CN104044075B - 采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法 - Google Patents
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Abstract
采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，属于树脂基圆弧形砂轮的加工技术领域。本发明是为了解决磨削加工时砂轮垂直方向的安装位置偏差影响加工后工件的形状精度，加工精度低的问题。它首先将绿碳化硅磨棒安装在三直线轴联动机床的工件主轴的真空吸盘上，将砂轮安装在三直线轴联动机床的磨削主轴的下端部；然后规划出对砂轮的修整路径，开始砂轮修整；每相邻下一个插补周期T开始时，采集当前绿碳化硅磨棒的半径R，修正所述修整路径，再采用修正后的修整路径对砂轮继续进行修整；直至结束。本发明用于树脂基圆弧形金刚石砂轮的修整。
Description
技术领域
本发明涉及采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，属于树脂基圆弧形砂轮的加工技术领域。
背景技术
近年来，球面、非球面及自由曲面光学零件在军用和民用产品上的应用越来越广泛，对于这些多为陶瓷、光学玻璃、硬质合金等硬脆材料的光学零件，基于金刚石砂轮的超精密磨削技术是其制备的有效解决手段。常用的光学零件成形磨削加工方法主要有垂直磨削法和平行磨削法。垂直磨削法是采用V形砂轮顶点或圆弧形砂轮中心区磨粒层按成形数控轨迹对工件进行磨削加工，此加工方法砂轮与工件的磨削接触点单一，砂轮磨损快，磨削后工件的面形误差较大。平行磨削法是利用圆弧形砂轮圆弧截面上的磨削点逐个参与磨削，对工件进行成形加工，加工过程中砂轮和工件的磨削接触点随着加工轨迹的移动在砂轮圆弧截面上移动，砂轮的磨削区域不断变化，进而减少了砂轮特定磨削区的磨损速度，提高了砂轮的磨削精度。
然而，在平行磨削法中，圆弧形砂轮的轮廓形状误差与加工后工件的面形误差具有一定的映射关系，砂轮圆弧表面的磨粒突出情况影响加工后工件的表面粗糙度以及亚表层损伤深度和密度，修整后砂轮的圆弧轮廓形貌精度决定了工件的加工精度，因此，圆弧形金刚石砂轮的精密成形修整是实现球面、非球面及自由曲面超精密平行磨削加工的关键技术。此外，磨削加工时砂轮垂直方向的位置偏差会严重影响加工后工件的形状精度，因此修整后能否确定砂轮与工件主轴中心在垂直方向上的位置关系同样至关重要。
目前有效的圆弧形金刚石砂轮修整方法有杯形轮修整法、电火花修整法、在线电解修整法、GC磨石数控对磨法等。然而，杯形轮修整法需要附加一套往复圆弧旋转的控制装置，结构复杂，无法应用于空间狭小的超精密机床环境；电火花修整法和在线电解修整法只适用于具有导电性能的砂轮，且需要附加高频脉冲电源；GC磨石数控对磨法操作简单，特别适用于平面磨床，对于回转工件而言，修整后无法消除砂轮与工件主轴中心垂直方向的相对位置偏差。
发明内容
本发明目的是为了解决磨削加工时砂轮垂直方向的安装位置偏差影响加工后工件的形状精度，加工精度低的问题，提供了一种采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法。
本发明所述采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，它包括以下步骤：
步骤一：将绿碳化硅磨棒安装在三直线轴联动机床的工件主轴的真空吸盘上，将砂轮安装在三直线轴联动机床的磨削主轴的下端部，通过三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴、水平方向X主轴和水平方向Z主轴调整绿碳化硅磨棒和砂轮的初始位置关系；工件主轴在三直线轴联动机床XY平面内的位置通过竖直方向Y主轴和水平方向X主轴控制；所述XY平面为三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴与水平方向X主轴形成的平面；
