CN107457703B - 一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法 - Google Patents
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Abstract
一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，属于高精度金刚石刀具制造技术领域。本发明的方法主要步骤包括：青铜金刚石砂轮盘面的粗磨、青铜金刚石砂轮盘的初步动平衡、青铜金刚石砂轮盘面的粗修整、青铜金刚石砂轮盘的精密动平衡和盘面精修整。通过金刚石砂轮盘面精修整工艺，详细分析了主轴转速、修整压力、单次进给修整深度以及主轴往复运动频率等精修整工艺参数对青铜金刚石砂轮盘端面全跳动的影响规律，并优选出了精修整工艺参数。采用本发明的方法所得的青铜金刚石砂轮盘面精度很高，端面全跳动优于2μm，推动了青铜金刚石砂轮盘精密修整技术的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种对青铜金刚石砂轮盘精密修整的方法，属于高精度金刚石刀具制造技术领域。
背景技术
随着核能、激光、天文望远镜等尖端技术的发展，超精密加工技术的作用越来越重要，已成为一个国家制造业最高水平的标志。在超精密切削加工中，精密高性能机床和极稳定加工环境必不可少，高精度刀具也至关重要。目前，传统的机械刃磨方法依然是高精度金刚石刀具制造的主要方法。在金刚石刀具的机械刃磨工艺中，与金刚石刀具直接作用的就是砂轮盘。高速旋转的砂轮盘表面不平度会影响刀具与砂轮盘面的微观接触状态，改变刀具在研磨中的动态研磨深度，产生刀具与砂轮盘面之间的振动，形成盘面磨粒对刀具的微观冲击，从而直接影响到所刃磨出的金刚石刀具的质量。因此，为了保证砂轮盘的盘面精度，提高金刚石刀具的研磨质量，研究砂轮盘面的精密修整技术具有良好实用价值。
金属结合剂金刚石砂轮采用金刚石磨粒与金属粉末烧结而成，镶嵌在结合剂中的金刚石磨粒保留了高硬度、耐磨损的特点，因此对金刚石砂轮的修整比较困难。国内外学者在金刚石砂轮等超硬磨料的修整技术领域做了许多研究工作，开发出了一些有效的工艺方法。
金刚石车削法是传统的常用砂轮修整方法。车削法修整过程类似于车床上车削方法，金刚石修整工具以一定的修整深度和进给速度修整砂轮工作表面，使砂轮工作面达到要求的精度。车削法包括单点金刚石笔修整和多点金刚石笔修整，其修整成本低，修整精度高。
磨削修整法是采用碳化硅砂轮以磨削的方式来修整金刚石砂轮的方法。在修整中，其修整效率低，碳化硅砂轮磨损很快。日本学者庄司克雄提出了一种利用杯形绿碳化硅砂轮修整金属结合剂金刚石砂轮的方法，修整时从修整砂轮上脱落的绿碳化硅磨粒能够去除金刚石磨粒周围的金属结合剂，在对金刚石砂轮整形的过程中，同时还能实现对其修锐。这种修整方法的修整精度较低。
滚压修整法是采用滚压修整轮和旋转的被修整的金刚石砂轮直接接触，金刚石砂轮带动滚压轮转动，利用两者之间的滚压作用和相对摩擦作用来进行修整。滚压轮可以是普通砂轮、硬质合金滚轮或者淬火钢滚轮。这种方法简单，但修整能力差，修整精度低。
在线电解修整法是1985年由日本学者发展起来的一种砂轮修整技术。该技术发展初期主要针对陶瓷材料磨削工艺，对金属结合剂金刚石砂轮进行在线修整，发现对于磨削硬脆材料，这种修整方法效果较好。这种方法是以金属结合剂超硬磨料砂轮做阳极，通过电解方法使砂轮磨粒露出，形成锋利切削刃与容屑空间以实现对砂轮的修整，修整效率高，但修整设备复杂。
激光修整法是采用一定强度激光照射金刚石砂轮表面，通过调节激光功率密度，使其既高于结合剂去除阈值，又高于金刚石颗粒去除阈值，就可以同时去除金刚石磨粒和其结合剂，从而实现砂轮的整形和修锐。这种方法修整效率高，可以修整复杂型面，但修整精度不理想。
发明内容
本发明的目的是为满足高精度金刚石刀具机械刃磨技术对精密金刚石砂轮盘的需求，提出一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法。
