一种激光热辅助硬脆材料高效磨削实验台的制作方法

本实用新型涉及磨削领域，特别是一种激光热辅助硬脆材料高效磨削实验台。

背景技术：

工程陶瓷、光学玻璃等硬脆性材料具有高硬度、高强度等良好的力学性能和物理特性，在国防、机械、电子等领域的应用日趋广泛。但由于其高的硬度和脆性，加工表面容易产生裂纹等缺陷，传统加工方法，如抛光，生产效率低，人为影响因素大，不易精确控制，难以实现生产过程的自动化，并且抛光液对表面造成污染，影响其表面层的物理性能，并且目前零件趋于微型化，硬脆性材料的难加工性限制了其推广应用。磨削作为硬脆性材料加工的主要加工技术之一，与铣削等其他加工方式相比，具有加工材料广泛、加工表面质量好等优点。

相对塑性材料，硬脆性材性料特性导致其磨削力大、加工表面裂纹不易控制，其加工机理分析较为复杂。研究发现脆性材料在一定条件下，会出现类似塑性材料的去除形式，被称为脆性材料的塑性域加工。King等在1954年加工岩盐的时候最早发现塑性域加工，在高的液体静压力作用下，岩盐在摩擦磨损时表现出塑性去除方式。传统的加工方法容易产生微裂纹和亚表面损伤层，然而，塑性域加工和脆性材料去除加工不同，塑性域加工是切屑以塑性变形的方式从材料表面去除，加工表面无裂纹产生。因此，对于脆性材料表面质量要求高的应用场合，塑性域加工越来越受到重视。

有研究表明实现硬脆性材料塑性域磨削的条件为磨削深度小于材料的临界磨削深度D_c，材料的临界磨削深度满足：

D_c＝0.15E·K_c²/H³

式中

H：材料的显微硬度(MPa)；

E：材料的弹性模量(MPa)；

K_c：材料的断裂韧性(MPa·m^1/2)；

通过激光辅助加热材料降低材料的硬度，进而可提高材料的临界磨削深度，可明显的提升材料的加工精度提高加工效率。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种用于实验的激光热辅助硬脆材料高效磨削实验台。本实用新型采用的技术手段如下：

一种激光热辅助硬脆材料高效磨削实验台，其特征在于，包括基体，砂轮支撑装置，卡具支撑装置和激光加热装置；

所述砂轮支撑装置包括电机和驱动所述电机沿竖直方向运动的竖直进给装置，所述电机的输出端通过联轴器Ⅰ与一水平轴连接，所述水平轴上套接有砂轮，所述水平轴的另一端通过轴座与固定在所述基体上的竖直杆连接(避免所述水平轴的轴端颤振影响磨削的质量)，所述轴座可沿所述竖直杆的轴向滑动，所述竖直进给装置与所述基体固定连接；

所述卡具支撑装置包括固定长方体工件且使其上端长棱边位于所述砂轮旋转平面内的卡具和与所述基体固定连接的横向进给装置，所述横向进给装置驱动所述卡具沿垂直于所述水平轴的轴线所在竖直面方向运动；

所述激光加热装置包括丝杆座，下端与所述丝杆座连接的竖直丝杆和水平伸缩杆，所述水平伸缩杆通过丝杆螺母与所述竖直丝杆上部螺纹段连接，所述水平伸缩杆上设有连接激光头的激光头座。

所述竖直进给装置包括手轮，竖滚珠丝杠，两个竖滑杆，竖滑台和竖丝杠座，所述竖丝杠座包括竖直板和位于所述竖直板上的上水平立板和下水平立板，所述竖滑台位于所述上水平立板和所述下水平立板之间，所述竖滑杆的一端与所述上水平立板固定连接，另一端穿过所述竖滑台与所述下水平立板固定连接，所述竖滑台与所述竖滑杆滑动连接，所述竖滚珠丝杠的一端穿过所述上水平立板、所述竖滑台与所述下水平立板连接，另一端与所述手轮连接，所述竖滑台与所述竖滚珠丝杠螺纹连接，所述下水平立板与所述基体固定连接。

