[发明专利]青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置及其方法

说明书

本发明涉及青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置及方法，包括用于发射基频激光的超快激光器以及用于装夹青铜金刚石砂轮的三爪自定心卡盘，三爪自定心卡盘安装于机械臂上，超快激光器的输出光路上依次布置有用于二次谐波转换的倍频系统、用于光束扩束的光束扩束系统以及用于控制光束运动轨迹的高速振镜扫描系统，高速振镜扫描系统的输出端正对于三爪自定心卡盘上的青铜金刚石砂轮。皮秒激光修锐青铜金刚石砂轮时，很大程度上减少砂轮表面金刚石磨粒因高温而产生的热损伤；通过调整超快激光器与高速振镜扫描系统的工艺参数，实现砂轮表面青铜基体的选择性定量去除；通过机械臂与高速扫描振镜系统协同运动满足不同修锐轨迹需求。

技术领域

本发明涉及一种青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置及其方法，属于激光修锐砂轮的技术领域。

背景技术

近年来，以光学玻璃、工程陶瓷与硬质合金等硬脆材料制成的工程构件在航空航天、国防、天文观测等尖端领域的应用愈加广泛。超硬磨料砂轮作为硬脆材料精密超精密磨削加工的主要工具，其应用日益广泛、用量急剧增加。其中青铜金刚石砂轮因其具有极高的硬度与抗磨能力，已经成为硬脆材料磨削加工的理想工具。

青铜金刚石砂轮一般通过烧结、电镀或钎焊制备而成，在其制备后与使用过程中，需要对其进行修整才能保持其几何形状与优越的使用性能。但金刚石砂轮超硬特性导致磨钝后存在修整难度大、时间长，修整工具磨耗大等问题，在一定程度上制约了其应用。

金刚石砂轮修整通常包括整形和修锐两个阶段，整形是指微量切削砂轮工作表面，使砂轮获得精确的几何形状；修锐是指去除金刚石磨粒间部分结合剂，使金刚石磨粒突出，形成切削刃，同时具有一定的容屑空间。

目前通常采用传统的机械修整法与电加工等方法对该类砂轮进行修整，存在修整工具损耗大、修整效率低、环境污染重等弊端。

激光修整法是近年快速发展起来的一种绿色新工艺，一般分为分为切向整形和径向修锐，作为一种非接触式修整方法，完全避免了传统修整方法带来的机械损伤与修整工具的损耗，具有高效、环保、适用性广、可控性高等特点。

激光修锐的实质就是利用高能聚焦激光束沿砂轮径向方向辐照其工作表面，利用激光烧蚀的热力学效应将砂轮表面的青铜结合剂选择性微量均匀去除，而对磨粒不造成热损伤，使磨粒突出粘合剂适当的高度，从而沿砂轮表面形成均匀排列的切削刃与微米级烧蚀坑。

目前，对于激光修锐法，国内外学者已经开展了较为广泛深入的研究，大多采用传统长波长连续、毫秒与纳秒红外激光，长脉宽激光的主要去除机制为熔化汽化去除，这种去除机制产生的热效应极易使金刚石产生碳化，产生石墨化变质层，使得砂轮表面疲劳强度和硬度显著降低，从而导致磨削性能下降。

研究表明，在800oC空气环境中青铜基体中铁族金属、Cu及其氧化物可以活化金刚石中的碳原子或为其提供活性氧，从而促进金刚石的石墨化转变。可以说激光修锐青铜基金刚石砂轮的石墨化与基体的选择性定量去除等关键性问题仍然未得到较好的解决，成为制约激光修锐金刚石砂轮工程化应用的技术瓶颈。

随着激光光源技术的快速发展，短波长皮秒、飞秒激光以其“电子态”冷加工的技术优势不断向各应用领域的渗透，并获得应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

青铜金刚石砂轮的皮秒绿激光修锐装置，特点是：包括用于发射基频激光的超快激光器以及用于装夹青铜金刚石砂轮的三爪自定心卡盘，三爪自定心卡盘安装于机械臂上，超快激光器的输出光路上依次布置有用于二次谐波转换的倍频系统、用于光束扩束的光束扩束系统以及用于控制光束运动轨迹的高速振镜扫描系统，高速振镜扫描系统的输出端正对于三爪自定心卡盘上的青铜金刚石砂轮。