（机械制造及其自动化专业论文）超硬磨料砂轮的激光修锐试验研究.pdf

，大连毽工大学硬圭学鬣论文 摘要 超硬磐精砂轮凝有优舅的蘑箭链能，应雳领域广泛，麓精密超精密磨副、高效黪潮、 磨削自动化的基础，但是修整比较困难。传统修整方法和其它修整方法都存在这样或者 那群静缺点，这垫黻裁了超硬密耱移轮静疫稽。为了充分发挥超硬黪瓣砂轮的饶异髋能， 提高超硬磨料砂轮的应用水平，需疆研究新的修整方法。将激光加工技术引入到修整领 装，无疑会绘超硬瓣瓣砂轮掺整孛存在豹瓣题蒂来耨豹解决办法。激光掺熬方法铭为一 种j # 接触修掇方法，避开力的作用和硬接触，是一种很有前途的修艇方法，但是距离实 嚣痰曩还存缀大差彗鼙，震要进一步辑究。为了促进激走骛熬菠末懿实际应瘸，本文敛了 如下工作： ( 1 ) 建立了计算激光修锐阑镶蛇三缝不稳定热传导模型，经夔分离散伲处理螽， 进行编程运算，求解出单脉冲激光作用下树脂结合荆和金属结合剂的去除阈值、金刚石 磨料驷立方氮化硼麟料的损伤阑僮，为选择合适的激光修锐参数援供依据。 ( 2 ) 单脉冲烧蚀凹坑大小和深度，对修锐效聚起重要作用。为此研究了脉宽、偏 焦量寝输出功率对单脉冲烧蚀凹坑尺寸的影响规德，采用光学显微镜对凹坑进行了观 察，用c c r v ( c l o s e dc i r c u i tt vv i e w i n g ) 系统铡量了凹坑裔径的尺寸，从佟热学和能量 分布的角度对试验结果进行了分析。 ( 3 ) 避行单赫冲瓷蚀潮坑的羹叠系数试验，逸择出合适的重藏系数，能够役修锐 效果均匀。根据前僦试验结果，进行激光单行程扫椭试验，找出合邋的修锐参数。然后 铰了辘动气体试验，在骖锐褥耱结合裁移轮孵，应麓同轴辅劲气体可班褥至好豹修锐效 果：修锐金属结合剂砂轮时，应用阀轴辅助气体和侧吹辅助气体可以解决夔凝金属覆盖 瘗籽豹溺遂，褥到好豹修锐效果。 ( 4 ) 在单脉冲烧蚀凹坑，凹坑熏叠系数试验和单行程激光扫描试验研究的基础上， 选嚣爨合适豹激光参数窝工艺参数骖锐超磷瘥糕砂轮，采爰李薯撬鬯缝( s e m ) 鼹察据摇 后砂轮的表丽形貌，采用测力仪测爨修锐前后砂轮的磨削力，证明本文提出的激光修锐 试验方法可默选择出饶纯的修锐参数，褥裂楚妊的修锐效袋。 本文的工作为激光修锐的实际威用提供了理论与试验的依据。论文提出的快速选择 激光修锐参数的方法，对激光修锐的实际威用寿一定鲍指导意义。 关键词：激光修锐；超硬黪料砂轮；y a g 激光器 大连理工大学颈士学经论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fl a s e rd r e s s i n gs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l s a b s t r a c t s u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l sh a v ee x c e l l e n tp r o p e r t i e sa n d a r ea p p l i e di nm a n yf i e l d s t h ea p p l i c a t i o no f s u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l s i st h ef o u n d a t i o no fp r e c i s i o na n d u l t r a - p r e c i s i o ng r i n d i n g , h i 痨- e f f i c i e n c yg r i n d i n ga n da u t o m a t i cg r i n d i n g b u tt h ed r e s s i n go f s u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l si sd i f f i c u l t c o n v e n t i o n a ld r e s s i n gm e t h o d sa n do t h e rm e t h o d s h a v ed i s a d v a n t a g e s ，w h i c hl i m i t st h ea p p l i c a f i o no fs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l s 。