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青铜金刚石砂轮激光修整技术及其高速磨削性能的试验研究 摘要 青铜金刚石砂轮具有异常优良的磨削性能，由于其本身特性，采用传统的基 于力的修整方法修整超硬磨料砂轮很难达到使用要求。激光修整作为一种非接触 修整方法，基于热的熔化和气化机理，是一种极有前景的超硬磨料砂轮修整方 法。声光调q 脉冲激光以其峰值功率高、占空比小、脉宽短、重复频率高、易 于控制等特点被认为是超硬磨料砂轮修整的合适光源。 参考数值模型的理论计算，合理选择激光参数和运动参数，利用自行研制 的声光调q y a g 激光修整系统和高速磨削试验台进行青铜金刚石砂轮修整试验。 为便于对比，进行了碳化硅滚轮修整试验。分别得到了不同功率密度、脉冲频 率、离焦量等激光参数下以及碳化硅滚轮修整后青铜金刚石砂轮表面的微观形 貌。 对激光修整后的青铜金刚石砂轮进行了磨削力、磨削温度以及磨削试件表 面粗糙度等高速磨削性能对比试验研究。激光修整和磨削性能试验交叉进行， 把自制测温试件安装在测力仪上，对磨削力和磨削温度进行同步测量。为便于 得到较好的磨削温度信号，采用了干磨方式。 对比声光调qy a g 脉冲激光不同参数修整后青铜金刚石砂轮在高速磨削 时磨削性能，总结出青铜金刚石砂轮的磨削力、磨削温度、磨削试件表面粗糙 度随功率密度、脉冲频率、离焦量等激光参数的变化规律，得到了优化的激光 修整参数组合；通过比较激光惨整和碳化硅滚轮修整后青铜金刚石砂轮的高速 磨削性能，发现优化的激光参数修整后砂轮的磨削力和磨削温度均低于滚轮修 整。 关键词：青铜金刚石砂轮； 激光修整；高速磨削性能；磨削力；磨削温度； 表面粗糙度 i i a b s t r a c t 、m 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 b 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 s h a v eaw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l do fp r e c i s i o n ，u l t r a - p r e c i s i o n ，h i g h e f f i c i e n c yg r i n d i n g ，g r i n d i n ga u t o m a t i o na n dd i f f i c u l tp r o c e s s i n gm a t e r i a lf o r m i n g b e c a u s eo ft h eu l t r a h i g hh a r d n e s so fs u p e r - a b r a s i v ew h e e l s ，t h ec o n v e n t i o n a l m e c h a n i c a lt r u i n ga n dd r e s s i n gm e t h o d sb a s e do nf o r c ei n t e r a c t i o na r en e a r l y i m p o s s i b l et om e e tt h er e q u i r e m e n tf o rg r i n d i n gp r o c e s s ，w h i c hr e a l l ya f f e c t st h e g 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 ew h e e l s l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gm e t h o d b a s e do nt h e r m a li n t e r a c t i o nw i t h o u tf o r c ei n t e r a c t i o n ，w a st h o u g h tt ob eap r o m i s i n g m e t h o d w i t hh i g hp e a kp o w e r , l o wd u t yr a t i o ，s h o r tp u l s ed u r a t i o n ，h i g hr e p e t i t i o n f r e q u e n c ya n dc o n t r o l l a b l ef e a t u r e ，t h ea c o u s t i c - o p t i cq - s w i t c h e dp u l s e dl a s e ri s c o n s i d e r e dt ob es u i t a b l ef o rt r u i n ga