超硬磨料砂轮修整的激光修整技术

超硬磨料砂轮修整的激光修整技术

（广东工业大学机电工程学院广州510006）

摘要：超硬磨料砂轮是未来砂轮发展的趋势,同时也带来了超硬磨料砂轮的修整难题。本文介绍了超硬磨料砂轮修整的现状和特点,指出超硬磨料砂轮修整的关键和亟待解决的问题。激光修整砂轮是激光技术在工业应用领域的一次重要尝试,它具有工效高、无损耗、易实现自动化等优点,因而是一种极有前景的超硬磨料砂轮的修整方法。本文对激光修整新技术的基本原理与特点、研究现状及发展、采用激光修整砂轮具有的优点和不足，以及激光修整技术效果的影响因素，进行了阐述，对今后的超硬磨料砂轮激光修整的发展方向作了展望。

关键词：超硬磨料砂轮修整激光修整技术整形法修锐法

0 前言

超硬磨料引入磨削工业使零件的加工效率和加工质量明显改善的同时, 还

延长了砂轮寿命, 提高了加工零件的尺寸稳定性。采用金刚石和CBN磨料的高效深切磨削、超高速磨削和快速点磨不仅实现了高效率和高表面完整性加工,而且还能得到精确的尺寸,特别是对硬、脆材料实现延性域无损伤加工。在难加工材料的精密磨削和高速磨削中,树脂结合剂和金属结合剂超硬磨料砂轮的大量应用使砂轮的修整问题变得日益尖锐。就砂轮的修锐而言,磨料研磨法、普通砂轮磨削法和磨削软钢法等传统方法存在修锐效率低、修锐成本高、修锐次数频繁和操作环境恶劣等明显缺点,为了充分发挥超硬磨料砂轮的性能,研究开发高效和

高精度超硬磨料砂轮的修整技术意义非常重大。主要进展表现在,一方面对传统的修锐方法进行改进,开发了杯形砂轮磨削法、游离磨料喷射法和弹性超声修锐法等;另一方面,将电化学加工和电火花加工等特种加工方法引入砂轮修锐,开发出了电火花修锐、双电极接触放电修锐和在线电解修锐等技术[1]。这些技术在实际中得到应用,但同时也存在缺点。如采用磨削法修锐时修锐工具消耗很快, 会引起超硬磨粒的机械损伤;电加工修锐要受到砂轮导电性能的限制,且对磨削液有特殊要求等。

1 超硬磨料砂轮的修整概述

超硬磨料磨具的结合剂类型对它的修整和磨削性能有较大的影响,目前主要划分为树脂、陶瓷和金属结合剂等几大类型。树脂、陶瓷结合剂强度较低,修整

相对容易,但对磨粒的把持力较低,不能有效发挥磨粒超硬、耐磨的特点。金属结合剂的强度高、韧性好,但把持力太强,使砂轮修整极为困难,加工中容易出现砂轮堵塞和被加工表面烧伤等问题。超硬磨料砂轮具有优良的磨削性能,抗磨损能力强,不需要经常修整,但在初始安装和使用磨钝后需要修整。超硬磨料砂轮的修整分为整形和修锐两个工序,整形[2]是对砂轮进行微量切削,使砂轮达到所要求

的几何形状精度,并使磨料尖端细微破碎,形成锋利磨刃。修锐是去除磨粒间的结合剂,使磨粒间有一定的容屑空间,并使磨刃突出结合剂之外形成切削刃。由于具体方法的不同,这两个过程可以统一进行,也可以分别处理。

1.1超硬磨料砂轮的整形法

超硬磨料砂轮的整形一般与普通磨料砂轮整形方法相同,最常用的整形方法为金刚石笔整形和金刚石滚轮整形。

1.2 超硬磨料砂轮的修锐法

超硬磨料砂轮的修锐要达到以下要求:

1、去除砂轮表面的结合剂材料, 使磨粒突出砂轮表面形成切削点;

2、在砂轮表面磨粒之间形成容屑空间;

3、磨粒在结合剂中的粘结深度达到要求,使磨粒在切削时有牢固的把持力而不脱落。

(1) 在线电解修锐法

在线电解修锐系统主要由金属结合剂的超硬磨料砂轮、电极(石墨或黄铜制成)、电源和电解液组成(见图1),金属结合剂通过电刷与电源的正极连接,电极与电源的负极相连,电极覆盖1/6砂轮圆周并且比砂轮宽2mm,电极与砂轮间隙可调,一般为0.11~0.13mm,当在砂轮与电极之间注入电解液并接通电源的情况下,就发生电解反应。

在线电解修锐法是专门应用于金属结合剂砂轮的修整方法，具有修整效率高、工艺过程简单，修锐质量好等特点。但这种技术只能修锐，不能整形；且电解液对磨床有腐蚀作用。

(2) 在线电火花放电修锐法：

在线电火花放电修锐法是在磨削过程中, 电极和金属结合剂之间产生火花放电,

放电产生的能量使电极和金属结合剂发生烧损,砂轮中金属结合剂在放电累积侵蚀作用下脱离砂轮表面,从而达到修锐的目的。如图2所示[12]。

利用电火花修锐技术可对任何以导电材料作为结合剂的砂轮进行在线、在位修整，易于保证磨削精度。但这种修锐方法在超微细粒度砂轮方面一直没有获得广泛应用，其修锐机理有待进一步进行分析研究。

(3) 软弹性修锐法：

软弹性修锐法(图3)是借助于砂带磨削原理进行的, 在修整过程中, 超硬磨料砂轮高速旋转, 而砂带以低速运动, 由于砂带是由软质基体制成, 它和超硬磨料砂轮弹性接触, 从而去除结合剂并使磨粒微破碎形成切削刃[3]。

(4) 游离磨粒修锐法：

游离磨粒修锐法是通过对游离磨粒施加一定压力对结合剂材料进行去除加工而达到修锐的目的。

一种是超硬磨料砂轮浸在油与普通磨料混合的容器内, 修锐盘压在砂轮表面, 游离磨粒粘在砂轮表面并在砂轮带动下进入修锐盘与砂轮之间, 游离磨粒在修锐盘压力作用下压入砂轮表面, 随着砂轮旋转, 游离磨粒挖出砂轮表面的结合剂材料, 使CBN 或金刚石磨粒突出砂轮表面, 达到修锐的目的。

另一种游离磨粒修锐法是利用压力将普通磨料注射到砂轮与修整轮之间, 游离磨粒在砂轮与修整轮之间的微小间隙内滚压, 从而去除砂轮表面结合剂材料,使砂轮磨粒露出结合剂表面,形成锋利磨刃 [4]。

还有一种是利用压缩气体把普通磨料(或磨料与流体介质的混合物)喷向旋转的超硬磨料砂轮表面,依靠磨料的能量对砂轮表面结合剂材料进行冲蚀,从而达到修锐的目的 [5]。

2 激光修整

2.1 激光修整概述

激光具有单色性好、方向性强、能量密度集中、相干性好等优点。加工用红外激光的光波长而光子能量小,红外光子作用于固体物质,一般只能激发其振转能级，受激电子通过碰撞使晶格振动,导致被辐照物体温度升高,以至熔化或气化, 改变材料的组织形态,从而产生各种加工效果。在红外激光作用下的激光加工本质上是一个热作用的过程 [6]

2. 2 激光修整砂轮的研究现状及发展