本发明所设计的工艺方法主要步骤包括：盘面粗磨、砂轮盘初步动平衡、盘面粗修整、砂轮盘精密动平衡和盘面精修整。通过青铜金刚石砂轮盘面精修整工艺实验，详细分析主轴转速、修整压力、单次进给修整深度以及主轴往复运动频率对青铜金刚石砂轮盘端面全跳动的影响规律，优选出了精修整工艺参数。本发明修整所得的青铜金刚石砂轮盘面精度很高，端面全跳动优于2μm，推动了当前金刚石砂轮盘精密修整技术的发展。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，所述的方法步骤如下：
步骤一：青铜金刚石砂轮盘面的粗磨；在平磨机床上，以青铜金刚石砂轮盘底面定位，采用陶瓷或树脂金刚石砂轮对青铜金刚石砂轮盘的盘顶面进行磨削，单次进给的磨削深度设为10～15μm，多次磨削至青铜金刚石砂轮盘面被磨削平整即可停止；
步骤二：青铜金刚石砂轮盘的初步动平衡；将青铜金刚石砂轮盘安装到专用夹具上，然后将其安装于动平衡机上检测青铜金刚石砂轮盘质量偏心量及偏心位置，根据检测结果在青铜金刚石砂轮盘底面按动平衡机所指示位置作好标记，取下青铜金刚石砂轮盘，根据所检测的偏心量、青铜金刚石砂轮盘底面材料密度和钻头直径计算出标记处所需钻孔深度，然后在钻床上完成钻孔操作，去除多余的偏心质量；
步骤三：青铜金刚石砂轮盘面的粗修整；将装在专用夹具上的青铜金刚石砂轮盘安装于金刚石刀具研磨机的主轴上，然后采用头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔，把它安装到金刚石刀具研磨机的分度夹具后对青铜金刚石砂轮盘面进行粗修整，设置修整工艺参数为：主轴转速3000～3600r/min，修整压力15～20N，单次进给修整深度2～3μm，主轴往复运动频率0.08～0.10Hz；
步骤四：青铜金刚石砂轮盘的精密动平衡；将青铜金刚石砂轮盘从金刚石刀具研磨机主轴上取下，然后把它安装于动平衡机上对其再次进行精密动平衡；
步骤五：将头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔取下，再将60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔安装于金刚石刀具研磨机分度夹具上，对金刚石刀具研磨机的摆轴进行清零操作，清零完成后设置所述的分度夹具轴线与青铜金刚石砂轮盘盘面夹角为31°～35°，采用800#的青铜金刚石砂轮盘将单点金刚石修整笔的笔尖滚磨尖锐，至滚磨发出的声音均匀、连续即可停止；
步骤六：将经过步骤四精密动平衡后的青铜金刚石砂轮盘再次安装于金刚石刀具研磨机主轴上，对所述的摆轴重新进行清零操作，清零完成后设置分度夹具轴线与青铜金刚石砂轮盘盘面夹角为75°～80°；
步骤七：恒温控制金刚石刀具研磨机周围环境温度为20～25℃，恒温精度±0.5℃，在金刚石刀具研磨机的主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置金刚石刀具研磨机，使其性能达到稳定状态；
步骤八：青铜金刚石砂轮盘面的精修整；采用优选的精修整工艺参数对青铜金刚石砂轮盘进行精修整；
步骤九：将激光位移传感器安装于金刚石刀具研磨机上对精修整后的青铜金刚石砂轮盘被修整平坦的表面进行在位检测，测得青铜金刚石砂轮盘端面全跳动值。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、本发明提供了一种适合于对青铜金刚石砂轮盘精密修整的工艺方法，合理设计了盘面粗磨、砂轮盘初步动平衡、盘面粗修整、砂轮盘精密动平衡以及盘面精密修整的工艺步骤。为尽量降低金刚石砂轮盘的端面全跳动，对主轴转速、修整压力、单次进给修整深度以及主轴往复运动频率进行综合分析，优选了金刚石砂轮盘的精修整工艺参数，得到的盘面精度很高，端面全跳动优于2μm，很好地满足了当前高精度金刚石刀具刃磨所需的金刚石砂轮盘。
2、本发明操作简单，成本低，而且修整得到的金刚石砂轮盘精度很高。采用本发明对工作面尺寸为Φ35～Φ86mm的青铜金刚石砂轮盘进行精密修整，在位检测其端面全跳动值可小于2μm。此时，砂轮盘工作在3000～4200r/min转速下，在金刚石刀具研磨机自带的光学监控系统观察单点金刚石修整笔投影，能实现静止不动。
