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激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 摘要 金刚石或立方氮化硼( c b n ) 砂轮统称为超硬磨料砂轮。超硬磨料砂轮具有异 常优异的磨削性能，但因其修整困难，限制了其优异性能的发挥。超硬磨料砂轮 的修整已成为国内外研究的热点同时也是迄今未解决的难点。基于材料与激光相 互作用热效应的激光修整是一种新的修整方法，具有适应性广、能实现选择性去 除等优点，是一种非常有前景的修整方法，但仍有许多难点亟待解决。本文以超 硬磨料砂轮为实验对象，以声光调q n d ：y a g 脉冲激光为修整“刀具”，对激光修 整超硬磨料砂轮技术相关问题进行了研究。 首先，详细地叙述了现有声光调q n d ：y a g 激光修整系统的原理、组成及特 点，深入地分析了该系统存在的不足，提出了对该系统进行改进的方法和措施。 其次，采用光谱分析法对激光修整青铜金刚石砂轮产生的等离子体进行了分 析，包括：选取了用于等离子体温度、电子密度计算的特征谱线；研究了激光参 数( 平均功率、脉冲频率) 对等离子体强度的影响；计算了常用修整参数下等离 子体温度、电子密度及等离子体逆韧致吸收系数，并进行了分析。 最后，对激光一机械复合修整超硬磨料砂轮新方法进行了深入的研究，包括： ( 1 ) 设计了激光机械复合修整超硬磨料砂轮的工艺流程为：激光机械复合粗修、 机械法精修、激光修锐、激光精修四道工序；( 2 ) 在合理的假设条件下对青铜结合 剂的去除过程进行了多脉冲有限元仿真，找出了采用本实验用激光器对青铜金刚 石砂轮进行激光机械复合粗修工序的最佳激光参数( 激光功率密度、离焦量) 以 及确定了激光机械复合粗修工序砂轮圆跳动所能达到的范围为1 0 0 15 0 9 m ；( 3 ) 选择仿真实验得到的参数，对刚烧结成型的青铜金刚石砂轮进行了激光机械复合 修整实验，从修整精度、砂轮表面形貌、修整后砂轮磨削性能三个方面对激光 机械复合修整和单一机械法修整进行了比较，结果显示：激光机械复合修整是一 种有效的修整方法；( 4 ) 对激光机械复合修整实验过程进行了分析，找出了不足 之处并提出了解决的措施。 关键词：激光修整系统；光谱分析；等离子体：激光一机械复合修整：超硬磨料砂 轮；多脉冲仿真 硕士学位论文 a b s t r a c t 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 si n c l u d i n gt h eb r o n z e b o n dd i a m o n dw h e e l a n dt h ec b ng r i n d i n gw h e e lp o s s e s sa b n o r m a le 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 h o w e v e r ，t h et r u i n ga n dd r e s s i n gp r o c e s so fs 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 y d i f f i c u l t ，w h i c hr e a l l y a f f e c t st h ef u l le x e r t i o no ft h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c eo f s 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 s of a 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 fs u p e r - a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e lh a sb e c a m eaf o c u so fr e s e a r c ha sw e l la s o n eo ft h eu n c o m p l e t e l ys o l v e dp r o b l e m l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gi sab r a n dn e w m e t h o du p o nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es t u f fa n dl a s e rw h i c hh a sw i d ea d a p t a b i l i t y a n dc a na c h i e v es e l e c t i v er e m o v a