（机械工程专业论文）青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究.pdf

p u l s e dl a s e r a b l a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o na n dd r e s s i n g e x p e r i m e n t a ls t u d yf o rb r o n z e b o n d e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l y u c h u n r o n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e n g e n y u m a y , 2 0 1 1 肼4舢5删56 091_舢y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 瓷。蚰、 日期：一，7 年厂月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密0 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密0 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：护，f 年厂月功日 日期：尸7 f 年n 洳日 青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 摘要 超硬磨料砂轮具有良好的磨削性能，在精密超精密磨削和难加工材料磨削等 领域有着广泛应用。但是，超硬磨料砂轮的修整很困难，这在一定程度上影响了 超硬磨料砂轮磨肖! 性能的充分发挥。激光修整超硬磨料砂轮是一种很具前景的修 整方法，其机理是基于激光与物质的相互作用热效应，通过激光辐照砂轮表 面，使材料发生质量迁移。本文以青铜金刚石砂轮为试验对象，以脉冲激光为修 整工具，对激光修整青铜金刚石砂轮进行研究。 首先，自行研制了一台声光调qn d ：y a g 激光器，并对激光器的性能进行了 测试。结果显示，该激光器的最大平均功率可达2 0 0 w ，脉冲宽度约为 15 0 n s - 10 0 0 n s 。 其次，在合理的假设下，建立了单脉冲激光烧蚀青铜和金刚石温度场的有限 元模型，模拟了不同激光功率密度作用下青铜和金刚石的温度分布。借助温度场 云图得到了可供修整试验参考的激光参数：适用于修锐的脉冲激光功率密度范围 为1 6 6 x1o7 7 5 10 7 w c m 2 ；适用于整形的脉冲激光功率密度范围为 9 9 5 x 1 0 7 3 5 2 x 1 0 3w c m 2 。在模拟结果的基础上，进一步分析了脉冲激光修整青 铜金刚石砂轮的机理为：在空气介质中和合适的激光功率密度下，青铜结合剂被 气化去除，金刚石被氧化燃烧去除。 随后，选择了合适的激光参数，用脉冲激光对青铜金刚石砂轮进行修整试验。 经过8 9 小时修整，将砂轮的表面圆跳动误差从4 5 0 1 x m 左右降至约2 0 1 a m ，基本 消除了偏心现象。另外，重点分析了激光修整试验过程中青铜金刚石砂轮的表面 质量变化，试验结果表明，激光修整可获得良好的砂轮表面形貌。 最后，以y t 5 硬质合金作为试件，使用经激光修整的青铜金刚石砂轮磨削试 件表面，测量磨削过程中产生的磨削力，分析了砂轮的磨削性能和磨损特性。同 时，用机械法修整的青铜金刚石砂轮做对比试验。试验结果表明，经激光修整的 青铜金刚石砂轮磨削性能相对较好，且更不容易钝化。 关键词：青铜金刚石砂轮；脉冲激光；激光烧蚀；激光修整；温度场；磨削性 能；磨损特性 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t he x c e l l e n tg r i n d i n gp e r f o r m a n c e ，t h es u p e r - a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l sa r e w i d e l ya p p l i e d i nt h ef i e l d so fp r e c i s i o ng r i n d i n g ，u l t r a - p r e c i s i o ng r i n d i n ga n d d i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a