所述竖直杆通过竖直杆座与所述基体连接，所述轴座上设有用于将所述轴座与所述竖直杆固定的锁紧螺栓。

所述卡具包括与所述横向进给装置连接的卡具底板，所述卡具底板上设有左卡块和右卡块，所述左卡块和所述右卡块均具有45°斜面，所述左卡块和所述右卡块的斜面相对设置，位于所述左卡块和所述右卡块之间的所述卡具底板上设有三角形凹槽，所述三角形凹槽的左侧槽壁与所述左卡块的斜面位于同一平面内，所述三角形凹槽的右侧槽壁与所述右卡块的斜面位于同一平面内，所述左卡块或所述右卡块上设有将长方体工件压在所述三角形凹槽上的楔块，所述楔块的下端具有45°斜面。

所述横向进给装置包括伺服电机，联轴器Ⅱ，横滚珠丝杠，两个横滑杆，横滑台和横丝杠座，所述横丝杠座包括横直板和位于所述横直板上的前竖立板和后竖立板，所述横滑台位于所述前竖立板和所述后竖立板之间，所述横滑杆的一端与所述前竖立板固定连接，另一端穿过所述横滑台与所述后竖立板固定连接，所述横滑台与所述横滑杆滑动连接，所述横滚珠丝杠的一端穿过所述前竖立板、所述横滑台与所述后竖立板连接，另一端通过所述联轴器Ⅱ与所述伺服电机的输出端连接，所述横滑台与所述横滚珠丝杠螺纹连接，所述横直板与所述基体固定连接，所述横滑台的上端与所述卡具底板固定连接。

所述丝杆座包括固定连接的丝杆座上板和丝杆座下板和阶梯滑道；

所述阶梯滑道包括位于所述丝杆座上板的下表面的阶梯滑槽Ⅰ和与所述阶梯滑槽Ⅰ相匹配且位于所述丝杆座下板的上表面的阶梯滑槽Ⅱ；

所述丝杆座上板上设有阶梯通孔，所述阶梯通孔包括由上至下依次连通的大孔和小孔，所述阶梯滑槽Ⅰ沿所述小孔的径向向外延伸，所述阶梯滑槽Ⅰ的小端与所述小孔连通；

所述丝杆座下板的上表面设有与所述小孔相匹配的圆形凹槽，所述阶梯滑槽Ⅱ沿所述圆形凹槽的径向向外延伸，所述阶梯滑槽Ⅱ的小端与所述圆形凹槽连通；

所述阶梯滑道内设有丝杠限位顶杆，所述丝杠限位顶杆的位于所述阶梯滑道的大段中的杆段上设有限位部，所述阶梯滑道的大端设有与所述丝杆座上板和所述丝杆座下板连接的小挡板，所述小挡板与所述限位部之间设有套接在所述丝杠限位顶杆上的顶杆弹簧，所述丝杠限位顶杆的位于所述阶梯滑道的大段中的杆段穿过所述小挡板与一扳手连接，所述丝杠限位顶杆的另一端具有延伸至所述小孔和所述圆形凹槽所围空间内的齿条；

所述竖直丝杆的下端依次设有阶梯轴和齿轮，所述阶梯轴的轴肩通过止推轴承与所述大孔连接，所述齿轮位于所述小孔和所述圆形凹槽所围空间内且与所述齿条啮合；

所述水平伸缩杆包括与所述丝杆螺母连接的套筒，所述套筒内设有可相对所述套筒滑动的滑杆，所述激光头座通过耳板与所述滑杆连接且可绕所述滑杆轴线旋转。

将所述长方体工件倾斜，其下端长棱边放在所述三角形凹槽上通过所述楔块将其固定牢固，通过所述横向进给装置将所述长方体工件的上端长棱边调整至所述砂轮下方，所述横滚珠丝杠通过锁紧螺栓固定位置；

调整所述砂轮的高度，使其处于满足磨削深度的位置，所述竖滚珠丝杠和所述轴座分别通过锁紧螺栓固定位置；

所述激光头上下位置的调整：首先需要拉起所述丝杠限位顶杆，使所述齿条与所述齿轮分离，转动所述竖直丝杆调整所述丝杆螺母位置，待所述激光头到达预定高度时，让所述丝杠限位顶杆复位，使所述齿条与所述齿轮啮合，限制所述竖直丝杆的转动；

