CN114714254A - 一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置及其方法，其中装置包括机座、回转台支架、支撑板、修整工作台、主轴、修整轮、激光聚焦头、激光发射器、测温仪和计算机，机座上设有旋转调整机构，修整工作台通过水平传动机构设置在支撑板上，水平传动机构用于带动修整工作台沿X轴移动以实现水平调节；修整轮安装在主轴的输出轴上，通过转动调节、升降调节和水平调节相配合，可使修整轮的端面与待修整砂轮的外周面靠近并接触以实现机械修形；计算机通过测温仪实时监测待修整砂轮的温度并根据该监测的温度来调控激光发射器产生的激光功率。本发明不仅降低了切削力，降低了比磨削能，减小了修整轮的磨损，而且提高了被修整轮的表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及砂轮修整技术领域，具体涉及一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置及其方法。
背景技术
随着CBN、金刚石等超硬磨料在磨削加工中的使用与日俱增，超硬磨料砂轮的修整问题日益突显。超硬磨料砂轮修整包含两个阶段：修形、修锐。修形是对砂轮表面微粒去除，修出所需要的几何形状，而修锐是除去砂轮表面的结合剂，磨粒凸露，使切削刃锋利。超硬磨料砂轮通常使用金属结合剂作为专用结合剂，其强度较陶瓷结合剂，树脂结合剂砂轮强度更大，但其缺乏气孔，自锐性较差，因此超硬磨料砂轮的自锐是一个难题。
采用机械修整法修整超硬磨料砂轮，优点是修形精度高，操作过程简单，但是其机械作用力大，修整轮磨损较快，修整效率低等缺点，因此单一的机械修整装置不能满足现在超硬磨料砂轮修整需求。采用激光修整由于瞬时提高了砂轮表面温度，金属结合剂融化，达到对超硬磨料砂轮修锐目的，不过，由于超硬磨料砂轮常使用CBN和金刚石磨料，温度过高则会影响磨料强度，从而导致对磨削影响较大。因此，有必要对现有砂轮修整技术进行改进，以减少修整轮磨损，提高修整的效率和精度。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置及其方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，其包括机座、回转台支架、支撑板、修整工作台、主轴、修整轮、激光聚焦头、激光发射器、测温仪和计算机，其中：
所述机座上设有旋转调整机构，所述回转台支架通过所述旋转调整机构设置在所述机座上，所述旋转调整机构用于带动所述回转台支架绕Z轴转动以实现转动调节，所述回转台支架上设有升降调整结构，所述支撑板通过所述升降调整结构设置在所述回转台支架上，所述升降调整结构用于带动所述支撑板沿Z轴移动以实现升降调节，所述支撑板上设有水平传动机构，所述修整工作台通过所述水平传动机构设置在所述支撑板上，所述水平传动机构用于带动所述修整工作台沿X轴移动以实现水平调节；
所述主轴安装在所述修整工作台上，所述修整轮安装在所述主轴的输出轴上，通过转动调节、升降调节和水平调节相配合，可使所述修整轮的端面与待修整砂轮的外周面靠近并接触以实现机械修形；
所述激光聚焦头位置可调地安装在所述修整工作台，所述激光发射器通过光纤与所述激光聚焦头连接以使所述激光聚焦头发射激光并照射到待修整砂轮的外周边沿处，所述测温仪和所述激光发射器均与所述计算机连接，所述计算机通过所述测温仪实时监测待修整砂轮的温度并根据该监测的温度来调控所述激光发射器产生的激光功率。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述旋转调整机构包括传动连接的第一蜗轮蜗杆减速器和第一步进电机，所述第一蜗轮蜗杆减速器的轴向竖向设置固定在所述机座上，所述第一蜗轮蜗杆减速器的蜗轮与回转台支架的下端连接，所述第一步进电机驱动所述第一蜗轮蜗杆减速器运转，从而带动所述回转台支架绕Z轴转动。