lg r i n d i n g h o w e v e r ，t h et r u i n ga n dd r e s s i n g p r o c e s so f s u p e r - a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e li sv e r yd i f f i c u l t ，w h i c hr e a l l ya f f e c t st h ef u l le x e r t i o n o ft h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c eo fs u p e r - a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e lt oac e r t a i ne x t e n t a sa p r o s p e c t i v em e t h o d ，l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n go fs u p e r - a b r a s i v eg r i n d i n gi sb a s e do n i n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n dm a t t e r - t h e r m a le f f e c t ，w h i c hc a nb r i n gm a s st r a n s f e ro f m a t e r i a lw h e nl a s e ri r r a d i a t i n gt h eg r i n d i n gw h e e ls u r f a c e l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n g b r o n z e b o n dd i a m o n dw h e e li ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，o n eu s eb r o n z e b o n dd i a m o n d w h e e lf o rt e s to b je c ta n dp u l s e dl a s e ra sd r e s s i n gt 0 0 1 f i r s t l y ，a na c o u s t i c o p t i cq s w i t c h e dn d ：y a gl a s e rh a sb e e ns e l fd e v e l o p e d ，a n d p e r f o r m a n c eo ft h el a s e rh a sb e e nt e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ma v e r a g e p o w e r c a nr e a c h2 0 0 w , a n dt h er a n g eo fp u l s ed u r a t i o nw a sa b o u t15 0 n s lo o o n s s e c o n d l y ，b a s e do nt h er e a s o n a b l eh y p o t h e s i s ，s i m u l a t i o nm o d e l so fs i n g l e p u l s e dl a s e ra b l a t i n gb r o n z ea n dd i a m o n dt e m p e r a t u r ef i e l da r ee s t a b l i s h e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，w h i c hs h o wt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fb r o n z ea n dd i a m o n d u n d e rd i f f e r e n tl a s e rp o w e rd e n s i t y r e a s o n a b l el a s e rp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e df r o m