[发明专利]一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的方法

说明书

发明领域

本发明涉及激光修整砂轮的方法，尤其涉及一种使用矩形平行光束与成型超硬磨料砂轮圆周面相切的整形成型超硬磨料砂轮的方法。

背景发明

金刚石和立方氮化硼(CBN)砂轮统称为超硬磨料砂轮，两者在适应性方面具有互补性：金刚石砂轮适于磨削硬、脆有色金属和硬质合金、光学玻璃、陶瓷、宝石等高硬度、高脆性的非金属材料；CBN砂轮适于磨削淬硬钢、耐热合金和高硬度、高韧性的金属材料。由于超硬磨料砂轮优良的磨削性能，广泛应用于航空、汽车、医学、电子、建材等领域，并成为精密和超精密磨削、高速高效磨削、难加工材料磨削、成型磨削、磨削自动化等技术的基础。

磨削过程中，砂轮的磨削性能在很大程度上取决于砂轮的表面特性，成型超硬磨料砂轮的形状精度及其尺寸精度直接影响工件的加工质量。因此，要实现成型磨削，首先要解决砂轮修整问题。砂轮修整通常分为整形和修锐两个过程。

成型超硬磨料砂轮修整常用的整形方法有车削法、磨削法、挤压法、金刚石滚轮法，对金属结合剂砂轮还可用电加工方法；修锐的方法主要有固结式磨料、游离式磨粒及电加工三大类。

成型超硬磨料砂轮修整技术还存在一定的局限性，例如车削法修整和杯形砂轮修整时修整工具损耗较快；金刚石滚轮修整效率高、精度高，但滚轮型面复杂，难于制造；电火花修整法修整精度高，但修整速度较慢；电解修整法速度快但难以整形，且由于阴极工具和砂轮之间的电场、流场、电极反应动力过程的影响，加工间隙不是处处相等，从而使被修整的表面粗糙度不理想；ELID法需配备专用的电源、电极和电解液，装置较贵且有一定的特殊要求；

随着基础理论研究的深化和优质激光器的兴起，高能量、短脉冲激光的应用领域和应用规模得到不断拓展和扩大。激光修整作为一种非接触式的修整技术，避开了机械力的直接作用和硬接触，具有适用性广、效率和精度高以及易于实现自动化等多方面的优点。本发明采用光纤激光束作为“修整笔”，利用激光与材料相互作用的热力效应，实现砂轮材料的烧蚀去除加工，达到成型超硬磨料砂轮的高质量、高效率及自动化修整的目的。

现有技术公开了一种激光修整超硬磨料砂轮的方法和设备，公开号为CN101642895A的“超硬磨料砂轮的激光修整方法”和公开号CN201455807U的“砂轮激光修整设备”专利中提供了一种超硬磨料砂轮的激光修整方法和设备。此发明专利提出了一种激光修整超硬磨料砂轮的方法。但是该技术方案仍存在有不少的问题：

1）该专利采用激光光束径向对准砂轮的修整方法，针对待去除的高点一个个去除，而且需要随时改变激光修整的工艺参数，对激光器的性能要求非常高，效率很低。并且一次无法完成修整，需要多次重复检测，计算机计算和控制激光器出光修整，直到完全去除余量。

2）在每次检测时，编码器需要记录下砂轮从启动到停止中的各个位置信号。再上传当前位置信号，并通过计算机获取砂轮当前位置的修整余量，控制调节激光器的修整工艺参数。整个过程操作过于繁杂。

3）成型超硬磨料砂轮烧结完成或者磨损后，圆周面形状误差大（1-2mm），修整过程中去除材料量大，显然此方法不能满足成型超硬磨料砂轮高效修整的要求。

公开号为CN102601734A，发明名称为“一种修砂轮的方法”的发明专利公开了一种成型磨削砂轮的激光整形方法，其解决了以往人工修磨方法修磨成本过高，磨削效率过低的问题，但是该技术方案仍旧存在以下两点问题：

1）通过扫描振镜绕两个轴的旋转合成运动控制激光束的入射方向，直接导致三个缺陷：

首先，控制难度大。由于扫描振镜距砂轮距离较远，要精确控制激光在砂轮表面的微量位移，通过公式（或）知在r很大时θ（或ω）很小，即扫描振镜的旋转角度（或角速度）很小，不易实现精确控制。

其次，对于砂轮表面形貌高度相差很大的复杂成型超硬磨料砂轮不适用。砂轮表面形貌高度相差很大，激光束偏转的角度就会较大，反应到对砂轮修整精度的影响也会因此而放大。

再次，对于厚度较大的成型超硬磨料砂轮也不适用。成型超硬磨料砂轮的厚度较大，同样激光束偏转的角度就会较大，反应到对砂轮修整精度的影响也会因此而放大。

2）未提出修磨砂轮要达到的修磨标准，即尚未提出一种合适的方法使修磨过程去除的结合剂与磨粒材料最少而不去除过多的材料。

现有文献中李力钧等人《激光修整CBN砂轮》及相关应用中，分别从激光的径向和切向两种辐照方式上详细分析了圆形高斯光束进行激光修整时的缺陷。