n dd r e s s i n gs u p e r - a b r a s i v ew h e e l s e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt r u i n ga n dd r e s s i n gs u p e r - a b r a s i v ew h e e l sw i t hl a s e rw a s t a k e no u t a c o u s t o o p t i cq s w i t c h e dy a gp u l s e dl a s e rm a c h i n e d e v e l o p e db yo u r t e a m ，w a se m p l o y e dt od r e s sb r o n z eb o n d e dd i a m o n dw h e e l si no r t h o g o n a ld i r e c t i o n ， u t i l i z i n gt h ec l o s e dl o o po ft h ec o n t r o ls y s t e mt oc o n t r o lt h eo u t p u to ft h el a s e rp u l s e a c c o r d i n g t on u m e r i c a lm o d e lr e s u l t ，w i t h p r o p e r l a s e r p a r a m e t e r ( p o w e r d e n s i t y a v e r a g ep o w e r p u l s er e p e t i t i o nf r e q u e n c y f o c u s - o f fp a r a m e t e r ) a n dt e c h n i c s p a r a m e t e r ( m o v i n gs p e e da n dr o t a t i o ns p e e do fg r i n d i n gw h e e l ) ，b r o n z ea n dd i a m o n d w a sw i p e do f rs e l e c t i v e l y e x p e r i m e n t a ls t u d yo nc a r b o r u n d u mt r u i n ga n dd r e s s i n g m c t h o dw a sa l s ot a k e no u tt oc o m p a r ew i t ht h el a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gm e t h o d i n a d d i t i o nt om i c r o c o s m i ca p p e a r a n c eo ft h ew h e e lt r u e da n dd r e s s e dw i t hl a s e ra n d c a r b o r u n d u m ，t h et r u i n ga n dd r e s s i n ge f f e c ta f f e c t e db yl a s e rp a r a m e t e rw a so b t a i n e d a san e wm e t h o d ，l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gn e e d st ob ec h e c k e db yt h eg r i n d i n g c a p a b i l i t yo ft h ew h e e l ，a n dt h eg r i n d i n gc a p a b i l i t yi sa l s oh e l p f u lf o ro p t i m i z i n gt h e l a s e rp a r a m e t e r w “ht h eh i g hg r i n d i n gp l a t f o r m h i g hs p e e dg r i n d i n ge x p e r i m e n tw a s t a k e no u ti nt h en a t i o n a le n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e rf o rh i g he f f i c i e n c yg r i n d i n g c h a n g et r e n do f t h ew h e e lg r i n d i n gf o r c e 、g r i n d i