t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc o n t o u r s ：t h ep u l s e dl a s e rp o w e rd e n s i t yr a n g i n gf r o m 1 6 6 x10 7 - 7 5 10 7w c m 2i ss u i t a b l ef o r d r e s s i n g ；t h e v a l u e r a n g i n g f r o m 9 9 5x10 7 - 3 5 2x10 9w c m 2i ss u i t a b l ef o rt r u i n g b yv i r t u eo fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e m e c h a n i s mo fp u l s e dl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gb r o n z e b o n da n dd i a m o n dg r i n d i n g w h e e li sf u r t h e ra n a l y z e d ，w h i c hc a nb ee x p l a i n e da sf o l l o w ：w i t ha p p r o p r i a t el a s e r p o w e rd e n s i t yi nt h ea i rm e d i u m ，t h eb r o z e n b o n di sg a s i f i c a t e d ，a n dt h ed i a m o n di s o x i d i z e da n db u r n t s u b s e q u e n t l y ，e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e du s i n gp u l s e dl a s e rt ot r u ea n dd r e s sa b r o n z e b o n dd i a m o n dw h e e lw i t hs u i t a b l el a s e rp a r a m e t e r s a f t e rt r u i n ga n dd r e s s i n g f o r8 - 9h o u r s ，t h ec i r c u l a rr u n o u te r r o ro ft h eg r i n d i n gw h e e ls u r f a c ed e c r e a s e sf r o m 4 5 0 p mt o2 0 l a i n ，a n de c c e n t r i c i t yi sa l m o s te l i m i n a t e d i na d d i t i o n ，s u r f a c eq u a l i t y v a r i a t i o no ft h eb r o n z e - b o n dd i a m o n dw h e e ld u r i n gt h el a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n g p r o c e s si se m p h a t i c a l l ya n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，g o o ds u r f a c eq u a li t yc a nb e o b t a i n e db yl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n g 青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 f i n a l l y , t h eb r o z e d - b o n dd i a m o n dw h e e ld r e s s e db yp u l s e dl a s e ri sp u tt og r i n d t h es p e c i m e n ，w h i c hi sm a d eo fy t 5c e m e n t e dc a r b i d e g r i n d i n gf o r c e sp r o d u c e di n t h eg r i n d i