通过所述水平伸缩杆调整激光头的入射点与所述长方体工件的上端长棱边在同一竖直平面内，之后通过所述激光头座相对所述滑杆轴线旋转调整激光头使得激光光线处于合适的位置。

本实用新型具有以下优点：

1、将激光热辅助运用于磨削：现有磨削硬脆材料时磨削质量不易保证，磨削效率低，本实用新型将激光热辅助运用于磨削以提高磨削效率与磨削质量；

2、用于验证激光辅助磨削实验：得到磨削长方体工件的长棱线易于加热，受热均匀，能提高磨削质量的结论，本实用新型只需加热工件的棱线，使得工件的被加工部分受热充分、均匀，易于保证实验的精度；

3、本实用新型采用电机联轴器直接驱动砂轮，带动砂轮磨削工件，减少了传动环节的传动误差与传动累积误差，提高电机功率的利用率，更重要的是便于保证砂轮转速，保证砂轮的转速也便于控制磨削的精度；

4、采用了龙门式机构支撑水平轴(砂轮轴)，可以保证水平轴的刚度、有效减少轴端的颤振，进而可以相应地提高磨削的精度；

5、由于被磨削工件为长方体，因此，设计了特定的卡具，左卡块和右卡块的45°斜面和楔块下端的45°斜面，组成了两个90°直角，使得被磨削工件具有足够的稳定性，可以实现被加工工件长棱线的激光热辅助磨削。

基于上述理由本实用新型可在磨削等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的具体实施方式中一种激光热辅助硬脆材料高效磨削实验台的结构示意图。

图2是本实用新型的具体实施方式中卡具的空间结构示意图。

图3是本实用新型的具体实施方式中卡具主视图。

图4是本实用新型的具体实施方式中激光加热装置的空间结构示意图。

图5是本实用新型具体实施方式中丝杆座剖视图。

图6是本实用新型具体实施方式中竖直丝杆的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图6所示，一种激光热辅助硬脆材料高效磨削实验台，包括基体1，砂轮支撑装置，卡具支撑装置和激光加热装置；

所述砂轮支撑装置包括电机2和驱动所述电机2沿竖直方向运动的竖直进给装置，所述电机2的输出端通过联轴器Ⅰ3与一水平轴4连接，所述水平轴4上套接有砂轮5，所述水平轴4的另一端通过轴座6与固定在所述基体1上的竖直杆7连接，所述轴座6可沿所述竖直杆7的轴向滑动，所述竖直进给装置与所述基体1固定连接；

所述卡具支撑装置包括固定长方体工件25且使其上端长棱边位于所述砂轮5旋转平面内的卡具和与所述基体1固定连接的横向进给装置，所述横向进给装置驱动所述卡具沿垂直于所述水平轴4的轴线所在竖直面方向运动；

所述激光加热装置包括丝杆座8，下端与所述丝杆座8连接的竖直丝杆9和水平伸缩杆10，所述水平伸缩杆10通过丝杆螺母11与所述竖直丝杆9上部螺纹段连接，所述水平伸缩杆10上设有连接激光头12的激光头座13。

所述竖直进给装置包括手轮14，竖滚珠丝杠15，两个竖滑杆16，竖滑台17和竖丝杠座，所述竖丝杠座包括竖直板18和位于所述竖直板18上的上水平立板19和下水平立板20，所述竖滑台17位于所述上水平立板19和所述下水平立板20之间，所述竖滑杆16的一端与所述上水平立板19固定连接，另一端穿过所述竖滑台17与所述下水平立板20固定连接，所述竖滑台17与所述竖滑杆16滑动连接，所述竖滚珠丝杠15的一端穿过所述上水平立板19、所述竖滑台17与所述下水平立板20连接，另一端与所述手轮14连接，所述竖滑台17与所述竖滚珠丝杠15螺纹连接，所述下水平立板20与所述基体1固定连接。