n gt e m p e r a t u r ea n dt h er o u g h n e s so f t h ew o r k p i e c es u r f a c ea l o n gw i t hl a s e rd r e s s i n gp a r a m e t e r sw a so b t a i n e d c o m p a r e d w i t ht h ec a r b o r u n d u mt r u i n ga n dd r e s s i n gm e t h o d ，i tw a se s t a b l i s h e dt h a t ，w h e n g r i n d i n ga l u m i n a ，g r i n d i n gf o r c ea n dg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei ss m a l l e rd r e s s e db yl a s e r w i t hs u i t a b l ep a r a m e t e r s i i i 重堡塞! ! 皇2 蝥鍪耋兰兰垄奎墨圣塞圣塞型兰墼墼兰丝至窒 k e yw o r d s ：b 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 s ；l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n g ； h i g hs p e e dg r i n d i n gc a p a b i l i t y ；g r i n d i n gf o r c e ；g r i n d i n gt e m p e r a t u r e ； s u r f a c er o u g h n e s s ； 青铜金刚石砂轮激光惨整技术及其高速蘑削性能的试验研究 插图索引 图1 1 磨料k n o o p 硬度比较2 图1 2 磨料热导率比较2 图2 1 激光修整青铜金刚石砂轮示意图l o 图2 2 激光修整青铜金刚砂轮试验装置实物图l l 图2 3 不同激光脉冲重复频率下的峰值功率及脉冲宽度1 1 图2 4 金刚石晶体结构l2 图2 5 人造金刚石晶体形态( 八面体) 1 2 图2 6 碳的相图13 图2 7 声光调q 脉冲激光波形示意图1 8 图2 8 脉冲激光烧蚀砂轮表面示意图1 9 图2 9 碳化硅滚轮修整青铜金刚石砂轮2 1 图2 1 0 不同情况下青铜会刚石砂轮表面形貌图2 2 图3 1 卧式平面磨削三个磨削分力2 4 图3 2 压电晶体测力原理装置2 6 图3 3 磨削过程中的磨削力示意图2 6 图3 4 试验用1 5 0 m s 高速平面磨床一2 7 图3 5 三相压电晶体测力系统实物图2 8 图3 6 磨削力测量系统2 8 图3 7 不同磨削深度下砂轮法向磨削力随激光功率密度的变化关系3 0 图3 8 不同磨削深度下砂轮磨削力比随激光功率密度的变化关系3 l 图3 9 不同磨削深度下砂轮法向磨削力随激光重复频率的变化关系3 2 图3 1 0 不同磨削深度下砂轮磨削力比随激光重复频率的变化关系3 2 图3 1 l 不同激光离焦量修整后砂轮磨法向削力随磨削深度变化关系3 3 图3 1 2 不同激光离焦量修整后砂轮磨削力比随磨削深度变化关系3 3 图3 1 3 激光修整前后砂轮法向磨削力随磨削深度变化关系3 4 图3 1 4 激光修整和机械修整后砂轮法向磨削力随磨削深度变化关系3 5 图3 1 5 激光修整前后砂轮磨削力比随磨削深度变化关系3 5 图3 1 6 激光修整和机械修整后砂轮磨削力比随磨削深度变化关系3 5 图4 1 普通磨削时热的传散3 7 图4 2 磨削热量的分配3 8 图4 3 热电偶结构材料4 0 v i l l 硕士学位论文 图4 4 温差电势原理图4 l 图4 5 热电偶回路电势分布图4 l 图4 6 磨削测温试件结构4 3 图4 7 镍铬一镍硅热电偶测温试件实物4 3 图4 8 温度测量系统实物图一4 4 图4 9 磨削温度测量系统示意图4 4 图4 1 0 确定热端温度t 的步骤4 6 图4 1 l 不同磨削深度下砂轮磨削温度随激光功率密度的变化关系4 7 图4 1 2 不同磨削深度下砂轮磨削温度随激光重复频率的变化关系4 8 图4 1 3 不同激光离焦量修整后砂轮磨削温度随磨削深度变化关系4 9 图4 1 4 激光修整前后砂轮磨削温度随磨削深度变化关系5 0 图4 1 5 激光修整和机械修整后砂轮磨削温度随磨削深度变化关系5 l 图5 1表面几何形状误差( 放大) 一5 3 图5 2 轮廓的平均算术偏差也5 5 图5 3 微观不平度十点高度尼和轮廓最大高度凡5 5 图5 4 轮廓平均间距5 6 图5 5 粗糙度仪5 7 图5 6 激光功率密度对磨削试件表面粗糙度的影响( 重复频率户l