i no r d e rt o u t i l i z et h ee x c e l l e n tp r o p e r t i e so fs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l ss u f f i c i e n t l y ，r a i s et h e a p p l i c a t i o nl e v e lo fs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l sa n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fg r i n d i n g t e c h n o l o g y ，n e wd r e s s i n gw a yn e e d sr e s e a r c h i n g l a s e rd r e s s i n gi sn o tt o u c h i n gw a ya n d k e e p so f ff o r c ea c t i o n , s oi ti sp r o m i s i n gw a y b u t ，l a s e rd r e s s i n gi s n o ta p p l i e di np r a c t i c e n o w ，i tn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h i n ga s an e wd r e s s i n gw a y 。y a gl a s e ri su s e dt od o e x p e r i m e n t a ls t u d yo fl a s e rd r e s s i n gs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l ，t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s h a v eb e e nd o n ei nt h i st h e s i s ： ( 1 ) at h r e e d i m e n s i o n a lu n s t e a d ys t a t eh e a tc o n d u c t i o nm o d e lt oc o m p u t et h et h r e s h o l d o fl a s e rd r e s s i n gi sp r e s e n t e d t h ea b l a t i o nt h r e s h o l do fr e s i na n dm e t a lb o n du n d e rs i n g l el a s e r p u l s ea c ti sc o m p u t e d ，t h eb r e a k a g et h r e s h o l do fd i a m o n da n dc b ni sc o m p u t e d t h e s e s u p p l yf o u n d a t i o nf o rc h o o s i n gp r o p e rd r e s s i n gp a r a m e t e r s ( 2 ) t h ed i m e n s i o no fs i n g l ep u l s ea b l a t i o nc r a t e r sp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ed r e s s i n g e f f e c t ，s ot h i st h e s i sr e s e a r c h e st h ed i s c i p l i n e so fd i m e n s i o no fc r a t e r ss i n g l ep u l s ea b l a t e d i n f l u e n c e db yp u l s ew i d t h ，o u t p u tp o w e ra n dd e f o c u sd i s t a n c e t h ec r a t e r sa r eo b s e r v e dw i t h m i c r o s c o p ea n dt h ed i a m e t e r so f c r a t e r sa r em e a s u r e db ym e a n so fc c t v ( c l o s e dc i r c u i tt v v i e w i n 曲s y s t e m t h e n ，t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti sa n a l y z e df r o mh e a tc o n d u c t i o na n dt h e p o w e rd i s t r i b u t i n g ( 3 ) t h eo v e r l a pc o e f f i c i e n te x p e r i m e n to fa b l a t i o nc r a t e r si sd o n e ，t h e np r o p e ro v e r l a p c o e f f i c i e n tf o rg e t t i n gu n i f o r md r e s s i n gs u r f a c et o p o g r a p h yo fw h e e li sc h o s e n 。