步骤二：根据绿碳化硅磨棒和砂轮的初始位置关系确定绿碳化硅磨棒对砂轮进行修整的起点和终点；根据砂轮的外轮廓圆弧的半径r和绿碳化硅磨棒的半径R确定三直线轴联动机床XY平面内圆弧插补半径a为：a＝R+r，根据绿碳化硅磨棒的有效磨削长度L确定绿碳化硅磨棒的圆弧插补次数n为：n＝L/B，B为每一个插补周期T开始时刻，绿碳化硅磨棒的位移；进而规划出对砂轮的修整路径，开始第一个插补周期T的砂轮修整；所述插补周期T为相邻两次圆弧插补的时间间隔；
步骤三：每相邻下一个插补周期T开始时，采集当前绿碳化硅磨棒的半径R，修正所述修整路径，再采用修正后的修整路径对砂轮继续进行修整；直至结束。
所述通过三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴、水平方向X主轴和水平方向Z主轴调整绿碳化硅磨棒和砂轮的初始位置关系的具体方法为：
首先，确定砂轮与绿碳化硅磨棒中心平面的Y向位置：
移动竖直方向Y主轴使绿碳化硅磨棒与砂轮磨料层的上表面接触，记录此时工件主轴轴线的Y向位置坐标Y1，移动竖直方向Y主轴使绿碳化硅磨棒与砂轮磨料层的下表面接触，记录此时工件主轴轴线的Y向位置坐标Y2，从而确定砂轮与绿碳化硅磨棒中心平面的Y向坐标Yw：
Yw＝|Y1-Y2|/2；
使砂轮与绿碳化硅磨棒中心平面的Y向坐标为Yw＝|Y1-Y2|/2后，确定绿碳化硅磨棒与砂轮相接触表面的X向相对位置：
移动水平方向X主轴，使绿碳化硅磨棒与砂轮的圆弧顶点相接触，将当前绿碳化硅磨棒与砂轮的相对位置作为X向相对位置；
最后，确定绿碳化硅磨棒与砂轮的Z向相对位置：
移动水平方向Z主轴，使绿碳化硅磨棒的末端超出砂轮的Z向中点，将当前绿碳化硅磨棒与砂轮的相对位置作为Z向相对位置。
本发明的优点：本发明方法中，采用一定粒度的绿碳化硅磨棒对细粒度圆弧形金刚石砂轮的圆弧半径和形状精度进行精确收敛的在位修整加工，它借助于具有工作主轴和磨削主轴的三直线轴联动机床，采用适宜的修整工艺参数，使整后的砂轮圆弧达到期望的半径尺寸，提高了其形状误差和修整率，同时也修正了砂轮垂直方向的安装误差。修整后的树脂基圆弧形金刚石砂轮适用于陶瓷、玻璃等脆性材料的球面、非球面及自由曲面精密磨削加工。
本发明方法利用工件主轴作为修整驱动单元，其操作简单，无需复杂的附加设备，修整成本低，加工效率高，修整精度高，对细粒度圆弧形树脂基金刚石砂轮修整具有独特的优势，且可根据加工曲率半径要求实现任意圆弧半径砂轮的精密在位修整；同时，本修整方法可自动修正砂轮垂直方向的安装误差，提高了加工工件的形状精度。
本发明方法实现了细粒度圆弧形金刚石砂轮的高效率，高精度，确定性精密修整成形，实验验证，修整后比修整前的砂轮形状精度提高14倍左右，修整后砂轮的磨粒突出，分布均匀。
附图说明
图1是本发明所述采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法的工作状态示意图；
图2是绿碳化硅磨棒和砂轮间对磨的路径规划示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：将绿碳化硅磨棒1安装在三直线轴联动机床的工件主轴1-1的真空吸盘1-2上，将砂轮2安装在三直线轴联动机床的磨削主轴1-3的下端部，通过三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴、水平方向X主轴和水平方向Z主轴调整绿碳化硅磨棒1和砂轮2的初始位置关系；工件主轴1-1在三直线轴联动机床XY平面内的位置通过竖直方向Y主轴和水平方向X主轴控制；所述XY平面为三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴与水平方向X主轴形成的平面；