k h z ) 5 9 图5 7 激光重复频率对磨削试件表面粗糙度的影响( 功率密度1 = 2 5 1 0 8 w c m 2 ) 6 0 青铜金刚石砂轮激光修整技术及其高速磨削性能的试验研究 附表索引 表1 1 超硬磨料砂轮的种类及其特性3 表1 2 室温下对特定波长下的吸收率7 表2 1 激光器基本参数ll 表2 2 金刚石及立方氮化硼的性质1 4 表2 3 金刚石在不同介质条件下的热稳定性1 5 表2 4 结合剂成分的热物理性质1 5 表2 5 超硬磨料砂轮规格说明1 5 表2 6 a 激光功率密度i ( 1 07 w c m 2 ) = o 1 7 表2 6 b 激光功率密度1 ( 1 0 7 w c m 2 ) a = 3 m m 1 7 表2 7 辐照在砂轮表面的光斑直径以与离焦量的对应关系表1 8 表2 8 脉宽与重复频率的对应关系表1 8 表2 9 青铜金刚石砂轮修激光整参数组合( 括号内为离焦3 r a m 后) 1 8 表2 1 0 不同厂下砂轮转速”和磨床工作台横向进给速度v ，取值范围( 0 离焦量) - t - 2 0 表2 1 l 不同厂下砂轮转速疗和磨床工作台横向进给速度v r 取值范围( 3 r a m 离焦 量) 2 0 表3 1 不同激光功率密度和磨削深度下磨削力值( n ) ( 产1 k h z ，= 0 ) 3 0 表3 2 不同激光重复频率和磨削深度下磨削力值( n ) ( = - 2 5 1 0 s w c m 2 ，= o ) 3l 表3 3 不同激光离焦量和磨削深度下磨削力值( n ) ( 户l k h z ，= 0 、3 m m ) 一3 3 表3 4 激光修整前后及滚轮修整后砂轮在不同磨削深度下磨削力值( n ) 3 4 表4 1 镍铬一镍硅( 镍铝) 热电偶分度4 5 表4 2 不同激光功率密度和磨削深度下磨削温度值( 户1 k h z ，= o ) ”4 7 表4 3 不同激光重复频率和磨削深度下磨削温度值( - - 2 5 x 1 0 8 w c m 2 ，= o ) t - - - 4 8 表4 4 不同激光离焦量和磨削深度下磨削温度值( 产1 k h z ，= o ，3 r a m ) ”4 9 表4 5 激光修整前后及滚轮修整后砂轮在不同磨削深度下磨削温度值5 0 表5 1 激光修整青铜会刚石砂磨削试件轮粗糙度值5 9 x 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：靠k 饮 日期：卅年棚孑o l e i 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 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 硕士学位论文 1 1 高速磨削加工 第1 章绪论 1 1 1 高速磨削加工的内涵和特点 随着科学技术的发展，许多新材料特别是工程陶瓷等硬脆材料、非晶微晶 合金等难加工材料大量涌现，对这些材料尽管存在多种加工方法，但最实用的 加工方法仍是用砂轮进行粗磨、精磨、以及研磨和抛光等“1 。提高加工质量 和磨削加工效率一直是磨削领域十分关注并为之不懈奋斗的重要目标。高速磨 削加工就是近年发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技 术。 高速磨削加工技术是指采用超硬磨料( 金刚石( p c d ) 和立方氮化硼( c b n ) ) 砂轮和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极 大地提高磨削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加 工技术。高速磨削加工是提高磨削效率以及提高加工质量、加工精度和降低加 工成本的重要手段。其显著标志是使被加工金属材料在切除过程中的剪切滑移 速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳磨削切除条件，使得被加工材料磨 削切除所消耗的能量、磨削力、工件表面温度、磨具磨损、加工表面质量等明 显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工 效率。 高速磨削有如下优点：磨料的未变形切屑厚度减小，磨削力下降；砂 轮磨损减少，提高砂轮寿命；在磨粒最大未变形切屑厚度不变条件下，可加大 磨削深度或工件速度，提高磨削效率：切屑变形程度小，磨料残留切痕深度减 小，磨削厚度变薄，可以改善表面质量及减小尺才和形状误差。 1 1 2 高速磨削的发展趋势及其关键技术 近年来对于以高速磨削技术特别是h e d g ( h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g 高效深切快进给磨削) 为代表的高速高效磨削技术的发展，可以认为，采用磨 削加工自动化、各类高速高效磨削技术的开发应用、超硬磨料磨具的推广应用 是提高磨削加工效率的三个主要途径。