l l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n g ，t h u s ，i sav e r yp r o m i s i n g m e a n s ，b u tt h e r ea r es t i l l al o to fd i f f i c u l tp r o b l e m st os o l v e t h i sp a p e rl o o k s s u p e r - a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e la n dn d ：y a gp u l s e dl a s e ra st h ee x p e r i m e n to b j e c ta n d t h ed r e s s i n gt o o lr e s p e c t i v e l yt o s t u d yt h er e l a t e dp r o b l e m so fl a s e rt r u i n ga n d d r e s s i n g f i r s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l e ，c o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e e x i s t i n gl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gs y s t e mi nd e t a i la sw e l la si ta n a l y s e st h ed e f e c t so f t h i ss y s t e md e e p l y ，t h i sp a p e r ，f u r t h e r m o r e ，p u t sf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa n d m e a s u r e sf o rt h ee x i s t i n gl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gs y s t e m t h e n ，t h ep l a m ao fl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gi ss t u d i e dt h r o u g hs p e c t r a la n a l y s i s f r o mt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ：p r i m a r i l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c ss p e c t r u ml i n e su s e d f o rs u b s e q u e n tc a l c u l a t i o na r es e l e c t e d ；s e c o n d l y ，t h es t r e n g t ho fp l a s m ae f f e c t e db y l a s e rp a r a m e t e r si n c l u d i n ga v e r a g ep o w e ra n dp u l s ef r e q u e n c yi sd i s c u s s e d ；t h i r d l y , t h ep l a s m at e m p e r a t u r e ，e l e c t r o n i cd e n s i t ya n da b s o r p t i o nf a c t o ro fp l a s m aw i t h c o m m o nt r u i n ga n dd r e s s i n gp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rd e e p l ya n a l y s e san o v e lm e t h o dc a l l e dl a s e ra n dm e c h a n i c a l c o m p o u n dt r u i n ga n dd r e s s i n gf o rf o u rp a r t s f i r s t l y ，t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fl a s e r a n dm e c h a n i c a lc o m p o u n dt r u i n ga n dd r