n gp r o c e s sa r em e a s u r e d ；m o r e o v e r ，t h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c ea n da b r a s i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h e e x p e r i m e n t a l w h e e la r e a n a l y z e d m e a n w h i l e ，c o n t r a s t e x p e r i m e n t su s i n gab r o z e n - b o n dd i a m o n dw h e e jd r e s s e db ym e c h a n i c a lm e t h o da r e c a r r i e do u t i ti ss h o w nf r o mt h ec o n t r a s te x p e r i m e n t st h a t ，t h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c e o ft h eb r o z e n - b o n dd i a m o n dd r e s s e db yl a s e ri sr e l a t i v e l ys u p e r i o r ，a n dn o te a s yt o p a s s i v a t e k e yw o r d s ：b r o n z e b o n dd i a m o n dw h e e l ；p u l s e dl a s e r ；l a s e ra b l a t i o n ；l a s e rt r u i n g a n dd r e s s i n g ；t e m p e r a t u r e f i e l d ；g r i n d i n gp e r f o r m a n c e ；a b r a s i o n c h a r a c t e r i s t i c i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要l l a b s t r a c t i i i 插图索引”v i i i 附表索引x 第l 章绪论l 1 1 激光修整超硬磨料砂轮概述一l 1 1 1 超硬磨料砂轮及其修整方法l 1 1 2 激光修整超硬磨料砂轮”3 1 2 激光修整超硬磨料砂轮研究现状4 1 3 激光修整超硬磨料砂轮温度场模拟6 1 4 超硬磨料砂轮表面质量分析“7 1 5 激光修整青铜金刚石砂轮磨削性能研究”7 1 6 本文研究内容及目标一8 第2 章激光修整青铜金刚石砂轮试验系统1 0 2 1 声光调qn d ：y a g 激光器1 0 2 1 1 工作物质及泵浦源1 0 2 1 2 光学谐振腔的设计l l 2 1 3 声光调qn d ：y a g 激光器参数的测试1 3 2 1 3 1 光束质量l3 2 1 3 2 激光平均功率一1 3 2 1 3 3 声光调q 激光脉冲宽度一1 5 2 2 测控系统一l7 2 2 1 测控系统的构成1 7 2 2 2 测控系统的工作原理1 7 2 2 3 测控系统的工作流程1 8 2 3 试验平台l9 2 4 本章小结19 第3 章脉冲激光修整青铜金刚石砂轮温度场模拟及机理分析2 0 3 1 单脉冲烧蚀青铜和金刚石的传热学模型2 0 3 1 1 传热学控制方程2 l v 青铜会刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 3 1 2 边界条件及初始条件2 1 3 1 3 有限元几何模型2 2 3 1 4 脉冲激光功率密度阈值数值模拟计算2 3 3 2 单脉冲激光烧蚀青铜和金刚石温度场仿真结果2 4 3 2 1 单脉冲激光烧蚀青铜温度场2 4 3 2 2 单脉冲激光烧蚀金刚石磨粒温度场2 5 3 3 激光修整青铜金刚石砂轮机理分析“2 7 3 4 本章小结2 9 第4 章激光修整青铜金刚石砂轮试验及砂轮表面质量分析3 0 4 1 试验对象“3 0 4 2 试验方案一3 1 4 2 1 试验原理3l 4 2 2 试验步骤3 2 4 3 激光修整青铜金刚石砂轮试验3 3 4 4 青铜金刚石砂轮表面质量分析3 4 4 4 1 最小二乘圆法评定圆度误差原理3 4 4 4 2 激光修整青铜金刚石砂轮表面质量分析3 6 4 4 3 机械法修整青铜金刚石砂轮表面质量_ 