因此，高速磨削技术的发展总趋势是： 高柔性、高自动化系统+ 超硬磨料磨具+ 各种高速高效磨削技术临“。 高速磨削技术的发展前沿是采用超硬材料( 金刚石、c b n ) 做工具，运用 现代高速切削技术以及现代高柔性高自动化设备，开展高速磨削技术的研究， 加速实用化进程，对于我国的制造业赶超世界先进水平具有重要意义。实现高 青铜金刚石砂轮激光修整技术及其高速磨削性能的试验研究 速磨削使其逐渐完善并趋于实用的核心关键技术主要有“1 ： ( 1 ) 高速磨削机理研究； ( 2 ) 大功率高速运动单元设备制造技术； ( 3 ) 高柔性高自动化系统及磨削加工中心的研究与开发； ( 4 ) 超硬磨料微粉高速砂轮制备技术； ( 5 ) 超硬磨料砂轮修整技术。 近年来，由于砂轮制造等相关技术得以突破，超硬磨料砂轮应用急剧增加。 超硬磨料砂轮修整成为制约超硬磨料砂轮在实际生产中推广应用的关键技术，成 为磨削技术的学科前沿“1 。 1 2 超硬磨料砂轮 1 2 1 超硬磨料砂轮的特点 砂轮通常由两种材料构成，一种是起切削作用的磨料细颗粒也即磨粒一种 是把无数磨粒牯结在一起成为固体的较软的结合剂。超硬磨料砂轮是由金刚石或 立方氮化硼( c b n ) 磨粒与陶瓷、树脂或金属结合剂组成0 1 。由于金剐石和立方 氮化硼磨料具有良好的力学、电学、热学、光学特性，所以超硬磨料砂轮具有优 良的磨削性能，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 硬度是决定磨料性能的主要特性( 如图1 1 所示) 。超硬磨料本身具有极高 的硬度，故可加工各种高硬度材料，特别是普通磨料难以加工的材科。 圈1 1 囊料k n o o p 硬度比较 围1 2 磨料热导率比较 ( 2 ) 超硬磨料砂轮的磨损少，使用周期长，磨削比高，在合理使用的条件下， 可获得良好的经济效果，特别是对用普通磨料难以加工的材料，经济效果更佳。 ( 3 ) 超硬磨料砂轮的形状和尺寸在使用中变化缓慢，有利于磨削操作，加工中 也无需经常更换砂轮，可大大节约工时，更适用于自动线上加工高精度零件。 ( 4 ) 超硬磨料砂轮能长时间保持锋利的切削刃，因而磨削力较小，这不但有利 2 硕士学位论文 于被加工零件的精度和光洁度的提高，而且还可减少机床的动力消耗。 ( 5 ) 超硬磨料的热导率大( 如图1 2 所示) ，有利于散热，所以砂轮的磨削温度 较低，大大提高了被加工工件的表面质量，避免零件出现裂纹、烧伤、组织变化 等缺陷，改善了零件加工表面的应力状况，有利于延长零件的使用寿命“川。 1 2 2 超硬磨料砂轮的种类及应用 超硬磨料砂轮的种类众多，各有特点。通常按结合剂种类对其划分，如表1 1 所示。 表1 1 超硬磨科砂轮的种类及其特性“” 多层可修单层 树脂结合剂砂陶瓷结合剂砂金属结合剂砂电镀钎焊 轮轮轮砂轮砂轮 结合剂类 树脂 陶瓷金属金属金属 型 制作热压高温粉末 常温 高温 工艺同化烧结冶金电镀钎焊 气孔无有无 结合 不高 高 高 不高高 强度 困难、整形后 困难、整形后无需无需 修整容易 需修锐 需修锐 修整修整 不耐温耐温耐温磨料裸露高磨料裸露高 其它易老化耐腐蚀导热性好度约2 0 3 0 度约7 0 8 0 随着新技术的开发应用，各种新型材料层出不穷，与之对应加工手段不断涌 现，可以说是材料推动着磨削技术向前发展。目前，磨削正朝着精密和超精密磨 削、高速高效磨削、难加工材料磨削、成形磨削、磨削自动化等方向发展，对砂 轮的要求也越来越高“。 金刚石是目前为止最硬的材料，理论上可以加工任何材料，但在高温时易与 黑色铁基金属发生氧化反应。金刚石砂轮适于加工硬质合金、陶瓷”1 、玛瑙、 光学玻璃、半导体材料、石材、混凝土等非金属材料和有色金属，尤其适于加工 陶瓷、光学玻璃、半导体材料等硬脆材料，广泛应用于航空、汽车、医学、电子、 建材等领域。 立方氮化硼( c b n ) 是继人造金刚石之后，于1 9 5 7 年由美国通用电气( g e ) 青铜金刚石砂轮激光修整技术及其高速磨削性能的试验研究 公司首先研制成功的一种新型超硬磨料。c b n 硬度高，仅次于金刚石，相当于刚 玉磨料的两倍，而其韧性比金刚石好，可以磨削各种高强度、高硬度的钢材和铸 铁，其耐用度和磨削效率是其它各种磨料砂轮所不及的，在高速、超高速磨削、 难加工材料的高性能磨削、高效成型磨削等加工领域获得了广泛应用。 1 3 超硬磨料砂轮修整方法的研究进展 单层电镀砂轮、钎焊砂轮无需修整。陶瓷结合剂砂轮由于其本身的特点，具 有大量气孔，修整较为容易，可用修整普通磨料砂轮方法进行修整。密实型结合 剂( 目前包括树脂和金属结合剂) 超硬磨料砂轮的修整，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精度；修锐是去 除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨粒凸出结合剂之外，形 成切削刃“。 