e s s i n gi s p l a n e di n c l u d i n g l a s e ra n d m e c h a n i c a lc o m p o u n dr o u g ht r u i n g ，m e c h a n i c a lp r e c i s et r u i n g ，l a s e rd r e s s i n ga n d l a s e rp r e c i s et r u i n g t h e n ，m u l t i p l e p u l s ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nh a s b e e nd o n e t oo p t i m i z el a s e rp a r a m e t e r si n c l u d i n gl a s e rp o w e rd e n s i t ya n dd e f o c u s i n g a m o u n t d u r i n gl a s e ra n dm e c h a n i c a lc o m p o u n dr o u g ht r u i n ga n dr e a c hac e r t a i nr a n g e f r o m10 0 u mt o15 0 u mo f g r i n d i n gw h e e l sc i r c u l a rr u n o u t a f t e r l a s e ra n d i i i 激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 m e c h a n i c a lc o m p o u n dr o u g ht r u i n g t h i r d l y ，t h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，l a s e r p a r a m e t e r so fl a s e rr o u g ht r u i n gh a v eb e e ns e l e c t e d t h e n ，l a s e ra n dm e c h a n i c a l c o m p o u n dt r u i n ga n dd r e s s i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ef o rb r o n z e b o n d e d d i a m o n dg r i n d i n gw h e e lw h i c hi sj u s td i ec a s t i n gm o l d i n g r e s u l t ss h o wt h a ti f c h o o s i n ga p p r o p r i a t et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，l a s e ra n dm e c h a n i c a lc o m p o u n d t r u i n ga n dd r e s s i n gi sa ne f f e c t i v em e t h o d l a s e ra n dm e c h a n i c a lc o m p o u n d t r u i n ga n dd r e s s i n ga n dm e c h a n i c a lm e t h o da r ec o m p a r e dt h r o u g ht h et r u i n ga n d d r e s s i n gp r e c i s i o n ，g r i n d i n g w h e e ls u r f a c e m o r p h o l o g y a n dw h e e l g r i n d i n g p e r f o r m a n c e a f t e r t r u i n g a n d d r e s s i n g f i n a l l y , t h es h o r t c o m i n g so fl a s e ra n d m e c h a n i c a l c o m p o u n dt r u i n g a n d d r e s s i n ge x p e r i m e n t s a r es o l v e d t h r o u g h d e t a i l e d l ya n a l y s i n gt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s so fl a s e ra n dm e c h a n i c