3 8 4 5 本章小结4 0 第5 章青铜金刚石砂轮磨削性能测试及磨损特性分析4 l 5 1 磨削力及测量原理4l 5 1 1 磨削力的意义4l 5 1 2 磨削力的测试原理及测试装黄4 2 5 1 3 试件材料4 3 5 2 青铜金刚石砂轮磨削硬质合金磨削力测试试验4 3 5 2 1 试验方案4 3 5 2 2 激光修整青铜金刚石砂轮磨削力测试结果4 4 5 2 3 机械法修整青铜金刚石砂轮磨削力测试结果4 6 5 3 青铜金刚石砂轮磨损特性分析”4 8 5 3 1 超硬磨料砂轮磨损特性概述4 8 5 3 2 青铜金刚石砂轮磨削硬质合金磨损特性分析4 9 5 3 2 1 磨削力分析4 9 5 3 2 2 砂轮表面形貌的变化一5 0 5 3 2 3 磨削试件表面粗糙度及热损伤“5 l 5 4 本章小结5 2 v l 硕士学位论文 结论与展望5 3 参考文献5 5 致 射5 8 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录) 5 9 v i i 青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 插图索引 图1 1g c 杯形砂轮修整器示意图2 图1 2 电火花一机械复合整形法示意图2 图1 3 激光烧蚀过程框图3 图2 1 原声光调qy a g 激光器1 0 图2 2 声光调qy a g 激光器谐振腔示意图l l 图2 3 声光调qy a g 激光器谐振腔等效示意图1 2 图2 4 激光器实物图l3 图2 5 距离输出镜面不同处的光束光斑1 3 图2 6 激光平均功率与泵浦电流强度关系曲线1 4 图2 7q 调制下激光平均功率与泵浦电流强度关系曲线( f = 5 k h z ) 1 4 图2 8 不同泵浦电流强度下的激光单脉冲波形图( f = 5 k h z ) 1 6 图2 9 测控系统工作流程图1 8 图3 1 声光调q 脉冲激光序列2 0 图3 2 激光修整青铜金刚石砂轮有限元几何模型2 3 图3 3 脉冲激光烧蚀纯青铜温度场云图2 5 图3 4 脉冲激光烧蚀金刚石温度场云图一2 5 图3 5 脉冲激光烧蚀会刚石温度场云图二2 7 图3 6 激光修整青铜金刚石砂轮示意图2 8 图4 1 待修整青铜金刚石砂轮实物图和表面微观形貌3 0 图4 2 待修整青铜金刚石砂轮表面圆跳动误差一3 l 图4 3 激光修整砂轮实时控制系统示意图一3 1 图4 4 激光修整砂轮现场3 3 图4 5 最小二乘圆法评定圆度误差原理图3 5 图4 6 粗修整后青铜金刚石砂轮表面圆跳动误差一3 6 图4 7 粗修整后青铜金刚石砂轮表面形貌3 7 图4 8 精修整过程中青铜会刚石砂轮表面圆跳动误差3 7 图4 9 精修整后青铜金刚石砂轮表面圆跳动误差一3 8 图4 1 0 精修整和修锐后青铜金刚石砂轮表面形貌3 8 图4 1 1 机械法修整后青铜金刚石砂轮表面圆跳动误差3 9 图4 1 2 机械法修整得到的青铜会刚石砂轮表面形貌3 9 图5 1 卧式平面磨削三个磨削分力4 2 v l 硕士学位论文 图5 2 平面磨削力测量原理示意图4 2 图5 3 磨削力测量系统示意图4 3 图5 4 磨削过程中法向磨削力实测图( 激光修整) 4 5 图5 5 法向磨酣力变化规律曲线( 激光修整) 4 6 图5 6 磨削过程中法向磨削力实测图( 机械法修整) 4 7 图5 7 法向磨削力变化规律曲线( 机械法修整) 4 8 图5 8 砂轮磨损过程4 8 图5 9 青铜金刚石砂轮磨削硬质合金后与磨削前表面形貌的变化5 l 图5 1 0 磨肖i j 后试件的表面粗糙度一5 l 图5 1 1 磨削后试件的表面微观形貌5 2 i x 青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 附表索引 表2 1 激光平均功率与泵浦电流强度的对应关系表一1 3 表2 2q 调制下激光平均功率与泵浦电流强度的对应关系表( f = 5 k h z ) 1 4 表2 3q 调制下激光平均功率与泵浦电流强度的对应关系表( f - - 2 & 1 0 k h z ) 1 5 表2 4 单脉冲宽度与泵浦电流强度的对应关系表( f = 5 k h z ) 一1 7 表2 5 单脉冲宽度与泵浦电流强度的对应关系表( f = 2 k h z 和户1 0 k k h z ) 1 7 表3 1 青铜和金刚石的主要热学性质一2 l 表3 2 金刚石在高温下不同介质中的热稳定性2 l 表3 3 不同脉冲宽度下激光烧蚀青铜的功率密度阈值( f = 5 k h z ) 2 3 表3 4 不同脉冲宽度下激光烧蚀金刚石的功率密度阈值( f = 