a c c o r d i n gt o t h er e s u l to ff r o n te x p e r i m e n t s ，p r o p e rd r e s s i n gp a r a m e t e r sa r ec h o s e nb yt h ee x p e r i m e n to f l a s e rs i n g l ep a s ss c a n n i n g a n dt h ee x p e r i m e n to fa u x i l i a r yg a si sd o n e ，g o o de f f e c ti sg o t w h e nd r e s s i n gr e s i nb o n dg r i n d i n gw h e e lw i t ha u x i l i a r yc o a x i a lg a s , g o o de f f e c ti sg o tw h e n d r e s s i n gm e t a lb o n dg r i n d i n gw h e e lw i t ha u x i l i a r yc o a x i a la n ds i d eb l o w i n gg a st h a tp r e v e n t l e s o l i d i f i e dm e t a lf r o mc o v e r i n ga b r a s i v e ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ff r o n te x p e r i m e n t s ，t h ep a r a m e t e r st od r e s sg r i n d i n gw h e e l a r co p t i m i z e d t h es u r f a c et o p o g r a p h yo fg r i n d i n gw h e e ld r e s s e db yl a s e ri so b s e r v e db y 一 i 一 牛伟光：超硬磨料砂轮的激光修锐试验研究 m e a n so fs e m ( s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ) t h eg n d i n gf o r c eo fg r i n d i n gw h e e l sb e f o r e d r e s s i n ga n da f t e rd r e s s i n gi sm e a s u r e da n dc o m p a r e d 。t h er e s u l t ss h o wt h a tl a s e rd r e s s i n gi s f e a s i b l ea n ds u i t a b l ed r e s s i n gp a r a m e t e r sc a nb es e l e c t e db yt h ee x p e r i m e n t a lw a yi n t h i s t h e s i s t h ew o r ki nt h i st h e s i ss u p p l i e se x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ra p p l i c a t i o n o fl a s e rd r e s s i n g ，a n dt h i st h e s i sp r e s e n t saw a yo fs e l e c t i n gl a s e rd r e s s i n gp a r a m e t e r sf a s t ， w h i c hc a ng u i d et h ea p p l i c a t i o no fl a s e rd r e s s i n g k e yw o r d s ：l a s e rd r e s s i n g ：s u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l ：y a g l a s e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取褥香螽究成果。尽我所知，除了文中耨瘸加以标注稻致谢的墟方外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其它攀健熬学位或证书掰使耀过静材料。与我一霜王 乍静阕恚 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作考签名：星期： 大连理工夫学硕士研究生学健论文 大连理工大学学饿论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件芹廿电子 舨，龛诲论文竣套霾嚣蘑阙。零人授权大连瑾工大学霹获将搴学位涂文豹全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或掴描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垒! 