a lc o m p o u n d t r u i n ga n dd r e s s i n g k e yw o r d s ：l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gs y s t e m ；s p e c t r a la n a l y s i s ；p l a s m a ；l a s e ra n d m e c h a n i c a l c o m p o u n dt r u i n g a n d d 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 s ； m u l t i p u l s es i m u l a t i o n i v 硕士学位论文 插图索引 图1 1 磨料k n o o p 硬度比较一l 图1 2 磨料热导率比较l 图1 3 激光烧蚀过程框图2 图1 4n d ：y a g 激光通过光纤传输进行焊接加工4 图1 5 激光修整等离子体7 图1 6 图1 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 图2 图2 图2 聚焦透镜7 包含p s d 高精度位移传感器的控制电路原理图一7 声光调q n d ：y a g 激光修整系统原理图一1 0 声光调q n d ：y a g 激光修整系统实物图1 0 声光调q n d ：y a g 激光器实物图1 1 不同泵浦电流强度下的激光单脉冲波形图( f = 5 k h z ) 1 3 激光平均功率与泵浦电流强度关系曲线1 3 声光调q 开关一1 4 声光调q 电源一1 4 图2 8 距离输出镜面不同处的光束光斑( f 1 5 a ，= 5 k h z ) 1 4 图2 9 外光路传输部分l5 图2 1 0 激光三角测量原理图1 6 图2 1l 控制单元工作流程图1 7 图2 1 2 包含p s d 位置传感器的模拟电路控制单元一1 8 图2 1 3 包含c c d 高精度位置传感器的数值电路控制单元1 9 图3 1 实验装置一2 2 图3 2 光谱仪和c c d 一2 4 图3 3 数控电动位移台2 4 图3 4 背景光谱2 5 图3 5 光谱信号2 5 图3 6 谱线强度随电流大小的变化情况2 6 图3 7 光谱信号2 6 图3 8 谱线强度随脉冲频率的变化情况2 7 图3 9 光谱信号2 7 图3 1 0 光谱信号一2 8 图3 11 等离子体温度一2 9 v i l 激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 图3 1 2l o r e n t z 波形拟合曲线一3 0 图3 1 3 光谱线性及l o r e n t z 波形拟合曲线( f - 1 8 a ，户5 k h z ) 3 0 图4 1 声光调q 脉冲激光序列3 4 图4 2 激光能量随半径和轴向距离的变化( 仁1 6 6 1 0 7 w c m 2 ) 3 6 图4 3 有限元几何模型一3 7 图4 4 有限元仿真结果图4 2 图4 5 模拟计算流程图4 2 图4 6 激光修整过程简易视图4 3 图4 7 低点去除量( ( a ) 圆跳动= 1 0 0 1 a m ；( b ) 圆跳动= 2 0 0 9 m ；( c ) 圆跳动= 3 0 0 1 a m ； ( d ) 圆跳动= 4 0 0 9 m ) 一4 4 图4 8 圆跳动减少量( ( a ) 圆跳动= 1 0 0 1 a m ；( b ) 圆跳动= 2 0 0 9 m ；( c ) 圆跳动= 3 0 0 1 a m ； ( d ) 圆跳动= 4 0 0 9 m ) 4 4 图5 1 金刚石立体结构4 7 图5 2 金刚石晶胞空间结构示意图4 7 图5 3 金刚石磨粒与磨后粗糙度关系4 7 图5 4 青铜金刚石砂轮尺寸示意图4 7 图5 5 青铜金刚石砂轮4 8 图5 6 激光机械复合修整系统原理图4 8 图5 7m g s 2 5 0 a h 型平面磨床4 9 图5 8 基恩士c c d 激光三角测量仪一4 9 图5 9 刚烧结成型的青铜金刚石砂轮圆跳动5 0 图5 1 0 刚烧结成型的青铜金刚石砂轮表面形貌5 1 图5 1 l 砂轮表面形貌51 图5 1 2 砂轮的圆跳动5 1 图5 1 3 激光粗修一段时间后砂轮的圆跳动5 2 图5 1 4 继续激光粗修一段时间后砂轮的圆跳动5 2 图5 1 5 经修整好的青铜金刚石砂轮一5 3 图5 1 6 砂轮表面形貌( 激光机械复合修整) 5 4 图5 1 7 砂轮表面形貌( 机械法修整) 一5 4 硕士学位论文 附表索引 表1 1 青铜结合剂主要成分室温下对特定波长下的吸收率4 表1 2y a g 激光器和c 0 2 激光器比较5 表1 3y a g 激光器和光纤激光器比较一6 表3 1s p e c t r a p r o 一2 3 5 6 主要技术指标一2 3 表3 