步骤二：根据绿碳化硅磨棒1和砂轮2的初始位置关系确定绿碳化硅磨棒1对砂轮2进行修整的起点和终点；根据砂轮2的外轮廓圆弧的半径r和绿碳化硅磨棒1的半径R确定三直线轴联动机床XY平面内圆弧插补半径a为：a＝R+r，根据绿碳化硅磨棒1的有效磨削长度L确定绿碳化硅磨棒1的圆弧插补次数n为：n＝L/B，B为每一个插补周期T开始时刻，绿碳化硅磨棒1的位移；进而规划出对砂轮2的修整路径，开始第一个插补周期T的砂轮修整；所述插补周期T为相邻两次圆弧插补的时间间隔；
步骤三：每相邻下一个插补周期T开始时，采集当前绿碳化硅磨棒1的半径R，修正所述修整路径，再采用修正后的修整路径对砂轮2继续进行修整；直至结束。
本实施方式中，通过工件主轴1-1的旋转带动绿碳化硅磨棒1的旋转运动，磨削主轴1-3的旋转带动砂轮2的旋转运动。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述通过三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴、水平方向X主轴和水平方向Z主轴调整绿碳化硅磨棒1和砂轮2的初始位置关系的具体方法为：
首先，确定砂轮2与绿碳化硅磨棒1中心平面的Y向位置：
移动竖直方向Y主轴使绿碳化硅磨棒1与砂轮2磨料层的上表面接触，记录此时工件主轴1-1轴线的Y向位置坐标Y1，移动竖直方向Y主轴使绿碳化硅磨棒1与砂轮2磨料层的下表面接触，记录此时工件主轴1-1轴线的Y向位置坐标Y2，从而确定砂轮2与绿碳化硅磨棒1中心平面的Y向坐标Yw：
Yw＝|Y1-Y2|/2；
使砂轮2与绿碳化硅磨棒1中心平面的Y向坐标为Yw＝|Y1-Y2|/2后，确定绿碳化硅磨棒1与砂轮2相接触表面的X向相对位置：
移动水平方向X主轴，使绿碳化硅磨棒1与砂轮2的圆弧顶点相接触，将当前绿碳化硅磨棒1与砂轮2的相对位置作为X向相对位置；
最后，确定绿碳化硅磨棒1与砂轮2的Z向相对位置：
移动水平方向Z主轴，使绿碳化硅磨棒1的末端超出砂轮2的Z向中点，将当前绿碳化硅磨棒1与砂轮2的相对位置作为Z向相对位置。
本实施方式中，由于绿碳化硅磨棒1的Z向位置对砂轮修整结果的影响较小，只要能保证绿碳化硅磨棒1的顶端超出砂轮2的中心位置即可。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，B的取值范围为3～5mm。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，所述绿碳化硅磨棒1的粒度为400#～1500#。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，砂轮2的粒度为D3～D15。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，砂轮修整过程中，加工参数为：
工件主轴1-1的转速为350～500rpm，砂轮2的转速为4000～5000rpm，磨削深度为2～20μm，进给速度为50～300mm/min，磨削液为水基乳化液。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式一、二、三、四、五或六作进一步说明，绿碳化硅磨棒1的半径为10mm。
下面给出采用本发明方法对砂轮进行修整的具体实施例：
首先，安装绿碳化硅磨棒1和砂轮2，取绿碳化硅磨棒1的半径为10mm；
然后，按照上述方法确定绿碳化硅磨棒1和砂轮2的初始位置关系；
再按照上述的圆弧插补方法开始砂轮修整，加工参数选择为：工具主轴转速为371rpm，砂轮转速为4000rpm，磨削深度为2～20μm，进给速度为50～300mm/min，磨削液为水基乳化液，绿碳化硅磨棒粒度为400#～1500#，圆弧金刚石砂轮粒度为D7。
当取磨削深度为10μm，进给速度为100mm/min，绿碳化硅磨棒粒度为800#时，获得的金刚石砂轮圆弧形貌最优，砂轮圆弧半径尺寸误差和形状误差最小，砂轮圆弧半径尺寸误差≤3％，形状误差可达到4.763μm/4mm，修整后磨粒突出，分布均匀。
Claims (6)