传统的修整法( 如磨削法) 、整修法( 如滚压法) 、惨锐法( 如刚玉切入法) ， 均是基于力的作用，易引起系统变形，修整工具损耗大，且修整工具的形状误差 很容易复映到工件上去，导致整形后砂轮尺寸和形状误差大，或修锐达不到效果。 各国学者在不断努力寻找能从根本上解决超硬磨料砂轮修整的方法。开展了杯形 砂轮修整法、弹性修整法和超声波振动修整法，但这些方法仍是基于力的作用， 整形精度、修锐效果难以很好保证；发了在线电解修整法、双电极在线修锐法和 电火花修整法，这些修整方法存在一定的局限性，对砂轮和磨削液的导电性能有 特殊要求，速度范围有限制，修整效率低。 激光修整作为一种非接触修整法，避开力的作用和硬接触，基于热的熔化和 气化机理，无疑是很有发展前途的惨整技术。但需进一步深入开展多方位研究。 1 4 激光修整超硬磨料砂轮 1 4 1 激光加工 2 0 世纪6 0 年代以来，随着激光应用技术的不断发展与完善，大功率激光器 的出现及不断创新和激光器理论的日益成熟及深化，激光技术在通讯、高精度测 量、医疗和工业加工等领域的应用日益推广，使其成为近年来科学技术的最大成 就之一，激光加工是激光技术较为突出和成熟的一种应用。所谓激光加工，是指 激光束作用于物体表面，引起物体形状或性能改变的过程按照激光和物质相互 作用机理，激光加工大致可以分为激光热加工过程和激光冷加工过程。激光热加 工过程，主要是利用激光能量产生的热效应，使得物体的温度升高，并产生相变、 熔化或汽化等，来达到加工目的的过程 激光热加工主要用c 0 2 激光器和y a g 激光器，其波长为1 0 6 t t m 和1 0 6 p t m 硕士学位论文 的红外光。激光热加工主要用于对金属或非金属材料的焊接、切割、表面改性和 表面合金化等，现在主要用在汽车工业、钢铁工业、纺织工业和电子工业的各种 加工。激光冷加工则是利用具有较短波长的激光束作用于物休，借助高密度的高 能光子来引起和控制材料的化学反应的各种加工过程。激光冷加工一般用准分子 激光器，其输出波长在紫外波段，激光冷加工现在主要用在半导体工业中。 由于激光光束具有相干性好、方向性好、单色性好及高强度、高亮度等优点， 使得激光加工与传统的材料加工工艺相比较，有着许多独特的优点，主要包括以 下几点： ( 1 ) 由于激光加工是无接触加工，因此具有加工速度快、无噪音的优点。 ( 2 ) 由于激光光束的能量与加工速度易于调节，因此激光加工便于实现各种 加工目的，易于控制各种加工参数，易于形成灵活的加工系统，适合于处理复杂 的几何形状。 ( 3 ) 激光光束不受电磁干扰，与电子束加工相比较，无需隔离大气。 ( 4 ) 激光光束照射到材料上，对材料的影响是局部的，虽然被加工部位吸收 的能量高，温度变化大，但是由于激光光束可以聚焦得很小( 0 0 5 m 1 ，加上激光 加工的速度快，激光加工对非加工部位的影响较小。因此，激光加工具有热影响 区域小、退火速度快的优点。 ( 5 ) 激光加工可以自冷淬火，不需要淬火介质，可以避免环境污染。 鉴于以上的优点，激光工业加工工艺相对于传统的加工工艺，在大幅度降低 加工成本、提高加工质量等方面，有着突破性的提高，使得激光工业加工的应用 越来越广泛“”。 1 4 2 激光修整超硬磨料砂轮 1 4 2 1 激光修整的机理 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、易控制和无公害等特点“”，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。从理论上讲，通过对整个砂轮表面的激光作用，可以修整各种磨 料和结合剂的砂轮。用激光修整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足够高，可 同时去除砂轮表面的磨粒和结合剂，通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获得精确 的几何形状，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相 差较大，理论计算表明，在相同的激光作用时间内，超硬磨料达到熔点所需的激 光功率密度比结合剂材料高l 3 个数量级。通过控制激光加工参数，可选择性地 去除结合剂材料，而不损伤超硬磨粒，使磨粒突出，在砂轮表面形成容屑空间， 达到修锐的目的“”。 青铜金刚石砂轮激光修整技术及其高速磨削性能的试验研究 1 4 2 2 激光修整的特点 采用激光修整砂轮具有以下的优点比”： 1 、激光照射区域小，可以节省砂轮材料； 2 、激光修整砂轮过程中没有使用大的机械力，因此尤适合于磨削过程中在线 修整。 