2p i x i s ：4 0 0 f 主要技术指标2 3 表3 3 实验参数2 4 表3 4 实验参数2 4 表3 5c u i 4 6 5 1 1 和c u l 5 1 0 5 5 的相关原子常数2 9 表3 6 谱线的斯塔克加宽参量3 1 表4 1 青铜的主要热学性质3 5 表4 2 不同热源参数下有限元几何模型的大小3 7 表4 3y a g 激光的输出参数( f = 5 k h z ，d = 0 2 6 m m ) 3 7 表4 4 仿真实验参数及结果3 8 表5 4 激光粗修参数5 0 表5 5 激光修锐功率参数5 0 硕士学位论文 1 1 超硬磨料砂轮简介 第1 章绪论 作为磨削加工的“刀具”，砂轮是磨削加工的重要组成。砂轮通常由磨粒和 结合剂两部分构成：磨粒起切削作用，通常硬度较大；结合剂将无数磨粒粘结在 一起。其中磨粒为金刚石或立方氮化硼( c b n ) 的砂轮统称为超硬磨料砂轮。由于金 刚石和立方氮化硼磨料具有良好的力学、热学、光学、电学特性，超硬磨料砂轮 相比普通砂轮而言具有更优良的磨削性能( 图1 1 、1 2 n 各种磨料硬度及热导率比 较) ，因此超硬磨料砂轮广泛应用于高速高效磨削、精密和超精密磨削、成形磨削、 难加工材料磨削和磨削自动化等技术领域i l 2j 。 d _ 矗c 球馨 n 噶 图i i 磨料k n o o p 硬度比较 图1 2 磨料热导率比较 然而在实际运用当中，超硬磨料砂轮优秀的磨削性能却远远未能得到充分的 发挥，原因在于：砂轮在使用前和磨削磨损后，需要进行修整，但由于超硬磨粒 具有很高的硬度，使用传统的修整方法进行修整时，修整效果不佳。到目前为止， 超硬磨料砂轮修整困难的问题依然没有得到很好的解决。为了解决这一难题，国 内外许多学者将多种新的方法如：电火花修整、电解在线修锐( e l i d ) 等运用于超 硬磨料砂轮的修整方面p 曲j ，其中激光修整就是众多新方法中的一种。 1 2 激光修整超硬磨料砂轮简介 激光具有能量密度集中、相干性好等优点。激光修整作为一种新的修整方法， 是利用激光加工的注入速度快、能量密度和加工效率高、无工具的损耗、易于控 制、非接触等特点，通过激光辐照砂轮表面，使材料发生质量迁移( 即烧蚀) ，图 1 3 所示为高功率密度入射激光作用下材料烧蚀过程框图。理论上讲，激光修整可 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 两置“，邕蚺uc它鲁1 a 8 盟 激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 度达到一定的数值，可以同时将砂轮表面的磨粒和结合剂去除，通过控制修整的 工艺参数( 砂轮转速、轴向进给量等) ，使砂轮满足修整的精度要求，达到修整的 目的。另一方面结合剂材料与超硬磨料的物理性质相差较大( 理论计算表明，在 同样的激光参数和相同的时间作用下，使超硬磨料达到熔点的激光功率密度比使 结合剂达到熔点的激光功率密度高一个数量级) 。因此，通过控制激光功率密度的 大小，可以在去除结合剂的同时，不损伤超硬磨粒，使磨粒凸出，在砂轮表面形 成容屑空间，达到修锐的目的。 图1 1 激光烧蚀过程框图 激光修整具有以下优点【7 j ： ( 1 ) 激光修整是基于激光与材料的热作用，理论上讲可以修整各种材料的砂 轮，适应性非常广。 ( 2 ) 在保证修整效率的前提之下，能获得较高的修整精度。 ( 3 ) 激光修整为微区热作用，磨粒能得到合适的凸出高度同时获得较大的容屑 空间，有利于砂轮磨削性能的提高。 ( 4 ) 可选择性去除结合剂或磨粒，有利于节省材料，不会造成磨粒的大量脱落， 同时也不会降低结合剂对磨粒的把持力。 1 3 激光修整超硬磨料砂轮研究现状 激光修整虽然是一种新的修整方法，但因其具有许多其他修整方法无法比拟 的优势，国内外学者纷纷对其开展试探性的研究，并且有的已取得一定的进展， 其研究成果主要集中在以下几个方面： 1 激光辅助磨削或辅助其他修整方法进行修整 上世纪9 0 年代，德国学者e w e s t k a m p e r 在进行树脂结合剂c b n 砂轮磨削金属 和陶瓷试件实验前，先用n d ：y a g 激光对工件预热，降低了磨削时工件的温度梯度， 硕士学位论文 减小了材料表面烧伤，开创了激光辅助磨削的先河【引。而后，美国学者c h u n h ez h a n g 等用c 0 2 激光辅助机械法修整陶瓷结合剂c b n 砂轮，减小了修整产生的磨削力及金 刚石修整工具的磨损1 9 , 1 0 】。国内上海交大的王艳等将c 0 2 激光用于辅助机械法修整 金刚石砂轮，激光束先加热砂轮表面，使得金刚石修整笔修整材料，从脆性断裂 变为塑性流动，提高了修整质量，并且降低了金刚笔的磨损【1 1 1 。 2 激光修锐超硬磨料砂轮 日本学者a h o s o k a w a 等人用脉冲n d ：y a g 激光对金属结合剂金刚石砂轮进行 修锐实验，为了防止熔融的溅射物冷却后在砂轮表面二次重凝，实验中使用空气 进行辅助侧吹，实验结果表明：激光修锐的效率明显高于传统w a 滚轮修整，但修 锐后砂轮磨削时产生的磨削力相差并不大【l2 | 。