成形砂轮激光大切深修整装置及方法

1.本发明属于砂轮修整技术领域，具体地说，涉及成形砂轮激光大切深修整装置及方法。


背景技术：

2.砂轮的成形磨削工艺是近年来在航空航天、汽车工业、工程机械领域中应用日益广泛的复杂曲面零部件(如齿轮、涡轮叶片)的重要加工手段。对于成形磨削而言，砂轮磨损造成工件轮廓精度下降是限制其大规模推广应用的主要技术瓶颈。成形砂轮磨削的关键在于修整已是行业共识，由于成形砂轮截面廓形复杂、磨粒硬度极高、结合剂把持强度高，导致成形砂轮尤其是超硬磨料成形砂轮修整十分困难。针对成形砂轮修整方法主要有机械、电火花、电解加工、复合加工方法等，但上述方法普遍存在修整效率、精度、质量不高的问题，并且它们多用于修整简单截面廓形的成形砂轮。目前迫切需要一种集高修整效率、精度、质量为一体的成形砂轮修整装置及修整(包含整形和修锐)方法。
3.有鉴于此特提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供成形砂轮激光大切深修整装置及方法，解决背景技术中提到的机械、电火花、电解加工、复合加工方法等方法中普遍存在的修整效率低与修整质量差的问题。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：
6.成形砂轮激光大切深修整装置，包括桁架、工作平台、砂轮、电机、x向手动滑台、y向手动滑台、激光器、激光器振镜头、z向电动滑台、超景深显微镜、a向电动滑台、控制器、计算机、显示器，所述工作平台呈水平设置，并安装在桁架上，工作平台下方设有箱柜，所述工作平台由防辐射玻璃分割成左右两个操作空间，分别为左侧工作人员操作空间、右侧砂轮修整空间；
7.所述砂轮由电机通过主轴驱动，电机安装在x向手动滑台上，所述y向手动滑台滑动安装在砂轮修整空间的工作平台上，x向手动滑台与y向手动滑台滑动连接；所述激光器振镜头通过z向电动滑台安装在桁架上，且激光器振镜头位于砂轮的垂直上方，所述超景深显微镜通过a向电动滑台安装在桁架上，超景深显微镜设置在砂轮正上方；
8.所述显示器设置在工作人员操作空间的工作平台上，所述计算机设置在箱柜内，并与显示器电连接，所述控制器、激光器均设置在箱柜内，并均与计算机电连接，所述控制器与a向电动滑台、z向电动滑台电连接，所述激光器与激光器振镜头电连接。
9.进一步地，所述工作人员操作空间的上方设有铝型材盖板，铝型材盖板安装在桁架上。
10.进一步地，所述桁架为钢型材或铝型材，所述工作平台为铸铁制作而成。
11.成形砂轮激光大切深修整方法：
12.步骤1，设计激光整形轨迹；
13.步骤2，打开激光器，设置较小激光功率，脉冲频率和扫描速度等参数进行对刀；
14.步骤3，激光振镜头控制激光束沿与x轴平行、长度为l的轨迹线进行匀速扫描，同时摇动y向手动滑台手柄使砂轮表面沿y轴移动，直至监测到激光束与砂轮表面接触时所产生的声、光信号，此时激光束刚好与砂轮表面相切；
15.步骤4，控制激光束从c0点开始以恒定速度v沿轨迹线进行扫描；当激光束开始扫描时，将该时刻作为起始时刻t0；当激光束刚与砂轮表面上端点c1接触时，记录时刻t1；当激光束刚与砂轮表面下端点c2分离时，记录时刻t2；
16.步骤5，基于成形砂轮激光大切深整形原理，设置整形时的激光切削深度cd，通过摇动y向手动滑台手柄使砂轮表面沿y轴移动实现；
17.步骤6，根据成形砂轮廓形截面形状确定最大切深位置，移动z向电动滑台，并当激光束在该位置所产生的声、光信号强度最大时，确定该位置为焦点所在位置；；
18.步骤7，设置成形砂轮激光大切深整形工艺参数；
19.步骤8，成形砂轮激光大切深整形时，砂轮匀速转动，激光束以恒定速度v沿成形砂轮轨迹线往复扫描，并不断向下调节z向电动滑台使激光束沿z向间断式进给，整形后利用超景深显微镜观测砂轮表面形貌，在达到规定的成形砂轮表面轮廓精度后需继续整形5～10min，实现光整加工；
20.步骤9，基于成形砂轮激光大切深修锐原理，设置修锐时的激光切削深度c
p
，同时将z向电动滑台沿z轴向上调节一定距离；
21.步骤10，设置激光修锐工艺参数；
22.步骤11，采用成形砂轮激光大切深修锐方法修锐，均匀去除结合剂材料，使磨粒出刃高度可控。
23.进一步地，步骤4中，c0点到砂轮中心横截面的距离为：
24.δ＝v
×