1.一种采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：将绿碳化硅磨棒(1)安装在三直线轴联动机床的工件主轴(1-1)的真空吸盘(1-2)上，将砂轮(2)安装在三直线轴联动机床的磨削主轴(1-3)的下端部，通过三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴、水平方向X主轴和水平方向Z主轴调整绿碳化硅磨棒(1)和砂轮(2)的初始位置关系；工件主轴(1-1)在三直线轴联动机床XY平面内的位置通过竖直方向Y主轴和水平方向X主轴控制；所述XY平面为三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴与水平方向X主轴形成的平面；
步骤二：根据绿碳化硅磨棒(1)和砂轮(2)的初始位置关系确定绿碳化硅磨棒(1)对砂轮(2)进行修整的起点和终点；根据砂轮(2)的外轮廓圆弧的半径r和绿碳化硅磨棒(1)的半径R确定三直线轴联动机床XY平面内圆弧插补半径a为：a＝R+r，根据绿碳化硅磨棒(1)的有效磨削长度L确定绿碳化硅磨棒(1)的圆弧插补次数n为：n＝L/B，B为每一个插补周期T开始时刻，绿碳化硅磨棒(1)的位移；进而规划出对砂轮(2)的修整路径，开始第一个插补周期T的砂轮修整；所述插补周期T为相邻两次圆弧插补的时间间隔；
步骤三：每相邻下一个插补周期T开始时，采集当前绿碳化硅磨棒(1)的半径R，修正所述修整路径，再采用修正后的修整路径对砂轮(2)继续进行修整；直至结束。
2.根据权利要求1所述的采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，其特征在于，所述通过三直线轴联动机床的竖直方向Y主轴、水平方向X主轴和水平方向Z主轴调整绿碳化硅磨棒(1)和砂轮(2)的初始位置关系的具体方法为：
首先，确定砂轮(2)与绿碳化硅磨棒(1)中心平面的Y向位置：
移动竖直方向Y主轴使绿碳化硅磨棒(1)与砂轮(2)磨料层的上表面接触，记录此时工件主轴(1-1)轴线的Y向位置坐标Y1，移动竖直方向Y主轴使绿碳化硅磨棒(1)与砂轮(2)磨料层的下表面接触，记录此时工件主轴(1-1)轴线的Y向位置坐标Y2，从而确定砂轮(2)与绿碳化硅磨棒(1)中心平面的Y向坐标Yw：
Yw＝|Y1-Y2|/2；
使砂轮(2)与绿碳化硅磨棒(1)中心平面的Y向坐标为Yw＝|Y1-Y2|/2后，确定绿碳化硅磨棒(1)与砂轮(2)相接触表面的X向相对位置：
移动水平方向X主轴，使绿碳化硅磨棒(1)与砂轮(2)的圆弧顶点相接触，将当前绿碳化硅磨棒(1)与砂轮(2)的相对位置作为X向相对位置；
最后，确定绿碳化硅磨棒(1)与砂轮(2)的Z向相对位置：
移动水平方向Z主轴，使绿碳化硅磨棒(1)的末端超出砂轮(2)的Z向中点，将当前绿碳化硅磨棒(1)与砂轮(2)的相对位置作为Z向相对位置。
3.根据权利要求1或2所述的采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，其特征在于，
B的取值范围为3～5mm。
4.根据权利要求1或2所述的采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，其特征在于，
所述绿碳化硅磨棒(1)的粒度为400#～1500#。
5.根据权利要求1或2所述的采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，其特征在于，砂轮修整过程中，加工参数为：
工件主轴(1-1)的转速为350～500rpm，砂轮(2)的转速为4000～5000rpm，磨削深度为2～20μm，进给速度为50～300mm/min，磨削液为水基乳化液。
6.根据权利要求1或2所述的采用旋转绿碳化硅磨棒修整树脂基圆弧形金刚石砂轮的方法，其特征在于，
绿碳化硅磨棒(1)的半径为10mm。
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