查整 体者签名： 生! 亟堑 导师签名：立5 龛垃) 年月磊 大避理 太学颈= _ = 学使论文 1 绪论 1 ，1 超磋磨料砂轮自每简介 。 。1 超疆瘗料戆憷裴 超硬磨料主要指金刚右和立方氮化硼( c b n ) 磨料。在金刚石晶体中，一个碳原予 煮鞠个共价键将其髑匿憝碳覆子连接起来，形藏一令四瑟髂豹结构。瑟荚徐键又冀奢魄 和性和方向性，因此晶体结合非常牢固，所以金剐石很硬而且耐磨。氮化硼是由氮原子 和硼暴孑联籀残豹菇俸，像学缝成为4 3 6 戆鞠弱5 6 。4 懿氮，具骞器穆不曩戆交体： 六方氮化硼( h b n ) 、菱方氮化硼( r b n ) 、立方氮化硼( c b n ) 和纤锌矿氮化硼( w b n ) 。 其中，立方氮化碾舆有类似衾嚣g 石瓣晶体继媳，不仅晶撂数j 鬻褪逅，丽鼹晶体中瓣结 合键也基本相同。超硬磨料与普通縻料的主要性能列于表1 1 。 袭1 1 超硬磨料与蔼通磨料的主要性能【1 1 t a b 1 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs u p e r a b r a s i v ea n dn o r m a la b r a s i v e 普避蠹瓣 越硬癌辩 氧化铝系碳化硅系众刚石立方氮化硼 密度p ( g l c m 3 ) 3 。9 4 4 0 5 3 23 4 7 3 5 63 。4 8 显微硬度( k g m m 2 ) 1 8 0 0 2 2 0 03 2 0 0 3 4 0 0 8 6 0 0 1 0 6 0 07 3 0 0 1 0 0 0 0 抗弯强度( m p a ) 8 0 9 0 5 0 1 5 02 1 0 4 9 0 3 0 0 抗匿强度( 啦a ) 1 0 0 01 8 6 01 0 6 5 0 7 2 0 0 熔点( ) 2 0 5 02 2 2 03 7 0 0 4 0 0 0 3 2 2 7 热导率x ( w m k ) 6 2 4 1 3 8 1 4 6 7 9 6 比热c ( j 屈k ) 0 7 5 40 5 8 60 5 0 20 6 7 热扩数搴a ( c m 2 s ) 0 。0 4 0 1 2 60 7 8 o 8 30 。3 4 3 空气中静热稳定髋( ) 1 2 0 01 3 0 0 1 4 0 07 0 0 8 6 0 1 5 0 0 1 1 2 超磺磨料砂轮的分类及特点 由超硬磨料制成的砂轮统称为超硬蘑料砂轮，一般情况下是按照萁绪合帮进行分 类，主要分为树脂结合剂、金属结合刘、陶瓷结合剡和电镀超硬磨料砂轮。 由于越硬磨科鼹有许多普通磨籽无法比拟静优点，困魏，甭超硬磨料镣g 成的砂轮具 有许多不同于普通磨料砂轮的特性，超硬磨料砂轮的特点和磨削特性如下： 牛伟光：超硬磨料砂轮的激光修锐试验研究 ( 1 ) 磨料硬度高。超硬磨料的硬度远高于普通磨料，约为普通磨料硬度的3 5 倍。 因此超硬磨料砂轮可以磨削加工各种高硬度的材料。金刚石砂轮适用于磨削加工硬而脆 的材料。c b n 砂轮不仅适用于磨削硬度高的材料，而且可以有效的磨削韧性大、高温强 度高、热导率低的材料。 ( 2 ) 磨料的耐磨性好，砂轮磨损少。因此，超硬磨料砂轮磨削比高，使用周期长。 在磨削过程中，超硬磨料砂轮的形状和尺寸的保持性好，可大大减少砂轮的更换次数， 节约工时，适用于高精度零件的磨削和自动化生产线。 ( 3 ) 超硬磨料切削能力强，能够长时间保持锋利的切刃。因此磨削力小，消耗的 功率少，产生热量少。 ( 4 ) 超硬磨料的导热性和热扩散性好。因此，超硬磨料砂轮的磨削温度低，可避 免被加工零件产生烧伤、裂纹、组织变化等缺陷【2 ，3 j 。 1 1 3 超硬磨料砂轮的应用 由于金刚石具有极高硬度和耐磨性，所以金刚石磨料主要应用于非金属硬脆材料、 非铁族金属及合金材料的磨削。目前，硬质合金制品及一些特殊刀具材料已普遍采用金 刚石磨具加工。金刚石磨具是磨削硬质合金、陶瓷、光学玻璃、宝石等硬脆材料的最佳 磨具。 c b n 比金刚石热稳定性好，且不与铁族材料发生化学反应，热导率高，能将磨削热 迅速导出，防止工件烧伤与变形。磨削钢料时的切除率高，磨削比大，砂轮寿命长，适 于磨削淬硬钢、耐热台金和高硬度、高韧性的金属材料。由于金刚石和c b n 磨料在加 工材料适用方面的互补性，使由它们所构成的磨具可加工范围覆盖了各种高硬、高脆、 高强韧性材料i 。 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。精密和超精密磨削多使用金刚石或立方氮化硼微粉，随着金属 结合剂超硬磨料微粉磨具和在线电解修整技术的开发，使超精密镜面磨削技术日臻成 熟。高速高效磨削是近年来迅猛发展的一项先进制造技术，具有高磨削效率，磨削力小 的特点，磨削速度一般在1 0 0 2 0 0 m s ，所以对砂轮性能要求很高，应用的砂轮主要是 金属和陶瓷结合剂超硬磨料砂轮，直径2 5 0 m m 的陶瓷结合剂c b n 砂轮试验速度已经达 到3 0 0 m s ，单层电镀c b n 砂轮应用速度达到2 5 0 m s ，试验速度已经达到3 4 0 m s 。