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脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮参数优化与试验研究 一 摘要 青铜金刚石砂轮由于结合剂把持力强，磨粒具有优异的磨削性能，在工程陶 瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料的磨削加工中得到了广泛应用，但是，由 于金刚石硬度极高，砂轮的修整非常困难，在一定程度上限制了金刚石砂轮的应 用。本文采用试验研究和数值模拟两种手段相结合的方法，对基于材料热效应的 声光调qy a g 脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮进行了分析和研究。 首先，通过测量脉冲激光的脉宽与激光功率得到激光功率密度值，并在考虑 结合剂真实物理属性和磨粒高温石墨化的基础上得到不同试验参数下激光修整与 修锐青铜金刚石砂轮的功率密度阈值，通过试验和仿真对阈值结果进行了验证， 并确定了适合激光在线修整砂轮的试验参数范围。借助v i s u a lb a s i c 软件建立了 针对声光调qy a g 脉冲激光修整与修锐青铜金刚石砂轮试验参数判定的e x e 可 执行程序，利用此程序可以求出任何试验条件下的脉宽、激光功率、激光功率密 度和修整与修锐所需的激光功率密度阈值，并可以判定此试验参数适合的试验类 型。 其次，运用a n s y s 有限元法，建立了三维脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学 模型和传热模型，得到了激光烧蚀金刚石磨粒后的温度分布，研究了激光修整参 数对磨粒去除厚度和石墨变质层厚度的影响规律，并在数值仿真的基础上，进一 步分析了脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的机理。 随后，通过分析与计算得到满足激光在线修整砂轮的转速范围为 o 4 2 r s 1 4 3 r s 。借助基于c c d 三角测量的激光位移传感器对砂轮表面跳动度进 行在线监测，并采用基于a r m 嵌入式l i n u x 测控系统控制q 开关，实现了砂轮 的激光在线修整，获得了良好的地形地貌，修整后的砂轮圆跳动误差达到2 0 1 l l m ， 达到良好的修整效果。 最后，以y t 5 硬质合金作为试件，采用正交磨削试验与灰色关联分析相结合 的方法通过测量磨削过程中的磨削力和磨削工件的表面粗糙度，研究了激光在线 修整砂轮的试验参数对磨削质量的影响程度，并验证了激光在线修整砂轮的可行 性与优越性，为激光修整金刚石砂轮试验参数的优化选择提供了指导。 关键词：激光技术：青铜金刚石砂轮；在线修整；数值仿真；激光功率密度阈值； 磨削性能；修整参数 1 i 硬士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es t r o n gh o l d i n gf o r c eo ft h eb r o n z e - b o n da n dt h ee x c e l l e n tg r i n d i n g p e r f o r m a n c eo ft h ed i a m o n d - a b r a s i v e ，t h eb r o n z e b o n d e dd i a m o n dw h e e l sh a v ea w i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n gc e r a m i c s ，o p t i c a l g l a s s ， u l t r a p r e c i s i o ng r i n d i n ga n dd i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a lg r i n d i n g h o w e v e r ，b e c a u s eo f t h eu l t r a h i g hh a r d n e s so ft h ed i a m o n d a b r a s i v e ，t h et r u i n ga n dd r e s s i n gp r o c e s so ft h e b r o n z e b o n d e dd i a m o n dw h e e li sv e r yd i f f i c u l t ，w h i c hr e a l l ya f f e c t st h ef u l le x e r t i o n o ft h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c eo ft h eb r o n z e b o n d e dd i a m o n dw h e e lt oac e r t a i ne x t e n t 。 i nt h i sp a p e r , f r o mb o t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，m u c h r e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n eo no n - - l i n et r u i n ga n dd r e s s i n gb r o n z e - b o n d e dd i a m o n d g r i n d i n gw h e e lb ya c o u s t i c - o p t i cq - s w i t c h e dy a gp u l s e dl a s e rw h i c hi sb a s e do n t h e r m a le f f e c t f i r s to fa l l ，b ym e a s u r i n gt h ep u l s ew i d t h sa n dl a s e rp o w e r so fa c o u s t i c o p t i c q - s w i t c h e dy a gp u l s e dl a s e r , t h el a s e rp o w e rd e n s i t i e sa y ec a l c u l a t e d t h el a s e r p o w e rd e n s i t y - t h r e s h o l d sa r eo b t a i n e do nl a s e rd r e s s i n ga n ds h a p i n gb r o n z e b o n d e d d i a m o n dg r i n d i n gw h e e li nd i f f e r e n tp u l s ew i d t h s ，b yb o t h c o n s i d e r i n gt h er e a l t h e r m a lp r o p e r t i e so ft h em i x e db r o n z e b o n da n dt h e g r a p h i t i z a t i o n o ft h e d i a m o n d - a b r a s i v ei n h i g ht e m p e r a t u r e ，a n dt h er e s u l t sa r ev e r i f i e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n s t h es u i t a b l et e s tp a r a m e t e r sa r ea l s od e t e r m i n e d 。