3 、很容易在磨床上设计激光修整砂轮装置，包括激光源、光学系统与控制系 统： 4 、激光修整砂轮具有修整速度快，工效高，易实现自动化； 5 、通过参数的改变，可以有选择地除去砂轮上阻塞的工件材料： 6 、不存在修具钝化报废的情况，具有可重复利用性； 1 4 2 3 激光修整砂轮的研究现状及发展 激光修整砂轮的研究现状及发展由于激光修整具有以上特点，近年来，国内 外学者进行了激光修整砂轮研究，取得了一些进展。印度学者乜”引用y a g 激光器 普通脉冲修整a 1 2 0 3 和s i c 砂轮，研究了不同激光参数、工艺参数对修整效果的 影响，研究了修整参数对所修整的a 1 2 0 3 砂轮在干、湿条件下磨削的影响，建立 了激光修整a 1 2 0 3 砂轮表面凹坑的几何模型和传热模型，计算了经激光修整后砂 轮表面凹槽的深度，讨论了个修整参数对修整后砂轮的磨削性能的影响。日本学 者心2 钔用调qy a g 激光器修整树脂结合剂的a 1 2 0 3 砂轮，研究了连续激光修整对 砂轮表面变质层的影响，研究了调q 激光下不同的重复频率、离焦量等对a 1 2 0 3 砂轮修整效果的影响，进行了磨削对比实验。日本n a k a o g a 大学利用倍频n d ： y a g 激光器修锐铸铁基金刚石砂轮，其输出为5 3 2 n m 的波长，实验时用8 n s 的脉 冲速率，功率密度0 0 3 o 4 8 j m m 2 ，砂轮转速1 1 m m s 汹1 。德国学者。7 。用y a g 激光器普通脉冲修整树脂结合剂c b n 砂轮，提出激光从切向对砂轮整形、径向 修锐的观点。美国大学的研究人员啪圳用c 0 2 激光器对陶瓷结合剂的c b n 砂轮 进行了修锐研究，并与传统的金刚石修锐作了比较。 上海交通大学的研究人员1 也用y a g 激光器普通脉冲对树脂结合剂s i c 砂 轮作了修锐实验，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，考察了磨削力及砂轮耐用度。西 北工业大学的研究人员r 蚓用y a g 激光器普通脉冲修锐树脂、青铜结合剂金刚石 砂轮和树脂结合剂c b n 砂轮，用扫描电镜观察了激光修锐前后砂轮表面的微观 形貌，对激光作用下砂轮表面不同结合剂材料的去除机理进行分析，通过磨削陶 瓷试验，研究激光修锐的金刚石砂轮的磨削性能，并与普通砂轮磨削法修锐的金 刚石砂轮进行对比，并用激光从切向对砂轮整形进行实验性研究。南京航空航天 6 硕士学位论文 大学的研究人员。”用c 0 2 激光器普通脉冲修锐树脂金刚石砂轮片，研究了占空比、 频率对修锐效果的影响，应用对铝片的刻划试验对修锐做出定量的评价。 y a g 激光器比c 0 2 激光器在修整砂轮上更具优势。y a g 激光器输出波长为 1 0 6 i t m ，是c 0 2 激光器波长的十分之一。波长较短，对光纤传输和金属表面的吸 收有利，例如金属结合剂金刚石砂轮中结合剂主要成分为铜粉、镍粉和锡粉，它 们在室温下对特定波长下的吸收率如表1 2 示。”。y a g 激光易于光纤传输，y a g 激光器体积相对小，价格便宜，有利于工业化推广应用。 表1 2 室温下对特定波长下的暇收事 激光修整普通磨料砂轮能获得较理想的效果，但相比其它修整方法，没有很 大的优势。若用激光修整超硬磨料砂轮，解决选择性去除烧蚀机理和整形精度两 大问题，完善工艺研究和产品设计，则有望进入实用化。激光修整砂轮为激光对 砂轮表面材料烧蚀加工，高的脉冲峰值功率和吸收率有利于材料去除。连续激光 修锐时，热积累影响大，磨粒易损伤，修锐过程难以控制，修锐后砂轮易磨损。 脉冲激光修锐时，占空比小，烧蚀时有利于散热，热影响小，能减小磨料损伤， 获得较好的地形地貌。 1 5 表征砂轮修整效果的高速磨削性能参数 用激光修整的超硬磨料砂轮进行高速磨削工艺性能对比试验研究，对砂轮 修整优化具有一定的检验和指导意义，包括对磨削力、磨削温度、磨削试件表 面质量等进行测量和控制。 磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性交形、塑性变形、切屑形成以 及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力几乎与所有磨削参数有关 系，如砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等。实践中，由于磨削力比较 容易测量与控制，因此常用磨削力来诊断磨削状态，将其作为适应控制的评定 参数之一【3 “。 磨削热来源于磨削功率的消耗，磨削加工的比能非常高，这些能量除了极 少部分消耗于新生面形成所需的表面能、残留于磨削表面层中的应变能和使切 屑飞出的动能外，绝大部分转化成为热能，消耗在加热工件、砂轮和切屑以及 辐射散逸。磨削加工与一殷切削加工不同，由于被切削的金属层很薄，大约 6 0 9 5 的热量被传入工件。这些传入工件的热量在磨削过程中来不及传入工 件深处，而聚集在表层里形成局部高温，工件表层温度常可高达1 0 0 0 以上， 在表层形成极大的温度梯度。