在成 形磨削和磨削自动化应用中，充分发挥了超硬磨料砂轮的耐磨性，切削能力强的特点。 超硬磨料磨具已经成为磨削技术发展的基础j 。 大连理工大学硕士学位论文 超硬磨料砂轮的应用领域很广，几乎渗透到各个工业部门，模具制造业，机器制造 业，航空和宇航业，轴承制造业，汽车制造业，半导体制造业等。目前，轴承、齿轮、 刀具、电磁阀、曲轴、凸轮轴、滚珠丝杠、压力刚体、油嘴油泵、压缩机、叶片泵、陶 瓷密封件以及航空发动机涡轮叶片，硅片等都采用超硬磨料砂轮磨削【7 ”】。 1 2 超硬磨料砂轮的修整方法 在磨削过程中，由于磨削力和磨削区域高温、粘附等作用，砂轮工作表面的磨粒会 逐渐钝化；同时，砂轮工作表面的磨粒会因不均匀磨损而失去正确的原始几何形状。因 此，砂轮需要定期修整。超硬磨料砂轮的修整分为整形和修锐两个工序，整形是对砂轮 进行微量的切削，使砂轮达到要求的几何精度，并使磨料尖端细微破碎，形成锋利的磨 削刃。修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒问有一定的容屑空间，并使磨粒突出于结合 剂之外，形成切削刃。虽然超硬磨料砂轮的抗磨损能力强，不需要经常修整，但是磨钝 后，修整比较困难。 传统的修整方法主要有：单点或多点金刚石笔车削法，普通砂轮磨削法，金刚石滚 轮修整法等1 1 ”。这些传统的方法能够对超硬磨料砂轮进行修整，并且各自有一定的优点， 但普遍存在效率低，修整精度低的缺点。用金刚石砂轮作为修整轮时，修整精度比较高， 但是被修整的砂轮磨削能力差，且修整工具成本比较高。 为了解决传统方法的缺点，日本东北大学的庄司克雄教授提出了g c 杯型砂轮修整 方法( 图1 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 粒和结合剂桥的冲击以及研磨作用产生修整效果。脱落下来的磨粒越大，修整效率越高， 而金刚石砂轮表面越粗糙i “l 。由于依靠从g c 杯形砂轮上脱落磨料与金刚石砂轮的研磨 作用，因此对密实型金刚石砂轮修整时，既可整形，也可同时修锐，但修整工具耗损严 重。 盘刚石社蛇 图1 1g c 杯形砂轮修整器示意图 f i g 1 - 1d e v i c ef o rg cc u pw h e e ld r e s s i n ga n dt r u i n g 牛伟光：超硬癫料砂轮的激光修锐试验研究 渍华大学熬王先逵教授提出了软弹性修整方法( 圈1 2 ) ，修整缀理是竣修熬飘妙轮 戳较高速度麓转，两卷带轮戳较懂静速度旋转，带动沙带缓慢移麓，在工作时，始终有 新沙带进入磨削区，对砂轮进行修整。邋种方法保持了修整工具始终锋利，有趣好的容 瞒空间，所阻提高了修整效率和修整效粜 1 6 , 1 7 1 。 0 2 l 搬渤骆 蠛撤装置 1 ) 工作台：2 ) 沙带驱动轮；3 ) 沙带；4 ) 接触轮；5 ) 砂轮主轴；6 ) 磨削液喷嘴；7 ) 支架：8 ) 沙带滚轮 垂1 。2 软舞缝修整装置簿嚣 f i g 1 2s c h e m a t i cs k e t c ho ft h ed e v i c ef o rs o f t - e l a s t i cd r e s s i n g 其它方法述有游离磨料修锐法、喷射修整法和超声波修整法等铸。游离磨料修锐法 怒剿露压力将缀碳毒 二硅或卷粥玉瘗褥注黪溺砂轮窝骖熬轮之闽，游疑蘑料在被黪熬轮窝 修整轮之阍滚轧，使砂轮的磨粒露出结合荆，形成切削刃。喷射法怒用气体或液体为介 质混以游离磨料，以一定的压力和角度喷向超硬磨料砂轮表面，击除较软的结合荆露出 壤料，达到修锐的目的。超声波修整法是将超声振动修整装置调整到谐振状态，按一定 频率移振疆佟越菝缓自菝动。萼冬滢潼蜜耱注入鬟修锐器与砂轮之溺，髑焉穆整元件传递 的能量和主动颤振，使游离磨粒直接撞击砂轮表面，对结合剂进行髓削去除，使超硬磨 粒凸出砂轮表筒，获得较好的修整效果 1 8 , 1 9 j 。 对于金属缝合裁超疆瘗料砂轮，逐发展了彀火花修整法鞠在线电您修整法 ( e l e c t r o l y t i ci np r o c e s sd r e s s i n g 简称e l i d ) l 迥2 “。曦火花修整法怒稠用金雕石砂轮和 工具电极之间产生脉冲火花放电的电腐蚀现象来蚀除企刚石砂轮的金属结合剂，达到整 形和修锐的目的。电火花修憋精度高，效槊好，但是辩要专用设备，成本比较高。e l i d 方法是在电投瑟砂轮之闫遗入宅鳃滚，绥砂轮表瑟豹金耩结合裁彩残氧讫蔟，程壤熬过 程中去除结合涮氧化膜，褥出磨粒，是砂轮表面达到一个动态稳定的磨肖0 表面( 如图 丈迤瑾工大学矮学位论文 1 3 ) 。这羊率方法谴瓣削过程稳定，节省磨料，适用于精密磨削，但是它只适用修锐，不 能懿形。 电刷 ( a ) 博整后砂轮状旗cb ) 电解话锐_ 拜始( c ) 电解惨啦詹 圉蕊园 叠一函一商 l 飘j d 循环l 氧豫鹱 ( e ) 磨自后( d 磨削开始 图1 3e l i d 修整装置及修整原理 f i g 。1 3 d e v i c e f o r e l i d a n d m e c h a n i s m o f e l l d 综上所述，虽然修整超硬磨料砂轮的方法很多，但是都存在这榉或者那样的缺点， 不畿很好满足超硬瓣辩砂轮的修整袋求，所以需要不断研究和开发超硬磨料砂轮修艇技 术。 