(t1+t2)/2-vt025.式中，v为激光扫描速度。
26.进一步地，步骤5中，在成形砂轮激光整形后期，激光辐照光斑面积不断增大，导致有效功率密度不断降低。当有效功率密度低于磨粒激光去除能量阈值时，则无法去除磨粒。而采用成形砂轮激光大切深整形方法，切削深度大，激光有效功率密度大，砂轮材料去除效率高。
27.进一步地，步骤9中，成形砂轮激光大切深修锐时，扫描轨迹线上各点的有效功率密度ie可表示为：
28.ie＝iq×ae
29.式中，iq为激光辐照功率密度，ae为激光吸收率，
30.进一步地，iq可表示为：
[0031][0032]
式中，p'
avg
为激光修锐时的激光平均功率，f1为激光修锐时的脉冲重复频率，τ1为激光修锐时的脉冲宽度，sa为激光修锐时激光束在成形砂轮表面辐照区域面积。激光束能量呈高斯分布，per'为激光修锐时辐照于成形砂轮表面的激光功率与激光器发出功率的比
值。
[0033]
进一步地，对于圆弧形砂轮，在xoy平面内，轴截面廓形线方程可表示为：
[0034][0035]
式中，rc为圆弧形砂轮半径，b为砂轮宽度，r0为砂轮边缘半径，a为圆弧中心到x轴距离
[0036]
进一步地，将轴截面廓形线绕x轴旋转，获得圆弧形砂轮表面方程：
[0037][0038]
进一步地，基模高斯激光束方程：
[0039][0040]
式中，r0是焦点处激光束光斑半径(即激光束“束腰”半径)，x0,y0,z0是激光焦点处坐标值，r1是坐标为z处的激光束光斑半径，λ为波长。
[0041]
进一步地，综合推导可得激光束在圆弧形砂轮表面辐照区域面积sa为:
[0042][0043]
式中，d'
xy
为修锐时激光束辐照表面在xoy平面内的投影区域，rc为圆弧形砂轮半径，a为圆弧中心到x轴距离。
[0044]
进一步地，per'为激光修锐时辐照于成形砂轮表面的激光功率与激光器发出功率的比值，可表示为：
[0045][0046]
式中，r1是坐标为z处的激光束光斑半径，d'
xy
为激光修锐时激光束辐照表面在xoy平面内的投影区域
[0047]
进一步地，对于特定材料和激光器而言，激光吸收率ae与入射角γ有关，ae可表示为：
[0048][0049]
式中，i为折射率，k为消光系数。
[0050]
进一步地，圆弧形砂轮激光束入射角γ为激光束中心线与砂轮表面在激光入射点处外法线的夹角，可由下面公式推导获得：
[0051][0052][0053][0054][0055]
式中，p
x
,py,pz表示空间向量p在x轴，y轴，z轴投影，q
x
,qy,qz表示空间向量q在x轴，y轴，z轴投影。rc为圆弧形砂轮半径，a为圆弧中心到x轴距离。
[0056]
进一步地，基于成形砂轮激光大切深修锐原理，在不同切削深度下，沿激光扫描轨迹线逐点计算激光有效功率密度，优选合适的激光切削深度，使得激光束在成形砂轮轨迹线上各点处的有效功率密度ie接近，则能够保证结合剂材料的均匀去除。
[0057]
进一步地，步骤9中，z向电动滑台向上调节量zq可由下式求出：
[0058][0059][0060][0061]
式中，r0为圆弧砂轮边缘半径，c
p
为修锐时的激光切削深度，b为砂轮宽度，rc为圆弧形砂轮半径，a为圆弧中心到x轴距离。
[0062]
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：
[0063]
本发明成形砂轮激光大切深修整装置实现成形砂轮激光修整，相比于传统激光修整装置，能显著提高修整精度及修整质量。
[0064]
针对激光准切向法可整形但难修锐、激光径向法可修锐但难精密整形的弊端，建立了高斯激光束扫描砂轮表面的有效功率密度模型，在此基础上提出了成形砂轮激光大切深修整方法。采用该方法既可实现砂轮表面轮廓的高效精密整形，又能实现砂轮表面形貌的精确控制。大切深整形时，砂轮材料去除效率高、过程易于实现自动化；大切深修锐时，结合剂材料去除均匀性好、磨粒出刃高度可控性强。
[0065]
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
[0066]
附图作为本技术的一部分，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：
[0067]
图1为本发明-实施例中成形砂轮激光大切深修整装置装配示意图；
