金剛石砂輪激光-超聲振動(dòng)復(fù)合修整試驗(yàn)研究

楊志波,楊瑞云,李斌,張振

（1.河南理工大學(xué),河南焦作454003；2.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

金剛石砂輪激光-超聲振動(dòng)復(fù)合修整試驗(yàn)研究

楊志波1,楊瑞云1,李斌2,張振1

（1.河南理工大學(xué),河南焦作454003；2.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

為解決超硬磨料砂輪修整的效率低、精度差、成本高、工具磨損大等難題,提出激光-超聲振動(dòng)復(fù)合的新型修整方法.在超聲振動(dòng)修整方式的優(yōu)勢(shì)下,輔助以激光加熱,可使砂輪表面軟化,塑性增強(qiáng),修整工具受力減小、磨損率降低,修整效率提高.完成了復(fù)合修整系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建以及試驗(yàn)研究.結(jié)果表明：和普通機(jī)械修整方式相比,在選擇合適工藝參數(shù)下的激光超聲復(fù)合修整砂輪的砂輪形貌、單顆粒磨粒形態(tài)和砂輪磨削特性優(yōu)于普通修整方式.

金剛石砂輪；激光-超聲振動(dòng)復(fù)合修整；工藝參數(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,具有優(yōu)異性能的難加工材料,如光學(xué)玻璃、高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼、陶瓷及單晶硅等在航天、航空、光學(xué)及儀器儀表、汽車等這些尖端領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多.如何高效精密地加工這些難加工材料已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一.由于對(duì)加工精度要求的逐步提高,以及超硬材料的本身難加工的特性,使得磨削加工,特別是使用超硬磨料砂輪對(duì)這些材料進(jìn)行高效精密磨削加工的需求日益增加[1-3].其中以金剛石和立方氮化硼磨粒為主要代表的超硬磨粒砂輪其用量以每年約10%的速度增長[4].然而超硬磨料砂輪的使用仍存在諸多不足,如修整難度大、修整時(shí)間長、修整效率低、修整器具磨損嚴(yán)重等.因此,研究快速高效、高質(zhì)量的砂輪修整技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)難加工材料精密超精密磨削、高速高效磨削、成形磨削、磨削自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一[5].

當(dāng)前,高效修整超硬磨料砂輪的方法很多,包括點(diǎn)擠壓修整法、杯型砂輪修整法、電火花修整法、在線電解修整法、激光修銳法和超聲振動(dòng)修整法等技術(shù),也有把兩種及以上的修整技術(shù)復(fù)合在一起的,比如激光輔助金剛石筆修整、機(jī)械化學(xué)復(fù)合修整、電解電火花復(fù)合修整等.雖然這些方法在一定程度上使磨削質(zhì)量有所改善,也使砂輪的磨損有所降低,但隨著實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、便利性、高效性等要求的提高和超硬磨料砂輪自身高硬度的特點(diǎn),這些修整方法在實(shí)際修整過程中仍存在不同程度的局限.杯形砂輪研磨修整法的優(yōu)點(diǎn)是修整精度較高,但不足之處是修整機(jī)構(gòu)復(fù)雜,修整效率低,修整時(shí)杯形砂輪的損耗太大；點(diǎn)擠壓修整法局限性是只可以修整部分超硬磨料砂輪,如陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪和多孔結(jié)合劑金剛石砂輪[6]；ELID磨削技術(shù)特別適合加工硬脆材料,但是設(shè)備復(fù)雜昂貴,阻礙了該方法的應(yīng)用[7]；電火花修整精度高,但缺陷是修整效率低.激光修整方法效率高,可以修整復(fù)雜的型面,但是整形精度不理想,同時(shí),該修整方法投資大,對(duì)環(huán)境及防護(hù)要求也很高；金剛石筆輔助超聲振動(dòng)修整方式在整形同時(shí),也可獲得修銳效果,并且在延長砂輪使用壽命及工件的磨削質(zhì)量方面有較好的效果[8-9],但是仍存在砂輪修整效率低、修整工具損耗快等問題.還有把兩種修整方式復(fù)合使用的,但是仍需進(jìn)一步探索研究.本文主要探討激光-超聲振動(dòng)復(fù)合方法的修整效果.

1 試驗(yàn)條件與方案

本試驗(yàn)采用基于激光熱效應(yīng)的二維超聲振動(dòng)機(jī)械復(fù)合修整工藝系統(tǒng),修整裝置由由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、和激光發(fā)射器、激光聚焦頭、光纖、金剛石修整筆、測(cè)力儀、和砂輪等組成.砂輪修整試驗(yàn)在在超精密數(shù)控車床上進(jìn)行,超硬磨料砂輪裝置安裝在機(jī)床上,按照一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng),砂輪修整深度通過百分表來控制.滑動(dòng)拖板上安裝有測(cè)力儀,在測(cè)力儀平臺(tái)上安裝有支架,超聲振動(dòng)修整裝置和激光聚焦頭固定在支架上,依靠滑動(dòng)拖板軸向進(jìn)給,振動(dòng)采用二維橢圓超聲振動(dòng).超聲激光復(fù)合修整砂輪裝置如圖1所示.