附图说明
图1是青铜金刚石砂轮盘图片；
图2是安装青铜金刚石砂轮盘的专用夹具图片；
图3是对青铜金刚石砂轮盘进行动平衡检测的动平衡机图片；
图4是对青铜金刚石砂轮盘进行修整所用的金刚石刀具研磨机图片；
图5是青铜金刚石刀具研磨机关键部件的运动简意图；
图6是粗修整所用头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔图片；
图7是精修整所用头部为60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔图片；
图8是对青铜金刚石砂轮盘进行在位端面全跳动检测的激光位移传感器测头图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，所述的方法步骤如下：
步骤一：青铜金刚石砂轮盘面的粗磨；在平磨机床上，以青铜金刚石砂轮盘底面定位，采用陶瓷或树脂金刚石砂轮对青铜金刚石砂轮盘的盘顶面进行磨削，单次进给的磨削深度设为10～15μm，多次磨削至青铜金刚石砂轮盘面被磨削平整即可停止，如图1所示；
步骤二：青铜金刚石砂轮盘的初步动平衡；将青铜金刚石砂轮盘安装到图2所示的专用夹具上，然后将其安装于图3所示的动平衡机上检测青铜金刚石砂轮盘质量偏心量及偏心位置，根据检测结果在青铜金刚石砂轮盘底面按动平衡机所指示位置作好标记，取下青铜金刚石砂轮盘，根据所检测的偏心量、青铜金刚石砂轮盘底面材料密度和钻头直径计算出标记处所需钻孔深度，然后在钻床上完成钻孔操作，去除多余的偏心质量。在计算所需钻孔深度时，设所检测的偏心量大小为m，金刚石砂轮盘面材料密度为ρ，所使用的钻头直径为d，钻头顶角为φ，则所需钻孔深度h的计算公式如下：
步骤三：青铜金刚石砂轮盘面的粗修整；将装在专用夹具上的青铜金刚石砂轮盘安装于图4和图5所示的金刚石刀具研磨机的主轴上，然后采用图6所示头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔，把它安装到图5所示的金刚石刀具研磨机的分度夹具后对青铜金刚石砂轮盘面进行粗修整，设置修整工艺参数为：主轴转速3000～3600r/min，修整压力15～20N，单次进给修整深度2～3μm，主轴往复运动频率0.08～0.10Hz；
修整前利用金刚石刀具研磨机自带的光学监控系统观察头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔头部并调整图4和图5所示摆轴(为摆轴组件中的一个部件)的位置，保证头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔头部金刚石颗粒的尖锐部分参与修整；
步骤四：青铜金刚石砂轮盘的精密动平衡；将青铜金刚石砂轮盘从金刚石刀具研磨机主轴上取下，然后把它安装于动平衡机上对其再次进行精密动平衡；
步骤五：将头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔取下，再将图7所示的60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔安装于图5所示的金刚石刀具研磨机分度夹具上，对图4及图5所示金刚石刀具研磨机的摆轴进行清零操作，清零完成后设置图5所述的分度夹具轴线与青铜金刚石砂轮盘盘面夹角为31°～35°，采用800#的青铜金刚石砂轮盘将60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔的笔尖滚磨尖锐，至滚磨发出的声音均匀、连续即可停止；
步骤六：将经过步骤四精密动平衡后的青铜金刚石砂轮盘再次安装于图4所示金刚石刀具研磨机主轴上，对图4及图5所述的摆轴重新进行清零操作，清零完成后设置图5所示分度夹具轴线与青铜金刚石砂轮盘盘面夹角为75°～80°；
步骤七：恒温控制图4金刚石刀具研磨机周围环境温度为20℃～25℃，，恒温精度±0.5℃，在金刚石刀具研磨机的主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置金刚石刀具研磨机，使其性能达到稳定状态；