美国学者gm r o b i n s o n 等人用连续 n d ：y a g 激光修锐陶瓷氧化铝砂轮，实验结果表明：在不降低结合剂对磨粒把持力 的情况下，激光修锐通过微破坏，使磨粒产生多刃，从而提高了陶瓷氧化铝砂轮 的磨削性能【l 引。国内上海交通大学的王艳等人采用c 0 2 连续激光进行了黄铜结合 剂和树脂结合剂金刚石砂轮的激光修锐实验，用三维数字显微镜观察了激光修锐 前后砂轮的微观形貌，对在激光作用下不同结合剂的去除机理进行了分析【l4 1 。上 海交通大学的陈明等人还用普通脉冲n d ：y a g 激光对树脂结合齐u s i c 砂轮进行了修 锐实验，修锐实验前先用单点金刚石修整笔对砂轮进行整形，然后再进行激光修 锐，采用激光三维扫描法评价砂轮激光修锐效果，最后分别采用经金刚石笔修锐 和激光修锐的砂轮进行了磨削应用研究，考察了砂轮的耐用度和磨削力 1 5 , 1 6 。大 连理工大学的王续跃等人，用脉冲n d ：y a g 激光进行了单脉冲烧蚀实验，并建 立了激光修锐的三维热传导模型，研究了激光功率、脉冲宽度、激光入射角及 离焦量对单脉冲烧蚀凹坑深度的影响。最后，选择合适的工艺参数和激光参数 进行了激光修锐实验，同时指出：激光修锐树脂结合剂砂轮时，只需同轴辅助 吹气即可，因为此时结合剂以气化去除为主；而修锐金属结合剂砂轮时，需要 同时进行同轴辅助吹气和侧吹辅助气体才能有效地防止金属结合剂熔融物冷却 后覆盖磨粒，达到好的修锐效果，因为此时结合剂以熔化去除为主【1 。7 ，1 8 】。 3 激光修整超硬磨料砂轮 目前，国内外对激光修整研究基本只局限于修锐方面，对激光整形方面的研 究非常少，只有湖南大学激光研究所在该方面进行了研究。研究人员通过实验选 择了适合于超硬磨料砂轮修整的激光器并前后自制了两套激光在线修整系统。采 用该系统进行了声光调q n d ：y a g 脉冲激光修整超硬磨料砂轮实验，研究了超硬磨 料对y a g 激光的吸收率。从理论上计算了超硬磨料和结合剂的激光去除阈值，用 a n s y s 对烧蚀过程进行了模拟分析，优化了整形和修锐所需的激光参数，并对修 整后的砂轮进行了磨削实验【1 9 , 2 0 , 2 1j 。 激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 1 4 激光修整超硬磨料砂轮系统 由激光修整超硬磨料砂轮的研究现状可知，在激光修整超硬磨料砂轮的研究 中，大多采用的是y a g 固体激光器。这主要是由于y a g 固体激光器相对于c 0 2 激光 器在超硬磨料砂轮修整方面具有如下一些优点： ( 1 ) y a g 固体激光器短的波长有利于工件表面对激光的吸收，能得到更好的加 工性能( 超硬磨料砂轮中金属结合剂的主要成分为锡粉、铜粉和镍粉，它们在室 温下对特定波长下的吸收率如表1 1 示 2 2 1 ) 。 表1 1 青铜结合剂主要成分室温下对特定波长下的吸收率 ( 2 ) y a g 固体激光器能以连续和脉冲两种方式工作，通过调q 可以达到 1 0 8 w c m 2 数量级以上的峰值功率及n s 级的脉宽，加工时是微区作用，热影响和热 积累均很小，非常有利于砂轮的修整。 ( 3 ) y a g 固体激光器重量轻、体积小，坚固、使用方便。 ( 4 ) y a g 固体激光器1 0 6 4 n m 的波长能进行光纤传导，使加工现场的应用更具灵 活性，如图1 4 所示为n d ：y a g 激光通过光纤传输进行焊接加工。 工件 图1 4n d ：y a g 激光通过光纤传输进行焊接加工 应用于激光修整超硬磨料砂轮方面，y a g 激光器和c 0 2 激光器的主要参数比较 如表1 2 所示。 硕士学位论文 表1 2y a g 激光器和c 0 2 激光器比较 注：“+ ”表不好，“一”表不差 因此，相对于c 0 2 激光器而言，y a g 激光器更适合作为激光修整的“刀具”。 湖南大学激光研究所，经过多次的探索，自行设计制造了一套声光调q n d ：y a g 脉 冲激光器，该系统能够产生1 0 8 w c m 2 以上的功率密度，实现修锐与整形的合二为 一。也曾经尝试将y a g 激光束耦合进光纤来实现光路的柔性传输，但没有达到很 好的效果，原因在于：过高的激光功率密度容易使光纤端面损伤，因此对于光纤 端面的清洁度和光洁度要求非常高，同时用于传输的光纤价格也非常昂贵【2 3 1 。然 而，若要实现激光修整的工业化应用，设计一套柔性、自动化、精度高的修整系 统是必不少的。因此，必须选用能很好地实现柔性传输的激光器作为修整系统的 “刀具”。 光纤激光器做为最新一代激光器的代表，恰好具备了柔性传输这一要求，且 相对于y a g 激光器而言，在超硬磨料砂轮的修整方面还具有许多无法比拟的优势 1 2 4 ： ( 1 ) 玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约 化优势。 ( 2 ) 玻璃材料具有极低的体积面积比，损耗低、散热快，转换效率较高。 ( 3 ) 谐振腔内没有光学镜片，稳定性高，无需调节和维护。 ( 4 ) 光纤导出，具有非常高的柔性，使得外光路机械部分的设计变得非常的简 单。 ( 5 ) 能在恶劣的环境中工作，对震荡、灰尘、冲击等外界不利因素具有很高的 容忍度。 ( 6 ) 只需要简单的风冷，无需复杂的水冷或电制冷。 ( 7 ) 相比其他激光器具有更高的电光效率，综合电光转化效率高达2 0 以上， 节约了运行成本。 激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 应用于激光修整超硬磨料砂轮方面，光纤激光器与y a g 激光器主要参数的比 较如表1 3 所示。 表1 3y a g 激光器和光纤激光器比较 注：“+ ”表不好，“一”表不差 因此，在现有声光q n d ：y a g 激光修整系统的基础上，采用光纤激光器作为修 整“刀具 ，重新对修整系统进行改进设计，能够推动激光修整技术的工业化应用。 1 5 激光修整超硬磨料等离子体研究 由激光辐照材料所产生的等离子体称为光致等离子体。激光加工过程中形成 光致等离子体的前提是材料被加热到气化，因此，激光通常需要达到较高的功率 密度( 对于钢铁采用c 0 2 激光i 1 0 6 w c m 2 ) 。等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能 量，吸收系数与电子密度、蒸气密度成正比，吸收系数还与激光波长的平方成正 比。同一等离子体，对c 0 2 激光的吸收系数比对y a g 激光的吸收系数高两个数量级。 因为吸收系数的不同，产生等离子体的激光功率密度阈值也不同，y a g 激光产生 等离子体的功率密度阈值同样比c 0 2 激光高出了两个数量级，达到了1o 7 一1 0 8 w c m 2 【2 5 , 2 6 】。 激光修整超硬磨料砂轮时，若要实现整形与修锐的同时进行，激光功率密度 需要达到1 0 8 w c m 2 以上。因此，尽管y a g 激光辐射金属材料表面时产生等离子体 的功率密度阈值比c 0 2 激光大很多，但如此高的功率密度足以产生大量的光致等离 子体。通过实验观察砂轮修整过程可知：随着高峰值功率密度的激光辐射到高速 转动的砂轮表面，高温等离子迅速膨胀，逆着激光入射的方向传播，淡蓝色的等 离子体尾焰长达十多毫米且伴随着十分刺耳的声音如图1 5 所示。图1 6 ) y i ：示为焦距 为6 0 m m 的聚焦透镜，高速膨胀的等离子蒸汽云团带出的溅射物经冷却后凝固于镜 架四周。激光修整过程产生的等离子体通过对激光逆韧致吸收、散射、折射等效 应对激光修整过程产生影响，因此开展对激光修整超硬磨料砂轮等离子体研究是 硕士学位论文 很有必要的，而到目前为止，在该方面的研究尚未见报道。 图1 5 激光修整等离子体图1 6 聚焦透镜 1 6 激光一机械复合修整超硬磨料砂轮 激光选择性修整超硬磨料砂轮系统，是建立在以“实时控制”为基础的在线 修整系统。控制系统需要很快的响应速度及砂轮转速、磨床轴向进给速度和电路 数据处理速度配合一致的情况下才能精确地实现“测哪打哪”。目前为止，控制电 路的原理与设计思路已经非常的清楚( 如图1 7 所示为包含p s d 高精度位移传感器 的控制电路原理图1 27 j ) ，且理论上已证实了实现精确“实时控制”的可能性，但实 际应用中，却并没有取得很好的效果，原因在于： 雏盘隧辞耘一弗 图1 7 包含p s d 高精度位移传感器的控制电路原理图 ( 1 ) 响应速度快的模拟电路抗干扰能力很差，抗干扰能力强的数字电路处理速 度却不能达到要求。若以降低砂轮转速的方法，来弥补电路响应速度慢的不足， 又会降低砂轮的修整效率。因此，这无疑给控制电路的设计增加了许多的难度和 成本。 ( 2 ) 超硬磨料砂轮表面的圆柱度误差小至几微米大也不过数百微米，修整是一 个非常精密的过程。因此，无论对传感器的灵敏度还是测量光斑与加工光斑的相 对位置的精度要求都非常高，而到目前为止，修整系统的精度问题也没有得到很 好的解决。 ( 3 ) 传感器对入射的测量光功率有一定的要求，但在激光修整过程中，经反射 后的测量光功率的大小目前还没有经过相关的实验测量。 因此，鉴于诸多方面的限制，激光选择性修整适合于圆跳动小的超硬磨料砂 激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 轮的高精度修整。并且激光选择性修整超硬磨料砂轮修整系统特别是控制电路部 分，仍需要很大的改进。 为了发挥激光加工的优势，实现圆跳动非常大超硬磨料砂轮的高精度快速修 整，可以将激光修整与其他修整方法结合起来。由激光修整超硬磨料砂轮的研究 现状可知，目前已有很多学者对激光用于辅助磨削或是辅助机械法修整进行了研 究，这些方法均是基于激光的热效应来改变材料的性质，使得材料往有利于加工 的方向发展，而并不是利用激光的热效应来直接去除材料以达到加工要求。