圖1 激光、超聲振動(dòng)復(fù)合修整砂輪裝置Fig.1 The device of laser and ultrasonic vibration compound dressing of grinding wheel

修整時(shí)聚焦激光束以適當(dāng)?shù)娜肷浣嵌?、距離、合適的加熱時(shí)間和能量密度在修整點(diǎn)前方對(duì)旋轉(zhuǎn)的砂輪進(jìn)行加熱,金剛石修整筆切入砂輪表面并沿砂輪軸向進(jìn)給,同時(shí),金剛石修整筆在超聲振動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行有規(guī)律的振動(dòng),在筆尖處形成復(fù)合橢圓超聲振動(dòng),修整筆尖沿著橢圓軌跡向上移動(dòng)從而脫離砂輪,待金剛石修整筆完全脫離砂輪后,便會(huì)運(yùn)動(dòng)到下次修整的新初始位置,進(jìn)行新一輪的修整.修整條件如表1所示.為便于白光干涉儀及電鏡觀察測(cè)量砂輪形貌,試驗(yàn)所用砂輪為青銅結(jié)合劑金剛石砂輪鑲塊兒砂輪,砂輪型號(hào)為：1A1 150×10×32×5 MBD 120 M 100,試驗(yàn)所采用的修整頻率為35 kHz.

表1 修整條件Tab.1 Dressing conditions

具體試驗(yàn)方案：在相同條件下,分別采用普通機(jī)械振動(dòng)修整和在超聲激光復(fù)合修整砂輪,并采取顯微觀測(cè)法及磨削性能的試驗(yàn)研究來檢測(cè)不同修整方式下砂輪的修整效果.顯微觀測(cè)法分別從修整后砂輪砂輪表面形貌和單顆磨粒形態(tài)兩方面進(jìn)行對(duì)比,磨削性能的試驗(yàn)研究則通過對(duì)比修整后砂輪磨削陶瓷試件磨削力的大小進(jìn)行研究.

2 結(jié)果與分析

2.1 砂輪表面形貌

普通機(jī)械修整和激光-超聲復(fù)合修整修整方法所修整的砂輪表面形貌見圖2.

圖2 修整后砂輪形貌Fig.2 The topography of grinding wheel

通過對(duì)比普通機(jī)械修整和激光超聲復(fù)合修整修整方法所修整的砂輪表面SEM照片,可以看出兩種修整方式下砂輪的形貌迥然不同.如圖2-a所示,普通修整造成砂輪表面磨粒脫落、破碎、松動(dòng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重,砂輪表面靜態(tài)磨粒比較少,結(jié)合劑三角洲半包圍磨粒,磨粒突出基體的高度不明顯.而在激光-超聲復(fù)合修整方式下（見圖2-b）,砂輪表面形貌較好,僅有少數(shù)的磨粒破碎,并且和普通修整方式相比砂輪所含靜態(tài)有效磨粒數(shù)較多,磨粒明顯突出基體,分布也比較均勻,磨粒表面光滑平整,含有棱邊數(shù)量較多,切削能力較強(qiáng),結(jié)合劑對(duì)磨粒把持能力也有所增強(qiáng).這也表明普通修整方式下砂輪表面的材料去除主要以結(jié)合劑斷裂和磨粒的脆性斷裂為主,而激光、超聲振動(dòng)復(fù)合修整方式下,材料去除主要以結(jié)合劑的延性去除和磨粒的磨損為主.

2.2 砂輪表面單顆磨粒形態(tài)

普通機(jī)械修整和激光-超聲復(fù)合修整修整后砂輪表面單顆磨粒形態(tài)見圖3.

圖3 修整后砂輪表面單顆磨粒形態(tài)Fig.3 Single grain morphology of the grinding wheel’s surface

圖3為采用Talysurf CCI 6000白光干涉儀觀測(cè)兩種修整方式后的砂輪表面單顆磨粒形態(tài).由圖3可知,在這兩種不同修整方式下砂輪磨粒的表現(xiàn)形態(tài)也截然不同.如圖3-a所示,砂輪在普通修整方式下,結(jié)合劑三角洲半包圍磨粒、磨粒突出基體高度小,棱角破損率較高,切削刃也不夠鋒利,磨削能力較差.圖3-b顯示,在激光超聲振動(dòng)復(fù)合修整方式下,砂輪的磨粒雖有微破碎、但是基本保持完好,磨粒表面比較光滑,突出基體高度較大,棱角比較鋒利,有較強(qiáng)的磨削能力.