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述升降调整结构包括丝杆，以及传动连接的第二蜗轮蜗杆减速器和第二步进电机，所述第二蜗轮蜗杆减速器设置在所述回转台支架的顶部，所述丝杆沿Z轴方向设置在所述回转台支架上并与所述第二蜗轮蜗杆减速器的蜗轮连接，所述丝杆上通过配设的丝杠螺母与所述支撑板固定连接，所述第二步进电机驱动所述第二蜗轮蜗杆减速器运转，从而带动所述丝杆旋转，进而使支撑板随所述丝杠螺母在所述丝杆上沿Z轴升降运动。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述水平传动机构包括丝杠滑轨和直线驱动模组，所述丝杠滑轨水平固定设置在所述支撑板上，所述修整工作台与所述丝杠滑轨上配设的滑块相连，所示直线驱动模组与所述丝杠滑轨的滑块传动连接以驱动所述修整工作台沿所述丝杠滑轨水平移动。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述修整工作台上设有滑槽，所述滑槽内活动安装有滑动调节块，所述激光聚焦头固定安装在所述滑动调节块上，通过调节所述滑动调节块在所述修整工作台上的位置从而可调整激光聚焦头的位置。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种采用上述任一项所述的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置的修整方法，包括以下步骤：
1)通过旋转调整机构和升降调整结构的协同调整，使修整轮的端面与待修整砂轮的外周面相对；
2)开启激光发射器将产生的激光经激光聚焦头照射到待修整砂轮的外周边沿处，以对修整砂轮进行预热，同时由测温仪实时监测待修整砂轮的温度t；
3)调整激光发射器产生的激光功率和频率，当温度t大于预设的激光热辅助温度阈值t0时并保持在t0的取值范围内，水平调整修整工作台，使修整轮的端面与待修整砂轮的外周面接触，然后启动主轴并在激光热辅助下由修整轮对待修整砂轮进行磨削修整，以实现机械修形；
4)待机械修形完成后，调整激光发射器产生的激光功率和频率，当温度t大于预设的激光修锐温度阈值t1时并保持在t1的取值范围内，且t1>t0，激光发射器通过调整激光器功率来提高激光的能量密度，以使激光瞬间融化或气化待修整砂轮表面的结合剂，以实现激光修锐。
作为本发明的进一步优选技术方案，步骤2)中，通过滑动调节块来调整激光聚焦头的位置，以使激光聚焦头射出的激光照射到待修整砂轮上，且激光的光斑中心距离修整轮的端面为0.5㎜-2㎜。
作为本发明的进一步优选技术方案，步骤3)中进行机械修形时，修整轮的端面需调整到与砂轮的轴线平行。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述激光发射器的激光光源选用Nd:YAG激光。
作为本发明的进一步优选技术方案，当所述待修整砂轮为铝青铜结合剂的金刚石砂轮时，预设的激光热辅助温度阈值t0的取值范围为450℃-500℃，预设的激光修锐温度阈值t1的取值范围为800℃-1100℃。
本发明的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
1)本发明的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，结构简单，采用机械与激光修整的复合，通过激光对砂轮局部进行加热，使超硬磨料砂轮修整处材料实现临界去除(脆性去除转变为塑性去除的过程)，不仅降低了切削力，降低了比磨削能，减小了修整轮的磨损，而且提高了被修整轮的表面质量，提高了磨削效率；