[0068]
图2为本发明-实施例中激光束对刀示意图；
[0069]
图3为本发明-实施例中修锐时激光束在圆弧形砂轮表面辐照区域示意图；
[0070]
图4为本发明-实施例中修锐时激光束入射角示意图；
[0071]
图5为本发明-实施例中圆弧形砂轮轴截面示意图；
[0072]
图6为本发明-实施例中z向电动滑台调节量示意图；
[0073]
图中：1-桁架、2-工作平台、3-箱柜、4-砂轮、5-电机、6-y向手动滑台、7-x向手动滑台、8-激光器振镜头、9-z向电动滑台、10-超景深显微镜、11-a向电动滑台、12-防辐射玻璃、13-显示器、14-铝型材盖板。
[0074]
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
[0075]
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。
[0076]
实施例一
[0077]
如图1-图6所示，本实施例所述成形砂轮激光大切深修整装置，包括桁架1、工作平台2、箱柜3、砂轮4、电机5、y向手动滑台6、x向手动滑台7、激光器、激光器振镜头8、z向电动滑台9、超景深显微镜10、a向电动滑台11、防辐射玻璃12、显示器13、铝型材盖板14。
[0078]
工作平台2呈水平设置，并安装在桁架1上，结合附图1示出，桁架1主要起到支撑骨架的作用；工作平台2呈水平，安装在桁架1上，工作平台2的下方为箱柜3，优选地，桁架1为钢型材或铝型材，工作平台2为铸铁制作而成，铸铁平整度高、承重能力强，能为砂轮修整提供稳定、平整的支撑。工作平台2由防辐射玻璃12分割成左右两个操作空间，分别为左侧工作人员操作空间、右侧砂轮4修整空间，分割成两个独立的空间，可降低激光辐射对左侧工作人员的影响。
[0079]
砂轮4由电机5通过主轴驱动，电机5安装在x向手动滑台7上，所述y向手动滑台6滑动安装在砂轮4修整空间的工作平台2上，y向手动滑台6与x向手动滑台7滑动连接。y向手动滑台6与x向手动滑台7可通过摇动手柄移动，实现电机5带着主轴及砂轮4在x/y向移动，砂轮4进行激光大切深整形时，可摇动手柄滑台将砂轮4移动至激光束与砂轮4外端面相切的位置。激光器振镜头8通过z向电动滑台9安装在桁架1上，且激光振镜头8位于砂轮4的垂直上方，z向电动滑台9则带动激光器振镜头8实现z方向的间断式进给。
[0080]
超景深显微镜10通过a向电动滑台11安装在桁架1上，超景深显微镜10设置在砂轮4正上方，可将a向电动滑台11通过可拆卸方式安装在桁架1上，如此可以方便调整其位置，
超景深显微镜10用于观测成形砂轮4形貌，结合附图1示意，可通过调整a向电动滑台11实现y向移动、调整桁架1上的紧固螺钉实现z向移动，并通过微调旋钮实现z向微调。需要说明的是，手动滑台、电动滑台均为现有技术，如采用齿轮啮合传动、用电机5带动等，无论采用何种方式，只要满足移动性即可，本发明仅是将滑台应用在移动上，因而这里对滑台结构不再赘述。
[0081]
显示器13设置在工作人员操作空间的工作平台2上，优选地，工作人员操作空间的上方设有铝型材盖板14，铝型材盖板14安装在桁架1上，如此可将工作人员操作空间半封闭，更好的保护人员。计算机设置在箱柜3内，并与显示器13电连接；所述控制器、激光器均设置在箱柜3内，并均与计算机电连接，控制器与a向电动滑台11、z向电动滑台9电连接，所述激光器与激光器振镜头8电连接。优选地，计算机、激光器设置在工作人员操作空间下方的箱柜3内，控制器设置在砂轮4修整空间下方的箱柜3内，进一步优选，在砂轮4下方的工作平台2上设有碎屑收集口，碎屑收集口与抽风机连通，抽风机设置在砂轮4修整空间下方的箱柜3内，在砂轮4修整过程中掉落的碎屑会被抽风机收走，方便统一处理，避免碎屑乱飞情况发生，也节省额外收拾碎屑的时间。
[0082]
利用上述装置实现激光修整圆弧形砂轮4方法，具体包括以下步骤：
[0083]
步骤1，设计激光整形轨迹；
[0084]
步骤2，打开激光器，设置激光功率2-3w，脉冲频率50khz和扫描速度0.5mm/s等参数进行对刀；
[0085]
步骤3，激光振镜头控制激光束沿与x轴平行、长度为l的轨迹线进行匀速扫描，同时摇动y向手动滑台手柄使砂轮4表面沿y轴移动，直至监测到激光束与砂轮4表面接触时所产生的声、光信号，此时激光束刚好与砂轮4表面相切，如附图2所示；