步骤八：青铜金刚石砂轮盘面的精修整；采用优选的精修整工艺参数对青铜金刚石砂轮盘进行精修整；
步骤九：如图8所示，将激光位移传感器安装于金刚石刀具研磨机上对精修整后的青铜金刚石砂轮盘被修整平坦的表面进行在位检测，测得青铜金刚石砂轮盘端面全跳动值。
按照上述步骤对工作面尺寸为Φ35-Φ86mm的青铜金刚石砂轮盘进行精密修整，在位检测其端面全跳动值可优于2μm，达到了较高的精度水平。
青铜金刚石砂轮盘、专用夹具、动平衡机、金刚石刀具研磨机、焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点金刚石修整笔、60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔均为现有技术。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的步骤三中，修整前利用金刚石刀具研磨机自带的光学监控系统观察大颗粒天然金刚石的单点修整笔头部并调整摆轴位置，保证头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔头部金刚石颗粒的尖锐部分参与修整，在每次修整30min后，将激光位移传感器安装于金刚石刀具研磨机上对青铜金刚石砂轮盘面的修整精度进行在位检测，若青铜金刚石砂轮盘端面全跳动值小于5μm，则可继续进行步骤四操作，否则重复步骤三至青铜金刚石砂轮盘端面全跳动值小于5μm为止。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二作出的进一步说明，所述的步骤四的具体步骤如下：
将青铜金刚石砂轮盘从图4所示研磨机主轴上取下，将青铜金刚石砂轮盘安装于图3所示动平衡机上检测青铜金刚石砂轮盘质量偏心量及偏心位置，在青铜金刚石砂轮盘底面按动平衡机所指示位置作好标记，取下青铜金刚石砂轮盘，根据所检测的偏心量、青铜金刚石砂轮盘底面材料密度和钻头直径计算出标记处所需钻孔深度，然后在钻床上进行钻孔操作，钻孔完成后重新在动平衡机上检测青铜金刚石砂轮盘质量偏心量及偏心位置，若青铜金刚石砂轮盘质量偏心量小于0.1g，则可进行步骤五操作，否则重复步骤四至青铜金刚石砂轮盘质量偏心量小于0.1g为止。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的步骤八中，对青铜金刚石砂轮盘进行精修整，精修整工艺参数设置为：主轴转速3000r/min，修整压力14.7N，单次进给修整深度1μm，主轴往复运动频率0.08Hz，精修整过程中，如图5所示进给箱共进给8次，每次精修至修整时60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔笔尖均匀一致地划过青铜金刚石砂轮盘表面，发出的声音细小且均匀连续即可继续进给1μm，开始新一次精修。
Claims (5)
1.一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：
步骤一：青铜金刚石砂轮盘面的粗磨；在平磨机床上，以青铜金刚石砂轮盘底面定位，采用陶瓷或树脂金刚石砂轮对青铜金刚石砂轮盘的盘顶面进行磨削，单次进给的磨削深度设为10～15μm，多次磨削至青铜金刚石砂轮盘面被磨削平整即可停止；
步骤二：青铜金刚石砂轮盘的初步动平衡；将青铜金刚石砂轮盘安装到专用夹具上，然后将其安装于动平衡机上检测青铜金刚石砂轮盘质量偏心量及偏心位置，根据检测结果在青铜金刚石砂轮盘底面按动平衡机所指示位置作好标记，取下青铜金刚石砂轮盘，根据所检测的偏心量、青铜金刚石砂轮盘底面材料密度和钻头直径计算出标记处所需钻孔深度，然后在钻床上完成钻孔操作，去除多余的偏心质量；
步骤三：青铜金刚石砂轮盘面的粗修整；将装在专用夹具上的青铜金刚石砂轮盘安装于金刚石刀具研磨机的主轴上，然后采用头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔，把它安装到金刚石刀具研磨机的分度夹具后对青铜金刚石砂轮盘面进行粗修整，设置修整工艺参数为：主轴转速3000～3600r/min，修整压力15～20N，单次进给修整深度2～3μm，主轴往复运动频率0.08～0.10Hz；
