S. N. Melkote 发现在激光辅助铣削模具钢时，表面粗糙度比无激光辅助磨削增加了36%。M. Kumar 发现在激光辅助磨削陶瓷过程中磨削力比无激光辅助的磨削力减小了43.2%。然而现有研究尚未运用激光辅助加工去除孔、沟槽等微结构边缘的毛刺，目前去除毛刺的方法主要为钳工手工打磨去毛刺，磨料磨削去毛刺，但加工效率低，成本高、不能实现加工过程在线去毛刺，由于微磨削属于高精度微细加工，很难去除微磨削过程中产生的微细毛刺。此外，目前砂轮微尖端磨损后修锐的方法主要为磨石对磨或激光修锐，都是离线修锐砂轮，生产效率低，成本高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削装置。旨在在线实时修锐砂轮，去除微结构边缘毛刺，实现高质量、高精度微结构的加工。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

一种在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削装置，包括有控制器、加工有砂轮微尖端的金刚石砂轮、激光切割头、光纤、激光发生器，所述控制器控制激光发生器发射激光，所述光纤连接激光发生器与激光切割头，所述激光通过光纤由激光切割头聚焦输出，所述砂轮微尖端与工件相对运动，所述激光切割头发出的激光束与砂轮切削点切线方向成一定夹角θ并聚焦于砂轮微尖端的砂轮磨粒切削形成的毛刺上。

进一步地，所述激光为脉冲红外光纤激光，激光光斑呈高斯分布，激光光斑大小为10~200 μm。

进一步地，所述激光波长范围780～2526 nm，脉宽大于等于20 ns，能量密度范围为0.1～50 J/cm²，频率范围为1～100 kHz。

进一步地，所述金刚石砂轮为金属结合剂砂轮。

进一步地，所述激光束与砂轮切削点切线方向成1°~20°夹角入射在切削点，高斯激光光斑分布在砂轮磨粒切削形成的毛刺上，部分高斯激光光斑同时分布在砂轮切削点处的砂轮微尖端的结合剂上。

本实用新型的优点及积极效果是：与现有微磨削对比，本实用新型复合了同时去微结构边缘毛刺及修锐砂轮的作用，充分利用了激光高斯分布的特性，将激光热源聚焦于砂轮磨粒切削形成的毛刺上，激光热源与磨削剪切热源耦合，使毛刺温度大于材料熔点，基材温度小于材料熔点，可以在线熔化去除毛刺，而保证周围基材不会被破坏。加工过程中同时分布在砂轮切削点微尖端上的高斯激光光斑能量能在线修锐砂轮。激光入射方向与砂轮切削点切线方向夹角θ可以灵活调节，此方法适用于多种材料多种形状微结构的微磨削加工。本实用新型在微磨削过程中同时实现了在线去毛刺及修锐砂轮的功能，是一种设计巧妙，性能优良，方便实用，加工成本低的激光辅助加工方法。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削装置示意图。

图2是本实用新型实施例2的在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削方法的原理图。

图3是本实用新型实施例2的在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削方法的温度分布示意图。

图4是无激光辅助微磨削时的工件加工面扫描电镜图。

图5是有激光辅助微磨削时的工件加工面扫面电镜图。

在图中：1、控制器；2、金刚石砂轮尖端；3、金刚石砂轮；4、激光束；5、毛刺；6、工件；7、微沟槽；8、激光切割头；9、光纤；10、激光发生器；11-结合剂；12-金刚石微磨粒；13-激光热源；14-磨削切削热源。

具体实施方式

为了更好理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，但是本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1

如图1所示，一种在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削装置，包括有控制器1、加工有砂轮微尖端2的金刚石砂轮3、激光切割头8、光纤9、激光发生器10，所述控制器1控制激光发生器10发射激光，所述光纤9连接激光发生器10与激光切割头8，所述激光通过光纤9由激光切割头8聚焦输出，所述砂轮微尖端2与工件6相对运动，所述激光切割头8发出的激光束4与砂轮切削点切线方向成一定夹角θ并聚焦于砂轮微尖端2的砂轮磨粒切削形成的毛刺5上。所述控制器1控制激光发生器10输出激光，主要控制激光的输出功率、激光脉冲重复频率等激光参数。激光经光纤9传输到激光切割头8，激光切割头8内有聚焦透镜，可以控制激光的焦距。在Y、Z平面旋转激光头8可以控制激光入射方向。本实施例的所述金刚石砂轮为金属结合剂砂轮，砂轮微尖端2为120°V形微尖端。