将激光灏工技术引入到修整颁域，无疑会给超硬磨料砂轮修整中存在的赫题带采新的 解决办法。激光修整方法作为一种 接触修熬方法，避开力的作用和硬接触，基于热的熔 化茅口气亿秘疆，是一种穰有前途的掺整方法。 激光修憋砂轮的优点：( 1 ) 作用范围小，可以节省砂轮材料。( 2 ) 修整过程中没有 极猿力，砂轮酌几何精度麓够缀静静傈持。( 3 ) 修整过程中，竣肖工其瀚蘑损，燕复 精度高。( 4 ) 激光没备可以安装在方便的位置，激光束可以用光学设备传输到砂轮表 瑟。( 5 ) 对繇境魄较友好。 1 3 激光修整砂轮的研究现状 8 0 年代末期，n r a m e s hb a b u 和v r a d h a k r i s h n a n 开始尝试用激光修锐砂轮，采 用n d ：y a g 激光对a 1 2 0 3 磨糠、s i c 磨粒和s i 0 2 结合剂分别进行照射，对激光作用结果 进行了分析。随后用n d ：y a g 激光器对陶瓷结合莉飘化铝砂轮进行了修锐实验，研究了 在于摩条件下，激光能量密度和进绘速度对修锐后砂轮的磨削性能的影响，并且把激光 修锐舶砂轮和金酮石笔修锐的砂轮的磨割毪能进行了t t 较，还研究了在湿黪的条件下， 激光修锐进给率对砂轮磨削性能的影响，并且建立了激光修锐a 1 2 0 3 砂轮表面凹坑的模 犁1 2 2 - 2 5 。 串伟光：超硬燎料砂轮的激光修锐试验研究 m 。j 。j a c k s o n 积g 。m 。r o b i n s o n 等人雳连续n d ：y a g 激光器对陶瓷结合剡袋纯铝砂 轮送幸亍了修锐实验，实验结渠证明：激光修锐在不降低结合剂把持作嗣静情强下，可越 通过微破坏使磨粒产生多刃，使砂轮的磨削性能得到提高【”j 。 康仁科等在激光修熬超硬磨料砂轮方面做了大羹的工作，他们对激光作用下砂轮表 嚣金属窝褥裁结台裁褪餐豹去稼掇瑗遴露了分辑，建立了激光骖锐逛疆砂轮瑟寸结合赛l 去 除模型。他们还利用n d ：y a g 固体脉冲激光器进行了修锐青铜结合剂和树脂缭合剂超硬 磨料砂轮的试验，证明采用合适的激光参数可选择性地去除砂轮表面的结合剂材料，而 不损伤超疆壤粒，激光骖熬的金嚣石砂轮具有良好的磨削性能1 2 7 , 2 8 1 。 潮南大学的研究者采掰声光调q n d ：y a g 躲渖激光对褥嚣巍念藩结合裁怒磺蘑精砂 轮进行了修锐实验，并与传统机械修锐和连续激光修锐的砂轮邀行了比较。理论分析了 声光调q n d ：y a g 脉冲激光修锐超硬媵料砂轮的机理，总结了工艺参数对修锐效果的影 晦特点秘瓣缮，著且徽了数蓬摸攒磅究，还尝试了激竞整形系绕豹骚究泌3 3 l 。 上海交通大学的研究者用y a g 激光对普通树腊结合齐b 砂轮进行了修锐实验和理论 计算，使用激光三维扫描方法考察了砂轮修锐前后磨粒突出高度及有效磨粒数等变化特 征。著且用二氧化碳激光器对超硬磨料砂轮进行了修锐试验，对激光热影区的深宽比进 行了分辑 甜+ 明。 大连瑷工大学的研究者利用y a g 激光，采用建模与试验的方法研究了入射角、临 界角对激光修整圆柱形c b n 砂轮的影响1 3 。 左敦稳等雳二氧纯碳激光器对搪艨结台裁金剐石移轮送行了修锐实验，疆筑了激光 脉冲频率和占空比等参数辩修锐结巢盼影响。通过使用铝工件帮砂轮片的鞠对刻划试 验，分析刻划时的切向力与法向力之比，对修锐效果进行了定量评价1 3 ”。 c z h a n g 。y c s h i n 采用激光辅助修整砂轮的方法，对陶瓷缩合剂c b n 砂轮进行了 修影、掺锐实验，：莠羹遴行了密麓实豫熬分撰，谖爨激光疆萌掺熬法逡摹楚豹穰攘骛整 法效率更高，刀具磨损率筵小，修整效果一致性好1 4 0 , 4 1 j 。 从上面的论述可以稽出，大量的研究工作主要集中在激光修锐机理和修锐参数对修 锐效果的影璃援律上露，在理论计算激光修锐阙氆孵，把激光热热过程麓化成了一维热 传导过程。缎少a 研究俊遽，高效的选择激光修锐参数的方法鞠激光修锐效率阔题，_ | 三l 及把更接：i 黩实际情况的三维热传导应用到修锐阈值的计算上。 1 4 研究内容 针对以上游题，本文进行以下海容的研究： 大连理f 火学硕士学位论文 ( 1 ) 建立计算激光修锐阕值的三维不稳定热传导模型，经过差分离散化处理后， 进行编程运算，求解出单脉冲激光作用下树脂结合剂和金属结合剂的去除闽值，金刚石 磨料和立方氮化硼磨料的损伤阂值，为选择合适的激光参数提供依据，即选择性去除结 合剂而不损伤磨料的激光参数。 ( 2 ) 脉冲激光修锐是通过单个脉冲烧蚀凹坑依次排列或部分重叠而得到的良好的 地形地貌，所以单脉冲烧蚀形成的凹坑大d 、；f r l 深度，对修锐效果起重要作用。为此，研 究脉宽、偏焦量和功率对单脉冲烧蚀凹坑尺寸的影响规律，从传热学和能量分布的方面 对试验结果进行分析，为提高修锐效率和优化修锐参数打好基础。 ( 3 ) 进行单脉冲烧蚀凹坑的重叠系数试验，选择出合适的重叠系数，使修锐效果 均匀。然后进行激光单行程扫描试验，找出合适参数进行大面积修锐试验。 ( 4 ) 在单脉冲烧蚀凹坑，凹坑重叠系数和单行程扫描试验研究的基础上，合理选 择激光参数和工艺参数修锐超硬磨料砂轮，采用扫描电镜( s e m ) 观察扫描后砂轮的表 面形貌，采用测力仪测量修锐前后砂轮的磨削力，验证修锐效果。 牛伟光：超硬磨料砂轮的激光修锐试验研究 2 激光修锐的基本原理 2 1 激光与材料的相互作用 激光的特点是：单色性、相干性、方向性、能量密度的高度集中性。激光束和其它 光束一样，也可以通过透镜或金属反射镜加以聚焦，由于发散角小，激光经聚焦后可以 将激光的巨大能量聚焦到直径为光波波长量级的光斑内，形成极高的能量密度，可达到 1 0 5 1 0 1 3 w c m 2 的功率密度。激光加工主要利用激光的能量的高度集中性。 激光入射到材料表面，一部分被反射，部分被材料吸收，另一部分通过材料透射。 用表示入射到材料表面的激光能量，e r 表示被材料表面反射的激光能量，表示被 材料表面吸收的能量，研表示透过材料的激光能量，则由能量守恒定律有 e o = e r + e + e r ( 2 1 ) 上式可改写为 fff 1 = = 旦+ 丝+ 兰= r + 4 + t ( 2 2 ) e oe oe o 式中尺为反射系数，爿为吸收系数，r 为透系数。 对于不透明材料，透射光也被吸收，即t = 0 ，则有 1 ：r + a( 2 3 ) 材料所吸收的激光能够向材料内部深入。按朗伯定律，随深入路程的增加，激光强 度按指数规律衰减，深入表面以下z 处的光强为： ，( z ) = i o e “。 ( 2 4 ) 如为材料表面( z = o ) 处的透射光强，爿为吸收系数，如果把激光在材料内的穿透深 度定义为光强降至，0 e 时的深度，则穿透深度为爿。 不同材料对于不同波长的光波的吸收和反射有很大的差别。金属对激光的吸收与波 长、材料特性、温度、金属表面状况等因素有关。由于金属中存在密度很大的自由电子， 光子能量较低的红外光照射金属时，主要对金属中的自由电子起作用，所以反射强烈。 光洁表面金属在室温下对红外激光的吸收比很小，约为5 3 0 。当温度升高到接近 熔点时，吸收比达到4 0 5 0 ，当温度接近沸点时，吸收比高达9 0 。金属表面状况 对可见光吸收比的影响很小，但对激光的吸收比有显著的影响。 非金属与金属不同，其结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。绝缘体和半 导体在不受激发时仅存在束缚电子，束缚电子具有一定的固有频率。当入射光波频率在 其束缚电子频率附近时，吸收比最高。 大连理j ：火学硕士学位论文 激光照射材料表面时，激光能量被材料表层所吸收，并转化为热。材料的加热过程 是光能转变为热能的过程。在不同的功率密度下，材料表面区域发生各种不同的变化。 这种变化包括温度升高、熔化、气化、形成小孔和等离子体f 图2 1 ) e 4 “。 尴善 ( a ) 固态加热( b ) 表层熔化( c ) 表层熔化，形成增强吸收等离子云( d ) 形成小孔及等离子体云 图2 1 材料在激光作用下的不同的状态变化 f i g 2 1s t a t et r a n s f o r m i n go fm a t e r i a l sa tl a s e ri r r a d i a t i o n 2 2 激光修整砂轮的原理 2 2 1 激光修整砂轮的依据 激光修整砂轮时，激光对砂轮表面材料的作用过程与一般激光加工类似，也经过材 料吸收激光光能，光能转变为热能使材料加热，材料通过气化和熔融溅出被去除或者破 坏等几个阶段。 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，超硬磨料对激光吸收率很低，一般在0 1 - - 0 3 ， 虽然大多数金属激光反射率比较高，但是吸收率会随着温度的升高而升高，树脂的激光 吸收率达到0 9 以上，所以大部分激光能量被结合剂吸收。而且超硬磨料与结合剂材料 的物理性能相差较大( 表2 1 ) ，超硬磨料的热导率和热扩散率远高于结合剂材料，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1 - - 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。 牛伟光：超硬磨料砂轮的激光修锐试验研究 2 2 2 激光修锐时结合剂去除过程 激光修锐的原理是利用磨料和结合剂之间的热物性差异，选择性的去除结合剂。利 用激光修锐砂轮装置分别对树脂结合剂和金属结合剂砂轮表面进行单个脉冲激光照射。 通过显微镜观察可以发现，经单个脉冲激光作用后，砂轮表面上光斑作用处的结合剂材 料被去除，形成一个微小的凹坑，磨粒暴露出来( 图2 2 ) 。说明利用砂轮结合剂和磨 粒之间物理性能的差异，选择的合适的激光参数修锐超硬磨料砂轮时，可以选择性地去 除结合剂材料。 ( 1 ) 树脂结合剂的去除过程 当激光脉冲作用在树脂结合剂超硬磨料砂轮表面时，由于树脂结合剂是高分子物 质，没有固定熔点，只有软化或者熔融范围，受热后变软并逐渐熔化，一般温度达到3 5 0 树脂结合剂发生碳化分解。它对激光的吸收率远大于金刚石磨料与立方氮化硼磨料， 所以在激光作用下树脂结合剂在极短时间内，将吸收的激光能量转化为热能，使自身温 度迅速升高，树脂结合剂表面的局部温度远远超过其分解温度，树脂材料以气化形式被 去除，在砂轮表面形成凹坑，而且凹坑周围无熔融的痕迹( 如图2 2 a ) 。 ( 2 ) 青铜结合剂的去除过程 当激光脉冲作用在青铜结合剂超硬磨料砂轮表面时，青铜对激光的吸收率大于超硬 磨料，而青铜的热导率和热扩散率远小于超硬磨料。所以，青铜比超硬磨料吸收更多的 大连理。r 大学硕士学位论文 激光能量，其温升也远高于超硬磨料。对于青铜结合剂而言，有固定的熔点和蒸发点。 当激光功率密度较小时，青铜结合剂只产生熔化，只有少量金属飞溅。当提高激光的功 率密度，金属结合剂首先熔化，由于熔化的金属对激光的吸收率增大，使金属温度进一 步升高，达到蒸发温度，继而出现气相，金属蒸汽以极高的压力携带液相金属一起喷出。 随着功率密度的进一步提高，金属气化的比重越来越高，去除的区域越来越大。在实验 中应用同轴辅助气体，熔化的金属就可以去除，所以以熔化去除为主。激光作用停止后， 部分溅出的液相金属形成再结晶的球状物附着在砂轮表面，熔化而未溅出的液相金属在 凹坑周围再度结晶( 如图2 2 b ) 。 ( a ) 单脉冲激光烧蚀树脂结合剂砂轮 ( b ) 单脉冲激光烧蚀脂金属结合剂砂轮 图2 2 单脉冲烧蚀凹坑 f i g 2 2c r a t e ra b l a t e db ys i n g l ep u l s el a s e r 2 3 激光修锐过程中的热传导计算 2 3 1 激光修锐过程中的热传导计算的概述 激光修锐砂轮的过程是一个复杂的过程，需要调节大量的激光参数和工艺参数。一 组优化修锐参数只能对应一种具体的砂轮，而获得一组优化修锐参数就需要做大量的实 验。为了减少实验次数，我们可以通过热传导过程的数值计算，对修锐阈值进行预测， 达到简化修锐参数选择的目的。 2 3 2 砂轮修锐模型的建立 为了适用热传导方程，需要对结合剂和磨料的性质做一些假设。 ( 1 ) 结合剂性质的假设 忽略结合剂中的气泡和杂质，把结合剂看作各向同性的均质材料：物性量为常数。 ( 2 ) 磨料性质的假设 牛讳光：超硬蘑辩砂轮的激光修锐试验硬究 忽略磨料中姻杂质，把黪料著作各向弼瞧的匀质材料，单颗磨歉的形状假设为立方 体；裼往量为常数。 激光修锐过程表现出复杂、快速、多维、多参数的特点，为了熊够计算激光对材料 的影响程度，需要对传热过程作一些假设。 ( 1 ) 激光纛妻嚣蒜在耪矮表嚣，蠹绞照射在嚣掭涎域匏中心： ( 2 ) 激光柬能量均匀分布在光斑内。因为实验所粥激光器为y a g 激光器，产生的 激光模式为模，近似于均匀分布i ( 3 ) 材料气亿后赜射，喷射鲍材料不影响激光辐射能量的传输； ( 4 ) 光辍瓣和对滚热损失为零； ( 5 ) 位于气化点以上的材料上的各位置点仍然保持高温传导的性质。 2 3 3 热传导过程的有限差分计算 蠲解辑法求瓣激毙燕工瓣瀣度瑟，哥菝绘毫缀多蠢掰稳定往缩聚分辑，毽是绽往难 于进行准确的计算。这一方黼是因为实际工件的几何形状和边界条件复杂，也由于存在 很多非线性因素。面对这些问题，随着计算机的发展，融经将一种有效的数学工舆 鸯羧差分方法嫩蠲至l 涅度场瓣计算。它戆骞效的处理务零争复杂的边努条 孛和菲线性淘 题，得到 较稳确的数值解。 考虑到计算篷和实际情况，选择划分均匀网格。均匀网格的有限差分法计算漱度场 的基本思想：一个复杂物体w 以视为许多尺寸较小的六荫体的集合，若被分解的六面体 尺寸是够枣，粼甄可寥较滚豢遥模援兹转瓣曩露缮获，又链穗节点楚黥涅度程为第点辫 近材料温度的平均值；当组成物体的各体元的温度不相等或物体与外界产生热交换时， 每个节点在巢一时间间隔内的温度变化，可以视为怒该时间间隔内通过该节点所对应 体元麴六个表藏流入( 或滚懑) 戆热量弓 越麴变化；鲫浆已经知道初始时刻物体的瀑度 分撵，并且知遂从这一时亥开始物体与外界的热交换状况，下一时捌彩体杰部静溢度分 布则可以通过对每一微六面体节点温度变化的研究表示出来。因此，只要能够准确计算 相邻两个时刻微六面体的温度变化，则能够通过设置适当的时间步长，跟踪计算任意给 怒拜雩麴壤薅肉爨熬澄度分布。 大连理工大学硕士学位论文 z 图2 3 节点示意图 f i g 2 3s k e t c ho f n o d e 如图为一复杂形状物体近似为若干六面体组合的示意图，物体经分割后有多种形式 不同的节点。节点周围不出现“空缺六面体”的节点称为内部节点，其余节点为外部节 点。外部形式的节点有多种，图2 3 表示出五种不同的外部节点。当物体为实心长方体 时，外部节点只有三种形式，它们是顶角节点、棱边节点、及表面节点。在实际计算节 点的温度时，每一节点温度代表的是以该节点为中心的六面几何体与实际物体相交部分 的物质的平均温度。若网格划分后每个微六面体的体积为a v ，只有内部节点对应的物 质体积为一个完整六面体体积，其余节点对应的物质体积可以从a v 8 到7 a v 8 之间变 化，变化量为a v 8 。例如，顶角节点、棱边节点及表面节点对应物质的体积分别是 a v 8 、a v 4 、a v 2 【4 3 】。 ， 由于节点只不过是物体的一个特殊部位，其温度的变化仍然遵循热传导及热交换的 下述定律1 4 4 】： ( 1 ) 热传导定律傅立叶定律 q d = 一a g r a d t ( 2