所以磨削的热效应对工件表面质量和使用性能影 响极大。特别是当温度在临界面上超过某一临界值时，就会引起表面的热损伤 ( 表面氧化、烧伤、残余应力和裂纹) ，其结果将导致零件的抗磨损性能降低， 应力锈蚀的灵敏性增加、抗疲劳性变差，从而降低了零件的使用寿命和工作可 靠性。另一方丽，磨削区的磨削温热，不仅影响到工件，也影响到砂轮的使用 寿命。 磨削加工一般作为终工序，其任务就是要保证产品零件能达到图样上所要 求的精度和表面质量。实现零件高精度、低粗糙度、低残余应力、低硬化层的 表面高质量要求，是现代磨削技术的重要发展趋势。磨削表面质量指标主要包 括表面纹理指标与表面层物理学性能状态指标两类。表面纹理包括表面粗糙 度、波度、纹理方向及表面瑕疵，表面层物理学性能指标包括表面层硬度、表 面层组织、表面层残余应力。表面质量对零件的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性、 配合精度和配合性质都会产生影响。其中，影响磨削加工表面粗糙度的因素有 工件材料的特性、磨削用量、无火花磨削次数、磨削液、砂轮特性等”“，此外， 还与砂轮的修整状况有关阻1 ，砂轮修整后所形成的砂轮表面粗糙度，在磨削过 程中，将按一定比例复映到工件的磨削表面上。故磨削工件的表面粗糙度可以 从一个方面反映砂轮修整效果。 1 6 本文研究内容和目标 超硬磨料与结合剂材料的热物理、光学性能相差较大。理论计算表明，超硬 磨料达到熔点和气化点所需的激光功率密度比结合剂材料高i 3 个数量级。利用 砂轮磨料和结合剂材料之问的物理及光学性能的差异，将激光辐照于砂轮表面， 通过激光与材料的热作用，可以不同程度地去除砂轮的结合和磨粒材料，而使磨 粒凸出，重新形成切削刃；通过三角测量闭环控制系统控制激光脉冲的输出，实 现砂轮的精密修整，从而实现砂轮的整形和修锐的合二为一。本文在国家自然科 学基金项目( 5 0 0 0 5 0 0 5 ) 、湖南省自然科学基金项目( 0 5 j j 3 0 0 9 ) 和湖南省重点科 技攻关项目( 0 4 g k 2 0 0 4 ) 基金的资助下，对声光调qn d ：y a g 脉冲激光修整超硬 磨料砂轮进行研究，研究修整后砂轮的高速磨削性能，具体体现在以下几个方面： l 、设计反射、聚焦及三角测量接收装置的机械部分保证激光器输出的激光 能够准确聚焦在砂轮表面，保证闭环控制系统能够接收到有效控制信号。 2 、利用自行研制的激光加工装备进行超硬磨料砂轮修整试验。以青铜金刚 石砂轮为例，根据理论计算及前期的修整经验，合理选择激光的参数( 平均功 率、脉冲重复频率、离焦量) 和工艺参数( 进给速度、砂轮转速) ，对超硬磨 料砂轮进行修整。借助于光学显微镜观察凹坑的微观形貌，观察修锐后砂轮表 8 硕士学位论文 面地形地貌。探求激光参数对超硬磨料砂轮修锐的影响规律和特点，优化激光 参数和工艺参数。 3 、测温试件的制做。磨削温度的测量方法众多，但是由于技术和成本等原因， 最基本的仍然是用热电偶直接测量法。利用氧化铝陶瓷块、镍铬一镍硅热电偶丝、 云母片及环氧树脂等材料自制了夹式测温试件，我后期的磨削温度测量做准备。 4 、进行高速磨削性能对比试验。通过测量修整后青铜金刚石砂轮磨削陶瓷时 的磨削力、磨削温度以及磨削试件表面粗糙度，检验激光修整砂轮的效果，对比 不同激光参数和工艺参数修整后超硬磨料砂轮磨削性能的变化，探求砂轮修整后 的高速磨削性能规律和特点，获得最佳修整效果的参数组合。比较常规方法修整 与声光调qy a g 脉冲激光修整超硬磨料砂轮在高速磨削时磨削性能的优劣。 9 青铜金刚石砂轮激光修整技术及其高速磨削性能的试验研究 第2 章激光修整青铜金刚石砂轮试验 2 1 试验装置及参数 2 1 1 青铜金刚石砂轮的激光修整装置 如图2 1 所示，本试验所使用的激光器和三角测量在线检测闭环控制系统 为自行研制，激光器基本参数见表2 1 ，声光调q 调制后激光频率与脉冲宽度 和单脉冲峰值功率的对应关系如图2 3 所示，脉冲宽度与激光频率一一对应， 单脉冲功率随频率增加而降低。激光器的平均功率和脉冲重复频率可通过氪灯电 源和声光q 驱动器分别来进行调节，而光束模式的变化主要是通过对谐振腔两端 的全反镜和半反镜微调实现。 声光器件 全 国2 1i t 光修鳘青铜盒喇石砂轮示意围 激光器输出的激光通过反射和聚焦，垂直入射到砂轮表面。超硬磨料砂轮安 装在型号为h z 7 4 1 的精密卧轴矩台平面磨床上，反射镜、聚焦镜及三角测量 接收装置安装固定支架上，固定支架安放在磨床工作台上，磨床工作台的横向和 纵向进给均可实现无级调速。修整时，通过磨床工作台相对砂轮的轴向运动和 砂轮的转动来实现激光光斑在整个砂轮表面的扫描，修整试验装置实物图如图 2 2 所示。， 2 1 2 参数测量仪器 连续激光的输出功率通过功率计( 型号：p c 1 0 0 0 ，m a d ei nc a n a d a ) 测量， 修锐后的地形地貌通