5 k h z ) 2 4 表3 5y a g 激光的输出参数( f = 5 k h z ，d = 0 2 6 m m ) 2 4 表5 1 多次进给下的磨削力实测值( 激光修整) 4 9 表5 2 多次进给下的磨削力实测值( 机械法修整) 5 0 x 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 激光修整超硬磨料砂轮概述 1 1 1 超硬磨料砂轮及其修整方法 金刚石和立方氮化硼( c b n ) 砂轮统称为超硬磨料砂轮，由于其优良的磨削性 能，广泛应用于精密和超精密磨削、高速高效磨削、难加工材料磨削、成形磨削 和磨削自动化等技术领域。然而，由于超硬磨料的高硬度，用传统的机械修整方 法，修整工具磨损较快，修整时问长，很难达到满意的修整质量和效率，并且磨 粒突出高度低，仅为磨粒直径的2 0 3 0 ，导致磨削力增加，磨削条件恶化，磨 削区温度升高，从而使工件表面完整性下降，缩短了砂轮寿命。为了充分发挥超 硬磨料砂轮的性能，研究开发高效和高精度超硬磨料砂轮的修整技术意义非常重 大1 1 1 。 修整砂轮实际上就是对砂轮进行整形和修锐，提高砂轮表面有效磨粒的数量， 从而提高砂轮的磨削精度和效率。整形是指由于砂轮表面某些金刚石磨粒凸出于 结合剂的高度较其他大部分磨粒要高，影响砂轮的整体形状精度( 圆度) ，须对这 些磨粒进行选择性去除；修锐是指去除某些磨粒间过多的结合剂，使磨粒突出形 成切削刃和容屑空间。 不同的修整方法具有不同的特点，应用中需综合考虑加工条件、工件材料、 砂轮材料等因素。对于疏松型结合剂( 陶瓷结合剂) 超硬磨料砂轮来说，修整相对 比较容易，整形和修锐过程可以同时进行。而对于结合剂密实型超硬磨料砂轮( 如 树脂结合剂和金属结合剂) ，由于具有优良的磨削性能，抗磨损能力强，不需经常 修整，仅在使用之初和使用磨钝后需要修整，修整工作相对困难，且整形和修锐 一般要分开进行。 目前，针对超硬磨料砂轮的修整方法主要有机械加工法和电加工法，机械加 工法包括车削修整法、滚压修整法和磨削修整法等，电加工法通常指电火花整形 法和电解修锐法等。 机械加工法几乎适用于所有超硬磨料砂轮，其中滚压整形法所用的整形砂轮 为绿色碳化硅与白色氧化铝陶瓷结合剂砂轮，其粒度根据超硬磨料砂轮的粒度选 择。由于依靠剪切力修整，所以对机床的刚度要求较高，且整形精度不高。磨削 整形法所用的工具为g c ( 绿色碳化硅) 、w a ( 白刚玉) 修整块或修整砂轮，但这种 方法同样整形精度不高1 2 j 。 为改进超硬磨料砂轮整形精度不高的问题，r 本学者研制出了g c 杯形砂轮 青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 研磨修整法1 3 1 ，其修整机理如下：修整过程中，从杯形砂轮上脱落下来的磨粒对 金刚石磨粒和结合剂产生冲击、研磨作用，既可整形，也可修锐。脱落下来的磨 粒越多，修整效率越高，金刚石表面越粗糙。 叠雕曩黟地 图1 ig c 杯形砂轮修整器示意图 电加工法主要适用于金属结合剂超硬磨料砂轮，以电火花加工为例，砂轮电 火花整形时的最大临界放电间隙在几十个微米左右，微细粒度金属结合剂超硬磨 料砂轮经过电火花整形后，能获得很好的圆度和锋利度，可直接进行磨削加工1 4 j 。 然而，高速深磨使用砂轮的磨粒粒度一般较大，这就可能使砂轮与工具电极之间 的极间间隙过大，超出电火花产生所需的最大临界放电间隙，导致修整无法继续 进行1 5 , 6 】。针对这个问题，有学者提出了一种电火花一机械复合整形法1 7 1 ，如图1 2 所示。 金属结合剂砂轮 电极 ( a ) 电火花整形装置( b ) 碳化硅滚轮修整装置 图1 2 电火花一机械复合整形法示意图 根据极问间隙与最大临界放电间隙的关系，粗粒度金属结合剂超硬磨料砂轮 的整形过程可分为两个阶段：( 1 ) 当极问间隙在临界放电间隙合理范围内时，对砂 轮进行电火花整形，去除砂轮表面磨粒间淤塞的结合剂，使磨粒凸出结合剂；( 2 ) 如果砂轮偏心较大，由于某些磨粒的存在使极间问隙大于临界放电间隙，这时需 要用机械整形法去除这些磨粒，如图1 2 ( b ) 所示，采用制动式碳化硅滚轮，依靠 接触时产生的剪切力使偏心部分突出的磨粒破碎与脱落，使极间间隙逐步减小， 达到最大临界放电间隙以内，使电火花整形能得以继续进行。电火花、机械整形 反复使用，直至砂轮达到所需的整形精度为止。 相关研究人员采用电火花一机械复合整形法对青铜结合剂金刚石砂轮( 粒度 2 硕士学位论文 为群1 0 0 1 2 0 ) 进行了整形试验，最终砂轮的整形精度较高( 可达6 9 m 左右) ，但修整 过程略显复杂。 