2)本发明的修整方法操作简单，修整轮与待修整轮的垂直距离(与砂轮的径向同方向)调整依靠水平传动机构进行，同时由旋转调整机构和升降调整结构向配合，与现有修整装置的手动调整螺钉的方法相比，本发明的调整方式比手动调整的精度更高，保证了修整精度，同时能够进给均匀，随着修整的进行实时进给，即提高了修整效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置提供的一实施例的主视图。
图2是本发明超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置提供的一实施例的右视图。
图3是本发明超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置的修整方法提供的一实施例的方法流程图。
图中：1、机座，2、第一步进电机，3、第一蜗轮蜗杆减速器，4、回转台支架，5、第二步进电机，6、第二蜗轮蜗杆减速器，7、丝杆，8、支撑板，9、滑轨，10、修整工作台，11、主轴，12、修整轮，13、激光聚焦头，14、滑动调节块，15、光纤，16、激光发射器，17、测温仪，18、待修整砂轮。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-2所示，本发明提供了一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，包括机座1、回转台支架4、支撑板8、修整工作台10、主轴11、修整轮12、激光聚焦头13、激光发射器16、测温仪17和计算机。
所述机座1上设有旋转调整机构，所述回转台支架4通过所述旋转调整机构设置在所述机座1上，所述旋转调整机构用于带动所述回转台支架4绕Z轴转动以实现转动调节。具体的，所述旋转调整机构包括传动连接的第一蜗轮蜗杆减速器3和第一步进电机2，所述第一蜗轮蜗杆减速器3的轴向竖向设置固定在所述机座1上，所述第一蜗轮蜗杆减速器3的蜗轮与回转台支架4的下端连接，所述第一步进电机2驱动所述第一蜗轮蜗杆减速器3运转，从而带动所述回转台支架4绕Z轴转动。
所述回转台支架4上设有升降调整结构，所述支撑板8通过所述升降调整结构设置在所述回转台支架4上，所述升降调整结构用于带动所述支撑板8沿Z轴移动以实现升降调节。具体地，所述升降调整结构包括丝杆7，以及传动连接的第二蜗轮蜗杆减速器6和第二步进电机5，所述第二蜗轮蜗杆减速器6设置在所述回转台支架4的顶部，所述丝杆7沿Z轴方向设置在所述回转台支架4上并与所述第二蜗轮蜗杆减速器6的蜗轮连接，所述丝杆7上通过配设的丝杠螺母与所述支撑板8固定连接，所述第二步进电机5驱动所述第二蜗轮蜗杆减速器6运转，从而带动所述丝杆7旋转，进而使支撑板8随所述丝杠螺母在所述丝杆7上沿Z轴升降运动。
所述支撑板8上设有水平传动机构，所述修整工作台10通过所述水平传动机构设置在所述支撑板8上，所述水平传动机构用于带动所述修整工作台10沿X轴移动以实现水平调节。具体的，所述水平传动机构包括丝杠滑轨9和直线驱动模组，所述丝杠滑轨9水平固定设置在所述支撑板8上，所述修整工作台10与所述丝杠滑轨9上配设的滑块相连，所示直线驱动模组与所述丝杠滑轨9的滑块传动连接以驱动所述修整工作台10沿所述丝杠滑轨9水平移动。
所述主轴11安装在所述修整工作台10上，所述修整轮12安装在所述主轴11的输出轴上，通过转动调节、升降调节和水平调节相配合，可使所述修整轮12的端面与待修整砂轮18的外周面靠近并接触以实现机械修形；
所述激光聚焦头13位置可调地安装在所述修整工作台10，所述激光发射器16通过光纤15与所述激光聚焦头13连接以使所述激光聚焦头13发射激光并照射到待修整砂轮18的外周边沿处，所述测温仪17和所述激光发射器16均与所述计算机连接，所述计算机通过所述测温仪17实时监测待修整砂轮18的温度并根据该监测的温度来调控所述激光发射器16产生的激光功率。
具体实施中，所述修整工作台10上设有滑槽，所述滑槽内活动安装有滑动调节块14，所述激光聚焦头13固定安装在所述滑动调节块14上，通过调节所述滑动调节块14在所述修整工作台10上的位置从而可调整激光聚焦头13的位置。