利用 激光的热效应直接去除材料并与其他修整方法结合起来的复合修整目前尚未见报 道。 激光一机械复合修整先是利用不加控制信号的激光与机械法修整结合快速降 低圆跳动然后分别采用单一的机械与激光进行修整，从而将圆跳动非常大的砂轮 快速的修整到微米级的一种修整方法。当光斑处于聚焦镜的焦点位置时，激光功 率密度最大。随着离焦量的增加，功率密度逐渐减小。激光正离焦时，由于功率 密度的减小，单脉冲烧蚀凹坑深度要小于零离焦时单脉冲烧蚀凹坑深度，且其他 参数相同时，随着离焦量的增加，单脉冲烧蚀凹坑深度逐渐减小，直至功率密度 减小至低于结合剂的去除阈值为止。因此，当砂轮的圆跳动较大时，选用合适的 激光参数( 离焦量，激光功率密度) ，采用不加控制信号的激光直接对砂轮进行修 整，单纯的依靠因离焦量产生的功率密度差值，能够在较短的时间内，在材料去 除尽可能少的情况下，快速的将圆跳动降低到一定的范围。 砂轮修整的实质是对砂轮进行深度的整形或轻度的修锐【2 引。根据砂轮修整的 实质，我们可以将激光一机械复合修整的工艺流程分为激光一机械复合粗修、机械 法精修、激光修锐、激光精修四道工序，前两道工序先对砂轮进行整形，使砂轮 圆跳动快速降低道较低的值，第三道工序再对其进行修锐，以形成良好的地形地 貌，最后一道工序将砂轮修整到微米级的精度，具体如下： ( 1 ) 激光一机械复合粗修：在不考虑砂轮表面地形地貌的情况下，采用一定频 率的脉冲激光直接对砂轮进行圆度整形，激光功率密度范围位于青铜结合剂功率 密度气化去除阈值与超硬磨粒功率密度气化去除阈值之问，采用正离焦的激光布 置形式，使砂轮表面高点接受较高的激光功率密度而低点接受较低的激光功率密 度辐照，那么砂轮高点的去除量大于低点的去除量。在激光辐照砂轮表面的同时 采用机械法进行修整，以达到快速降低砂轮圆跳动的目的。 ( 2 ) 机械法精修：当砂轮的圆跳动降低到一定的程度，单纯的通过改变离焦量 无法继续高效的降低圆跳动。为了降低砂轮有效磨粒层的损耗，采用单一机械法 继续进行精修，将凸出高度不一致的磨粒去除或磨平，使砂轮表面磨粒趋于一致。 ( 3 ) 激光修锐：经过机械法修整，砂轮表面变得很光滑，突出量大的磨粒已经 被去除，剩下的磨粒突出结合剂高度很小，磨粒的磨削性能大大降低，砂轮表面 硕士学位论文 没有足够容屑空间。为获得良好的砂轮表面地形地貌、节约砂轮材料及延长砂轮 的使用寿命，采用低功率、低脉冲能量、高重复频率的激光对砂轮进行修锐。 ( 4 ) 激光精修：经过前三道工序的修整后，砂轮的圆跳动已下降到较小值。采 用加控制信号、低功率、低脉冲能量、高重复频率的激光对砂轮进行最终的选择 性精修。此时的砂轮已经不需要通过大量的材料去除进行修整，只需选择性的去 除部分高点，将砂轮修整到微米级精度。 1 7 本文研究内容及目标 本文在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项( 2 0 1 2 z x 0 4 0 0 3 1 0 1 ) 的 资助下，以前人的研究成果为基础，对激光修整超硬磨料砂轮系统分析与改进、 激光修整超硬磨料砂轮等离子、激光一机械复合修整技术等方面进行了深入的研 究，力求为激光修整超硬磨料砂轮技术走向工业化应用做出贡献，本文的具体研 究内容如下： ( 1 ) 详细介绍了自制的声光调q n d ：y a g 激光修整超硬磨料砂轮系统，对该系 统各组成部分的优缺点进行了深入的分析，提出了激光修整系统各部分改进的方 法。 ( 2 ) 对激光修整超硬磨料砂轮等离子体进行了研究：采集了激光修整等离子体 3 2 0 6 2 0 n m 的光谱信号，标记了用于后续计算的特征谱线；研究了激光参数( 平均 功率、脉冲频率) 对等离子体强度的影响；计算了常用修整参数下等离子体的温 度、电子密度、等离子体逆韧致吸收系数，并进行了分析。 ( 3 ) 对激光一机械复合修整新方法做了系统的研究：建立了在本实验条件下， 声光调q n d ：y a g 脉冲激光烧蚀青铜结合剂激光与材料相互作用的热去除物理模 型，并通过有限元分析软件进行了多脉冲有限元仿真；通过仿真选取了激光机械 复合修整激光机械复合粗修工序的最佳激光参数( 激光功率密度、离焦量) 并确 定了激光一机械复合粗修工序所能达到的砂轮圆跳动参考值；采用仿真实验选取的 激光参数进行了激光机械复合修整青铜金刚石砂轮实验，对修整后的结果与单一 机械法修整的结果进行了比较并验证了仿真确定的激光机械复合粗修工序所能 达到的砂轮圆跳动参考值的准确性；最后，采用经激光一机械复合修整和单一机械 法修整后的砂轮进行了磨削实验，通过观察磨削后砂轮表面的形貌，分析了砂轮 的磨削性能。 激光机械复合修整超硬砂轮及激光修整等离子体研究 第2 章激光修整超硬磨料砂轮系统 激光修整超硬磨料砂轮是一个微米级非常精密的过程，因此对修整系统的性 能要求非常高，修整系统的组成、精度与自动化程度直接决定了激光修