步骤四：青铜金刚石砂轮盘的精密动平衡；将青铜金刚石砂轮盘从金刚石刀具研磨机主轴上取下，然后把它安装于动平衡机上对其再次进行精密动平衡；
步骤五：将头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔取下，再将60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔安装于金刚石刀具研磨机分度夹具上，对金刚石刀具研磨机的摆轴进行清零操作，清零完成后设置所述的分度夹具轴线与青铜金刚石砂轮盘盘面夹角为31°～35°，采用800#的青铜金刚石砂轮盘将单点金刚石修整笔的笔尖滚磨尖锐，至滚磨发出的声音均匀、连续即可停止；
步骤六：将经过步骤四精密动平衡后的青铜金刚石砂轮盘再次安装于金刚石刀具研磨机主轴上，对所述的摆轴重新进行清零操作，清零完成后设置分度夹具轴线与青铜金刚石砂轮盘盘面夹角为75°～80°；
步骤七：恒温控制金刚石刀具研磨机周围环境温度为20～25℃，恒温精度±0.5℃，在金刚石刀具研磨机的主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置金刚石刀具研磨机，使其性能达到稳定状态；
步骤八：青铜金刚石砂轮盘面的精修整；采用优选的精修整工艺参数对青铜金刚石砂轮盘进行精修整；
步骤九：将激光位移传感器安装于金刚石刀具研磨机上对精修整后的青铜金刚石砂轮盘被修整平坦的表面进行在位检测，测得青铜金刚石砂轮盘端面全跳动值。
2.根据权利要求1所述的一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，其特征在于：所述的步骤二中，设所检测的偏心量大小为m，金刚石砂轮盘面材料密度为ρ，
所使用的钻头直径为d，钻头顶角为φ，则所需钻孔深度h的计算公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，其特征在于：所述的步骤三中，修整前利用金刚石刀具研磨机自带的光学监控系统观察头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔头部并调整摆轴位置，头部焊有平均粒径为1mm不规则天然金刚石颗粒的单点修整笔头部金刚石颗粒的尖锐部分参与修整，在每次修整30min后，将激光位移传感器安装于金刚石刀具研磨机上对青铜金刚石砂轮盘面的修整精度进行在位检测，若青铜金刚石砂轮盘端面全跳动值小于5μm，则可继续进行步骤四操作，否则重复步骤三至青铜金刚石砂轮盘端面全跳动值小于5μm为止。
4.根据权利要求1或3所述的一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，其特征在于：所述的步骤四的具体步骤如下：
将青铜金刚石砂轮盘安装于动平衡机上检测青铜金刚石砂轮盘质量偏心量及偏心位置，在青铜金刚石砂轮盘底面按动平衡机所指示位置作好标记，取下青铜金刚石砂轮盘，根据所检测的偏心量、青铜金刚石砂轮盘底面材料密度和钻头直径计算出标记处所需钻孔深度，然后在钻床上进行钻孔操作，钻孔完成后重新在动平衡机上检测青铜金刚石砂轮盘质量偏心量及偏心位置，若青铜金刚石砂轮盘质量偏心量小于0.1g，则可进行步骤五操作，否则重复步骤四至青铜金刚石砂轮盘质量偏心量小于0.1g为止。
5.根据权利要求1所述的一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法，其特征在于：所述的步骤八中，精修整工艺参数设置为：主轴转速3000r/min，修整压力14.7N，单次进给修整深度1μm，主轴往复运动频率0.08Hz，精修整过程分8次进给，每次精修至修整时60°圆锥笔尖的单点金刚石修整笔笔尖均匀一致地划过青铜金刚石砂轮盘表面，发出的声音细小且均匀连续即可继续进给1μm，开始新一次精修。
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