2.3 磨削力

在相同條件下,分別用普通機(jī)械修整與激光、超聲振動(dòng)復(fù)合修整的砂輪去磨削陶瓷試件,通過圖4所示的磨削力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不同修整方式下砂輪的磨削力.一般將磨削力分解成互相垂直的切向磨削力、軸向磨削力和法向磨削力3個(gè)力來研究[10-11].軸向磨削力一般較小,可不計(jì).由于砂輪磨粒具有較大的負(fù)前角,所以在3個(gè)磨削分力中法向磨削力數(shù)值最大[12],它與砂輪磨粒的銳鈍情況密切相關(guān).磨粒鈍化,將引起法向摩擦力的急劇增大,使砂輪磨損加快,工件表面質(zhì)量惡化等；反之,磨粒銳利,則法向摩擦力減小,法向磨削力降低,工件質(zhì)量上升.不同修整方式下砂輪磨削力對(duì)比見圖5.

圖4 磨削力測(cè)量系統(tǒng)Fig.4 The grinding force measuring system

圖5 不同修整方式下砂輪的磨削力對(duì)比Fig.5 Grinding force comparison of grinding wheel under different dressing methods

由圖5可知,在相同的工件進(jìn)給速度和進(jìn)給量情況下,激光超聲復(fù)合修整后的砂輪磨削力低于普通機(jī)械修整.由此可見,在磨削參數(shù)相同的前提下,采用激光超聲振動(dòng)復(fù)合修整砂輪方式,會(huì)使砂輪磨粒更加突出、鋒利.激光超聲振動(dòng)復(fù)合修整后砂輪的形貌、磨削特性優(yōu)于普通機(jī)械修整.

2.4 分析

橢圓超聲振動(dòng)修整法金剛石筆修整運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓,修整深度不斷變化,表面材料去除機(jī)理主要以磨粒微破碎和結(jié)合劑延性去除為主.修整過程中金剛石筆和砂輪斷續(xù)接觸,使金剛石筆的壽命延長,該方法在整形同時(shí)也可以達(dá)到修銳效果.在發(fā)揮原有超聲振動(dòng)修整方式的優(yōu)勢(shì)下,再輔助以激光加熱,可以使砂輪表面軟化,塑性增強(qiáng),主要以塑性去除材料為主,修整工具受力減小、磨損減小.所以激光超聲振動(dòng)復(fù)合修整后砂輪的形貌、單顆粒磨粒形態(tài)和磨削特性優(yōu)于普通機(jī)械修整.

3 結(jié)論

修整試驗(yàn)結(jié)果表明：與普通機(jī)械修整方法相比,在合適的工藝參數(shù)情況下,激光、超聲振動(dòng)復(fù)合修整方式下的砂輪磨粒保持較好,靜態(tài)有效磨粒數(shù)較普通修整方式下多,磨粒分布也比較均勻,表面比較光滑,突出基體高度較大,棱角比較鋒利,并且結(jié)合劑對(duì)磨粒把持也更為牢固,具有較好的磨粒形態(tài)、砂輪形貌和磨削特性.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Experimental research on truing of diamond wheels with laser heating and ultrasonic vibration assistance

YANG Zhibo1,YANG Ruiyun1,LI Bin2,ZHANG Zhen1
（1.Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China；2.Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003,China）

In order to solve the problems such as low efficiency,bad precision,high cost and high tool wear in the turing of superabrasive grinding wheel,a new dressing method of laser heating and ultrasonic vibration assistance was proposed in this paper.Under the advantages of ultrasonic vibration dressing methods,aided by laser heating,which could make the grinding wheel surface to soften,plastic,stress reduction of trimming tool,the wear rate was reduced, finishing efficiency.The design of composite dressing system,the building of experimental platform and experimental research were done in this article.Experimental results showed that：compared with ordinary mechanical dressing,in choosing the right processing parameters,the truing morphology,single abrasive grains and grinding characteristics of the grinding wheel which in the trimming mode of laser heating and ultrasonic vibration assistance is superior to ordinary trim.

diamond grinding wheel;laser heating and ultrasonic vibration assistance;processing parameters

TG580.6；TG74+3

A

1008-7516（2016）01-0046-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.01.011

2015-12-25

國家自然科學(xué)基金(U1204517)

楊志波(1974―),男,山東招遠(yuǎn)人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師.主要從事超硬磨料工具制造技術(shù)、難加工材料的精密高效加工工藝及加工過程計(jì)算機(jī)仿真等研究.