所述竖直杆7通过竖直杆座53与所述基体1连接，所述轴座6上设有用于将所述轴座6与所述竖直杆7固定的锁紧螺栓。

所述卡具包括与所述横向进给装置连接的卡具底板21，所述卡具底板21上设有左卡块22和右卡块23，所述左卡块22和所述右卡块23均具有45°斜面，所述左卡块22和所述右卡块23的斜面相对设置，位于所述左卡块22和所述右卡块23之间的所述卡具底板21上设有三角形凹槽24，所述三角形凹槽24的左侧槽壁与所述左卡块22的斜面位于同一平面内，所述三角形凹槽24的右侧槽壁与所述右卡块23的斜面位于同一平面内，所述右卡块23上设有将长方体工件25压在所述三角形凹槽24上的楔块26，所述楔块26的下端具有45°斜面。

将所述长方体工件25倾斜，其下端长棱边放在所述三角形凹槽24上，所述长方体工件25的底面与所述左卡块22的斜面和所述三角形凹槽24的左侧槽壁贴合，所述长方体工件25的下端侧面与所述右卡块23的斜面和所述三角形凹槽24的右侧槽壁贴合，所述楔块26的下端斜面与所述长方体工件25的顶面贴合，将所述长方体工件25固定牢固。

所述横向进给装置包括伺服电机27，联轴器Ⅱ28，横滚珠丝杠29，两个横滑杆30，横滑台31和横丝杠座，所述横丝杠座包括横直板32和位于所述横直板32上的前竖立板33和后竖立板34，所述横滑台31位于所述前竖立板33和所述后竖立板34之间，所述横滑杆30的一端与所述前竖立板33固定连接，另一端穿过所述横滑台31与所述后竖立板34固定连接，所述横滑台31与所述横滑杆30滑动连接，所述横滚珠丝杠29的一端穿过所述前竖立板33、所述横滑台31与所述后竖立板34连接，另一端通过所述联轴器Ⅱ28与所述伺服电机27的输出端连接，所述横滑台31与所述横滚珠丝杠29螺纹连接，所述横直板32与所述基体1固定连接，所述横滑台31的上端与所述卡具底板21固定连接。

所述丝杆座8包括固定连接的丝杆座上板35和丝杆座下板36和阶梯滑道；

所述阶梯滑道包括位于所述丝杆座上板35的下表面的阶梯滑槽Ⅰ和与所述阶梯滑槽Ⅰ相匹配且位于所述丝杆座下板36的上表面的阶梯滑槽Ⅱ37；

所述丝杆座上板35上设有阶梯通孔38，所述阶梯通孔38包括由上至下依次连通的大孔和小孔，所述阶梯滑槽Ⅰ沿所述小孔的径向向外延伸，所述阶梯滑槽Ⅰ的小端与所述小孔连通；

所述丝杆座下板36的上表面设有与所述小孔相匹配的圆形凹槽39，所述阶梯滑槽Ⅱ37沿所述圆形凹槽39的径向向外延伸，所述阶梯滑槽Ⅱ37的小端与所述圆形凹槽39连通；

所述阶梯滑道内设有丝杠限位顶杆40，所述丝杠限位顶杆40的位于所述阶梯滑道的大段中的杆段上设有限位部41，所述阶梯滑道的大端设有与所述丝杆座上板35和所述丝杆座下板36连接的小挡板42，所述小挡板42与所述限位部41之间设有套接在所述丝杠限位顶杆40上的顶杆弹簧43，所述丝杠限位顶杆40的位于所述阶梯滑道的大段中的杆段穿过所述小挡板42与一扳手44连接，所述丝杠限位顶杆40的另一端具有延伸至所述小孔和所述圆形凹槽39所围空间内的齿条45；

所述竖直丝杆9的下端依次设有阶梯轴46和齿轮47，所述阶梯轴46的轴肩48通过止推轴承49与所述大孔连接，所述齿轮47位于所述小孔和所述圆形凹槽39所围空间内且与所述齿条45啮合；

所述水平伸缩杆10包括与所述丝杆螺母11连接的套筒50，所述套筒50内设有可相对所述套筒50滑动的滑杆51，所述激光头座13通过耳板52与所述滑杆51连接且可绕所述滑杆51轴线旋转。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。