[0086]
步骤4，控制激光束从c0点开始以恒定速度v沿轨迹线进行扫描；当激光束开始扫描时，将该时刻作为起始时刻t0；当激光束刚与砂轮4表面上端点c1接触时，记录时刻t1；当激光束刚与砂轮4表面下端点c2分离时，记录时刻t2；由此确定c0点到砂轮4中心横截面的距离为：δ＝v
×
(t1+t2)/2-vt0[0087]
步骤5，基于成形砂轮4激光大切深整形原理，设置整形时的激光切削深度cd，通过摇动y向手动滑台手柄使砂轮4表面沿y轴移动实现；
[0088]
步骤6，根据成形砂轮4廓形截面形状确定最大切深位置，移动z向电动滑台，并当激光束在该位置所产生的声、光信号强度最大时，确定该位置为焦点所在位置；
[0089]
步骤7，设置成形砂轮4激光大切深整形工艺参数，激光功率为70w，频率为50khz，扫描速度为0.21mm/s；
[0090]
步骤8，成形砂轮4激光大切深整形时，砂轮4匀速转动，激光束以恒定速度v沿成形砂轮4轨迹线往复扫描，并不断向下调节z向电动滑台使激光束沿z向间断式进给，整形后利用超景深显微镜10观测砂轮4表面形貌，在达到规定的成形砂轮4表面轮廓精度后需继续整形5～10min，实现光整加工；
[0091]
步骤9，激光修锐时的有效功率密度ie可表示为：
[0092]
ie＝iq×ae
[0093]
式中，iq为激光辐照功率密度，ae为激光吸收率，iq可表示为：
[0094][0095]
式中，p'
avg
为激光修锐时的激光平均功率，f1为激光修锐时的脉冲重复频率，τ1为激光修锐时的脉冲宽度，sa为修锐时激光束在成形砂轮4表面辐照区域面积。激光束能量呈高斯分布，per'为激光修锐时辐照于成形砂轮4表面的激光功率与激光器发出功率的比值。
[0096]
对于圆弧形砂轮4，如附图3-4所示，在xoy平面内，轴截面廓形线方程可表示为：
[0097][0098]
式中，rc为圆弧形砂轮4半径，b为砂轮4宽度，r0为砂轮4边缘半径，a为圆弧中心到x轴距离
[0099]
将轴截面廓形线绕x轴旋转，获得圆弧形砂轮4表面方程：
[0100][0101]
基模高斯激光束方程：
[0102][0103]
式中，r0是焦点处激光束光斑半径(即激光束“束腰”半径)，x0,y0,z0是激光焦点处坐标值，r1是坐标为z处的激光束光斑半径，λ为波长。
[0104]
综合推导可得激光束在圆弧形砂轮4表面辐照区域面积sa为:
[0105][0106]
d'
xy
为修锐时激光束辐照表面在xoy平面内的投影区域。
[0107][0108]
式中，r1为激光束光斑半径，d'
xy
为修锐时激光束辐照表面在xoy平面内的投影区
域
[0109]
激光吸收率ae可表示为：
[0110][0111]
式中，i为折射率，k为消光系数。γ为激光入射角，为激光束中心线与砂轮4表面在激光入射点处外法线的夹角，如附图5所示。取成形砂轮4的上表面(xoy平面以上)，综合求得入射角γ：
[0112][0113][0114][0115][0116]
式中，p
x
,py,pz表示空间向量p在x轴，y轴，z轴投影，q
x
,qy,qz表示空间向量q在x轴，y轴，z轴投影。rc为圆弧形砂轮4半径，a为圆弧中心到x轴距离。
[0117]
步骤10，基于成形砂轮4激光大切深修锐原理，在不同切削深度下，沿激光扫描轨迹线逐点计算激光有效功率密度，优选合适的激光切削深度，使得激光束在成形砂轮4轨迹线上各点处的有效功率密度ie接近，则能够保证结合剂材料的均匀去除。
[0118]
步骤11，确定z向电动滑台调节量zq，如附图6所示；
[0119][0120][0121][0122]
式中，r0为圆弧砂轮4边缘半径，c
p
为修锐时的激光切削深度，b为砂轮4宽度，rc为圆弧形砂轮4半径，a为圆弧中心到x轴距离。
[0123]
步骤12，设置激光修锐工艺参数，功率为5w，扫描速度为0.21mm/s；
[0124]
步骤13，采用成形砂轮4激光大切深修锐方法进行激光修锐，均匀去除结合剂材料，使磨粒出刃高度可控，一般要求出刃高度为相应磨粒粒径的1/4至1/3。
[0125]
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。