本发明的回转台支架4的回转采用的是蜗杆减速原理，通过第一蜗轮蜗杆减速器3的锁死作用可以防止第一步进电机2停车之后的微小旋转带来的进给量的微变化，从而保证了修整后砂轮的尺寸精度以及修整达到所需的砂轮表面精度。
本发明采用第二蜗轮蜗杆减速器6与丝杆7连接控制支撑板8上下移动，通过第二蜗轮蜗杆减速器6的锁死作用可以防止第二步进电机5停车之后修整工作台10上的部分在没有制动力的作用下沿丝杆7下坠所造成的安全隐患和再启动后的位置调整，从而保证了装置的精度和安全性，而且控制精度高。
如图3所示，本发明还提供了一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置的修整方法，包括以下步骤：
1)通过旋转调整机构和升降调整结构的协同调整，使修整轮12的端面与待修整砂轮18的外周面相对，待修整砂轮18由外部旋转轴安装固定，该旋转轴用于在修整过程中带动修整砂轮旋转；
2)开启激光发射器16将产生的激光经激光聚焦头13照射到待修整砂轮18的外周边沿处，以对待修整砂轮18进行预热，同时由测温仪17实时监测待修整砂轮18的温度t；
3)调整激光发射器16产生的激光功率和频率，当温度t大于预设的激光热辅助温度阈值t0时，水平调整修整工作台10，使修整轮12的端面与待修整砂轮18的外周面接触，且修整轮12和待修整砂轮18的轴向处于同一水平高度，然后启动主轴11并在激光热辅助下由修整轮12对待修整砂轮18进行磨削修整，以实现机械修形；
4)待机械修形完成后，调整激光发射器16产生的激光功率和频率，当温度t大于预设的激光修锐温度阈值t1时，且t1>t0，激光发射器16通过调整激光器功率来提高激光的能量密度(采用较低功率、低脉冲、高频率激光)，以使激光瞬间融化或气化待修整砂轮18表面的结合剂，以实现激光修锐。
在一具体实施中，步骤2)中，通过滑动调节块14来调整激光聚焦头13的位置，以使激光聚焦头13射出的激光照射到待修整砂轮18上，且激光的光斑中心距离修整轮12的端面为0.5-2㎜。
在另一具体实施中，所述激光发射器16的激光光源选用Nd:YAG激光，其额定功率相对较低，波形短，可以使用光纤15传送，便于简化传送系统。
优选地，当所述待修整砂轮18为铝青铜结合剂的金刚石砂轮时，预设的激光热辅助温度阈值t0的取值范围为450℃-500℃，预设的激光修锐温度阈值t1的取值范围为800℃-1100℃。该铝青铜结合剂的金刚石砂轮经过修整后，砂轮表面结合剂凹凸不平，且有很多小孔(凹凸不平的表面和小孔增加了容屑空间和储存磨削液的空间)，砂轮表面磨粒全部突出于结合剂一定高度(有助保持砂轮保持锋利)，同时金刚石磨粒性质保持稳定(避免温度过高金刚石磨粒碳化)。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，其特征在于，包括机座、回转台支架、支撑板、修整工作台、主轴、修整轮、激光聚焦头、激光发射器、测温仪和计算机，其中：
所述机座上设有旋转调整机构，所述回转台支架通过所述旋转调整机构设置在所述机座上，所述旋转调整机构用于带动所述回转台支架绕Z轴转动以实现转动调节，所述回转台支架上设有升降调整结构，所述支撑板通过所述升降调整结构设置在所述回转台支架上，所述升降调整结构用于带动所述支撑板沿Z轴移动以实现升降调节，所述支撑板上设有水平传动机构，所述修整工作台通过所述水平传动机构设置在所述支撑板上，所述水平传动机构用于带动所述修整工作台沿X轴移动以实现水平调节；
所述主轴安装在所述修整工作台上，所述修整轮安装在所述主轴的输出轴上，通过转动调节、升降调节和水平调节相配合，可使所述修整轮的端面与待修整砂轮的外周面靠近并接触以实现机械修形；
所述激光聚焦头位置可调地安装在所述修整工作台，所述激光发射器通过光纤与所述激光聚焦头连接以使所述激光聚焦头发射激光并照射到待修整砂轮的外周边沿处，所述测温仪和所述激光发射器均与所述计算机连接，所述计算机通过所述测温仪实时监测待修整砂轮的温度并根据该监测的温度来调控所述激光发射器产生的激光功率。