具体而言，所述激光为脉冲红外光纤激光，激光光斑呈高斯分布，激光光斑大小为10~200 μm。所述激光波长范围780～2526 nm，脉宽大于等于20 ns，能量密度范围为0.1～50 J/cm²，频率范围为1～100 kHz。

具体而言，所述激光束4与砂轮切削点切线方向成1°~20°夹角入射在切削点，高斯激光光斑分布在砂轮磨粒切削形成的毛刺5上，即激光切割头8射出的激光束4聚焦于切削点，激光光斑中心位于砂轮磨粒切削形成的毛刺5上，同时，部分高斯激光光斑分布在砂轮微尖端2的砂轮切削点处结合剂11上，此时激光热源13耦合磨削切削热源14作用于激光光斑中心处的毛刺(见图2)。

脉冲激光作用时，毛刺5表面温度升高，脉冲激光结束后毛刺温度下降，当毛刺最大温度高于材料熔点，而基材温度低于材料熔点时，毛刺5可以被去除而加工表面不会被破坏(如图3所示)，由于激光光斑中心作用在毛刺5上，所以较容易控制。分布于砂轮微尖端2的部分激光能量则软化结合剂，使得金刚石微磨粒12出刃。激光束4与砂轮切削点切线方向成一定夹角θ，目的在于寻找最佳入射角度修锐砂轮微尖端2。

实施例2

一种在线去毛刺和砂轮修锐激光辅助微细磨削方法，包括以下步骤：

1)采用磨石将金刚石砂轮3修锐出120°V形砂轮微尖端2；

2）控制器1控制激光发生器10发射激光，所述光纤9连接激光发生器10与激光切割头8，所述激光通过光纤9由激光切割头8聚焦输出，激光切割头8出射点与切削点距离为焦距；本实施例中，激光为脉冲红外光纤激光，激光束呈高斯分布，设置激光光斑大小为100 μm，焦距为20 mm，波长为1064 nm，脉宽为100 ns，能量密度为0.6 J/cm²，频率20 kHz；

3)将激光束4与砂轮切削点切线方向成5°夹角入射，聚焦在砂轮磨粒切削形成的毛刺5上，部分高斯激光同时分布在砂轮切削点处的砂轮微尖端2的结合剂11上；

4) 激光切割头8与金刚石砂轮3位置相对静止，金刚石砂轮3位于工件6上表面，工件6为模具钢、不锈钢等难加工材料；金刚石砂轮3转速1600 rpm，进给速度为60 mm/min，进给深度为4 μm，工件6相对激光及砂轮在X，Z平面运动，微磨削出微沟槽7；

5）微结构边缘的毛刺在脉冲激光的作用下被在线熔化去除；砂轮结合剂被软化，微磨粒出刃，微尖端被在线修锐。

所述激光能量密度根据加工材料的种类进行调节，使得激光作用在毛刺处温度大于材料熔点而毛刺周围基材温度低于材料熔点。

本实例中，砂轮微尖端2在不锈钢表面加工出深20 μm、宽110μm的V形微沟槽7，加工效果如图4所示，而图5为无激光辅助微磨削时的工件加工面示意图，经过比较可以看出，有激光入射时微沟槽边缘毛刺5在脉冲激光的作用下被在线熔化去除，而无激光入射时毛刺5则未被去除，最终加工出高精度、无边缘毛刺的微结构。

综上所述，本实用新型采用脉冲红外光纤激光辅助微磨削，加工过程中采用合适的激光能量与磨削剪切热能耦合，控制毛刺温度高于材料熔点而附近基材温度低于材料熔点，则可以在线熔化去除微结构边缘毛刺且不破坏基材，适合于多种材料多种微结构的加工；合适梯度的热能软化结合剂使得微磨粒出刃，达到在线修锐砂轮的目的，调节好激光功率、重复频率、微磨削进给深度，进给速度，砂轮转速等参数，则可以获得无毛刺高质量微结构，加工效率高，加工成本低。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。