综上所述，机械法修整超硬磨料砂轮虽然效率较高，但普遍整形精度不高， 修整工具损耗严重，且会降低结合剂对磨粒的把持力；电加工法修整仅对金属结 合剂砂轮有效，只能进行修锐，且修整过程复杂，成本较高。因此，研究开发效 率高、精度高和适应性广的修整方法极为重要，对超硬磨料砂轮的迸一步推广应 用有着重要意义。 1 1 2 激光修整超硬磨料砂轮 激光具有单色性好、方向性强、能量密度集中、相干性好等优点。激光修整 超硬磨料砂轮是应用激光加工具有高能量密度、高注入速度、高加工效率、无工 具损耗、非接触等特点，利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于砂轮表 面，可以在极短的时间内使砂轮局部表面的材料熔化或气化。 激光辐照到材料表面，会发生熔化、气化( 或升华) 和相关的质量迁移现象， 激光辐照下材料表面因各种机制引起的质量迁移现象称为激光烧蚀【3 】。图1 3 为 高功率密度入射激光作用下材料烧蚀过程框图。 图1 3 激光烧蚀过程框图 激光烧蚀材料过程十分复杂，它包括加热、熔化、气化、电离以及热应力、 应力波、烧蚀冲击波等多种效应，这些效应使材料去除而形成凹坑。由于烧蚀条 件不同，激光去除材料的机理也不同。影响激光去除材料机理的烧蚀条件主要有 激光波长、激光功率密度、激光的脉冲宽度、离焦量和材料的热物理性能等。因 此，研究激光烧蚀去除材料的机理，对控制和优化激光修整超硬磨料砂轮过程十 分重要1 9 j 。 激光修整超硬磨料砂轮是一种新的修整方法，通过激光辐照砂轮表面，使材 料发生质量迁移( 即烧蚀) 。从理论上讲，激光可以修整各种磨料和结合剂的砂轮。 3 青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 光修整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足够高，可去除砂轮表面凸出结 较高的磨粒，同时通过控制砂轮的转速和其他方向的进给量，使砂轮获得精 几何形状，达到整形的目的。另一方面，超硬磨料与结合剂材料的物理性能 较大，理论计算表明，在相同的激光作用时间内，超硬磨料达到分解点所需 光功率密度比结合剂材料高一个数量级。因此，当砂轮表面容屑空间不足需 锐时，可通过控制激光加工参数，选择性地去除结合剂材料，而不损伤超硬 ，使磨粒凸出结合剂表面。 在用激光修整的过程中，对砂轮来说，激光束有其方向性。直径方向上，和 大多数激光加工一样，激光束通常垂直于砂轮表面，切除材料的深度可通过改变 激光束的能量来调整。激光束也可以切向对准砂轮进行整形加工，缺点是激光束 和砂轮之间有一个相切的入射角，激光束呈椭圆形发散，这就意味着在砂轮表面 要产生同样的能量密度其所需的功率要更高【1 0 , 1 1 】。 采用激光修整砂轮具有以下特点1 1 2 j ： ( 1 ) 适应性广：由于基于热效应，激光可适用于修整各种结合剂和磨粒的砂 轮； ( 2 ) 可获得较理想的精度：通过对激光的控制，可得到较高的修整精度，且 可以保证修整效率； ( 3 ) 可获得良好的地形地貌：激光热作用区域小，能得到较充足的容屑空间 和合适的磨粒凸出高度； ( 4 ) 有利于延长砂轮的使用寿命：激光修整可选择性去除磨粒或结合剂，不 会造成大量磨粒脱落，不会降低结合剂对磨粒的把持力，同时有利于节省材料。 1 2 激光修整超硬磨料砂轮研究现状 激光修整超硬磨料砂轮作为一种“非接触式”的修整方法，既能整形又可修锐， 国内外学者纷纷对其开展试探性的基础研究，而且已取得一定的进展，研究成果 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 使用激光辅助其他修整方法进行修整试验。 2 0 世纪9 0 年代，德国学者e w e s t k a m p e r 将n d ：y a g 激光用于辅助树脂结合 剂c b n 砂轮磨削金属和陶瓷试件，指出在磨削前先用n d ：y a g 激光对工件预热， 可降低磨削时工件的温度梯度，从而减小材料表面烧伤l l 引。而后，美国p u r d u e 大学机械工程系的c h u n h ez h a n g 等提出了用c 0 2 激光辅助机械法修整陶瓷结合 剂c b n 砂轮，可减小金刚石修整工具的磨损和修整产生的磨削力1 1 4 , 1 5 j 。国内上 海交通大学的王艳等人将c 0 2 激光用于辅助机械修整金刚石砂轮，利用激光束加 热砂轮表面使得金刚石修整笔修整材料从脆性断裂变为塑性流动，从而提高砂轮 表面修整质量，降低金刚笔的磨损1 1 6 1 。 4 硕士学位论文 ( 2 ) 使用激光对超硬磨料砂轮进行修锐。 