2.根据权利要求1所述的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，其特征在于，所述旋转调整机构包括传动连接的第一蜗轮蜗杆减速器和第一步进电机，所述第一蜗轮蜗杆减速器的轴向竖向设置固定在所述机座上，所述第一蜗轮蜗杆减速器的蜗轮与回转台支架的下端连接，所述第一步进电机驱动所述第一蜗轮蜗杆减速器运转，从而带动所述回转台支架绕Z轴转动。
3.根据权利要求1所述的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，其特征在于，所述升降调整结构包括丝杆，以及传动连接的第二蜗轮蜗杆减速器和第二步进电机，所述第二蜗轮蜗杆减速器设置在所述回转台支架的顶部，所述丝杆沿Z轴方向设置在所述回转台支架上并与所述第二蜗轮蜗杆减速器的蜗轮连接，所述丝杆上通过配设的丝杠螺母与所述支撑板固定连接，所述第二步进电机驱动所述第二蜗轮蜗杆减速器运转，从而带动所述丝杆旋转，进而使支撑板随所述丝杠螺母在所述丝杆上沿Z轴升降运动。
4.根据权利要求1所述的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，其特征在于，所述水平传动机构包括丝杠滑轨和直线驱动模组，所述丝杠滑轨水平固定设置在所述支撑板上，所述修整工作台与所述丝杠滑轨上配设的滑块相连，所示直线驱动模组与所述丝杠滑轨的滑块传动连接以驱动所述修整工作台沿所述丝杠滑轨水平移动。
5.根据权利要求1所述的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置，其特征在于，所述修整工作台上设有滑槽，所述滑槽内活动安装有滑动调节块，所述激光聚焦头固定安装在所述滑动调节块上，通过调节所述滑动调节块在所述修整工作台上的位置从而可调整激光聚焦头的位置。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的超硬磨料砂轮机械与激光复合修整装置的修整方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过旋转调整机构和升降调整结构的协同调整，使修整轮的端面与待修整砂轮的外周面相对；
2）开启激光发射器将产生的激光经激光聚焦头照射到待修整砂轮的外周边沿处，以对待修整砂轮进行预热，同时由测温仪实时监测待修整砂轮的温度t；
3）调整激光发射器产生的激光功率和频率，当温度t大于预设的激光热辅助温度阈值t0时，水平调整修整工作台，使修整轮的端面与待修整砂轮的外周面接触，然后启动主轴并在激光热辅助下由修整轮对待修整砂轮进行磨削修整，以实现机械修形；
4）待机械修形完成后，调整激光发射器产生的激光功率和频率，当温度t大于预设的激光修锐温度阈值t1时，且t1 > t0，激光发射器通过调整激光器功率来提高激光的能量密度，以使激光瞬间融化或气化待修整砂轮表面的结合剂，以实现激光修锐。
7.根据权利要求6所述的修整方法，其特征在于，步骤2）中，通过滑动调节块来调整激光聚焦头的位置，以使激光聚焦头射出的激光照射到待修整砂轮上，且激光的光斑中心距离修整轮的端面为0.5- 2㎜。
8.根据权利要求6所述的修整方法，其特征在于，步骤3）中进行机械修形时，修整轮的端面需调整到与砂轮的轴线平行。
9.根据权利要求6所述的修整方法，其特征在于，所述激光发射器的激光光源选用Nd:YAG激光。
10.根据权利要求6-8任一项所述的修整方法，其特征在于，当所述待修整砂轮为铝青铜结合剂的金刚石砂轮时，预设的激光热辅助温度阈值t0的取值范围为450℃-500℃，预设的激光修锐温度阈值t1的取值范围为800℃-1100℃。
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