美国学者m j j a c k s o n 和gm r o b i n s o n 等人用连续n d ：y a g 激光器对陶 瓷结合剂氧化铝砂轮进行了修锐实验，实验结果证明：激光修锐在不降低结合剂 把持作用的情况下，可以通过微破坏使磨粒产生多刃，使砂轮的磨削性能得到提 高【1 7 l 。日本学者a h o s o k a w a 等人使用脉冲n d ：y a g 激光束径向垂直辐照对金属 结合剂金刚石砂轮进行了修锐试验，试验中为防止熔融的结合莉冷却后重新附着 在砂轮表面，使用空气进行侧吹，试验指出，与传统w a 滚轮修整相比，激光修 锐的效率明显更高，但修整后砂轮工作时产生的磨削力相差不大【l 引。 上海交通大学的陈明等研究人员用y a g 激光器普通脉冲对树脂结合剂s i c 砂轮进行了修锐实验，修锐前首先用单点金刚石修整笔对砂轮进行整形，然后在 工作台上进行修锐，采用激光三维扫描方法评价砂轮激光修锐效果，分别采用经 激光修锐和金刚石笔修锐的砂轮进行磨削应用研究，考察了砂轮的磨削力及耐用 度1 1 9 , 2 0 l 。上海交通大学王艳等人利用c 0 2 连续激光器进行了激光修锐黄铜结合剂 和树脂结合剂金刚石砂轮的试验，在三维数字显微镜下观察激光作用前后金刚石 砂轮的微观形貌，分析了不同结合剂材料在激光作用下的去除机理1 2 。大连理 工大学的王续跃等人采用y a g 激光进行了激光单脉冲烧蚀超硬磨料砂轮试 验，建立了激光修锐的三维热传导模型，研究了输出功率、脉宽、离焦量和 激光入射角对烧蚀凹坑尺寸的影响规律，然后选择合适的激光参数和工艺参 数进行了修锐试验，并指出：光修锐树脂结合剂砂轮时，树脂结合剂以气化 去除为主，只需同轴辅助气体；激光修锐金属结合剂砂轮时，金属结合剂以 熔化去除为主，依靠同轴辅助气和侧吹辅助气体可以防止金属结合剂冷却后覆 盖磨粒，从而达到好的修锐效果1 2 2 , 2 3 j 。 ( 3 ) 使用激光对超硬磨料砂轮进行修整 目前，国内外对激光修整超硬砂轮的研究基本局限于修锐，而对整形方面的 研究非常少，主要有湖南大学激光加工技术与装备研究所在进行该方面的研究。 研究人员采用声光调qy a g 脉冲激光对超硬磨料砂轮进行修整试验，先后研制了 激光修整测控系统，研究了超硬磨料( 金刚石、c b n ) 对y a g 激光的吸收率，从理 论上计算了结合剂和磨料的激光去除闽值，用m a t l a b 对烧蚀过程进行了模拟 分析，得到了修锐和整形分别所需的激光参数，并将修整后的超硬磨料砂轮用于 磨削试验1 2 4 屯6 l 。 从以上研究现状可以看出，目的，激光修整超硬磨料砂轮尚处试验研究阶段， 要使之进一步推广应用必须解决好以下几个问题： ( 1 ) 针对不同材质砂轮进行激光选择性烧蚀特征、机理的基础研究，优化激 光修整过程参数，分析激光参数对修整过程的影响规律； ( 2 ) 研制可靠的测控技术和数据采集处理技术； 5 青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究 ( 3 ) 提高激光修整的精度和效率； ( 4 ) 保证修整后良好的砂轮表面质量和磨削性能； ( 5 ) 功能模块集成形成产品，实现在线修整。 1 3 激光修整超硬磨料砂轮温度场模拟 在使用激光修整超硬磨料砂轮之前，首先要明确激光与超硬磨料砂轮磨粒层 ( 包括磨料和结合剂) 的相互作用机理，才能进一步分析激光修整超硬磨料砂轮的 机理，从而为选择合适的修整参数提供理论指导。 激光修整超硬磨料砂轮实质上是基于激光烧蚀效应，激光烧蚀材料过程十分 复杂，包括加热、熔化、气化、电离以及热应力、应力波、烧蚀冲击波等多种效 应，这些效应使材料去除而形成凹坑。由于激光参数不同，激光去除材料的机理 也不同。影响激光去除材料机理的激光参数主要有激光波长、脉冲宽度、激光功 率密度、离焦量以及材料的热物理性能等。因此，研究激光烧蚀去除材料的机理， 建立一个全面合理的激光一材料相互作用的数理模型，对控制和优化激光修整砂 轮过程十分重要。 目前，国内外针对激光烧蚀砂轮的机理与模型研究较少，仅以下学者在这方 面做了部分研究。vp h a n i n d r a n a t h 等【2 7 】采用普通脉冲激光，脉冲的重复频率为2 2 0 h z ，脉冲宽度为4 6 0 p s ，砂轮的磨粒为a 1 2 0 3 ，结合剂为v i t r e o u ss i l i c a 。计算时 基于v i t r e o u ss i l i c a 纯气化烧蚀机理，建立了砂轮的几何模型和传热模型，通过有 限差分的方法计算了几种激光参数条件下砂轮内的温度场和烧蚀凹坑形貌( 凹坑 深度与宽度的曲线) 。在文献 2 0 】中，采用的是连续激光，因此在建立模型时，