t h e e x ee x e c u t a b l e p r o g r a m i se s t a b l i s h e df o ro n l i n e t r u i n g a n dd r e s s i n go f b r o n z e b o n d e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e lw i t ha c o u s t i c - o p t i cq - - s w i t c h e dy a g p u l s e d l a s e rb ym e a n so fv i s u a lb a s i cs o f t w a r e ，w h i c hi su s e di nc a l c u l a t i n gt h ep u l s ew i d t h s ， t h el a s e rp o w e r sa n dt h el a s e r p o w e rd e n s i t y t h r e s h o l d su n d e r d i f f e r e n tt e s t p a r a m e t e r s ，a n da l s oi nd e t e r m i n i n gt h es u i t a b l et e s tt y p eo nt h i st e s tp a r a m e t e r s 。 s e c o n d l y ，b yu s i n ga n s y sf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，a3 一dm a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o nm o d e la n dah e a tt r a n s f e rm o d e lo fs i n g l ep u l s e dl a s e ra b l a t i n gt h e d i a m o n da b r a s i v e a r ee s t a b l i s h e d b yc o n s i d e r i n g t h e g r a p h i t i z a t i o n o f d i a m o n d a b r a s i v eo nt h eb a s i so f w h i c hc o u l ds h o wt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ed i a m o n d su n d e rd i f f e r e n tt e s tp a r a m e t e r s ，a n dt h e ya r ep r o v e dt ob ec o r r e c t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s t h er e m o v a ld e p t h so ft h ed i a m o n d a b r a s i v ea n dt h ed e p t h s o fc a r b o n i z el a y e ri nd i f f e r e n tt e s tp a r a m e t e r s ( r e p e a tf r e q u e n c ya n dl a s e rp u m p i n g c u r r e n t ) h a v eb e e nm e a s u r e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e mh a v eb e e na n a l y z e d 。 l i l b yv 1 r t u eo fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em e c h a n i s mo fa c o u s t i c o p t i c q - s w i t c h e dy a g p u l 8 e dl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gt h eb r o n z e b o n dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e li s f u r t h e r a n a l y z e d s u b s e q u e n t l y ，t h eg r i n d i n gw h e e ls p e e d sr a n g ef r o m0 4 2 r st o1 4 3 r sw h i c ha r e s u i t a b l ef o rl a s e ro n 。l i n et r u i n ga n d d r e s s i n gb r o n z e b o n d e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l b ya c o u s t l c o p t i cq 。s w i t c h e dy a g p u l s e dl a s e ra r eo b t a i n e da f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o n t h e o n l i n e g r i n d i n gw h e e ld r e s s i n gi sa c h i e v e dw i t h1 a s e r d l s p l a c e m e n ts e n s o rb a s e do nc c dt r i a n g u l a t i o n p r i n c i p l e w h i c hi su s e di n m o n i t o r i n gt h eo n 。l i n ec i r c u l a rr u n o u to ft h eg r i n d i n gw h e e l ，a n dt h el i n u xc o n t r o l s y s t 锄b a s e do na r me m b e d d e ds y s t e mw h i c hi su s e di nc o n t r o lo ft h eq - s w i t c ha n d t h e nc o n t r o lo ft h eo u t p u to ft h ep u l s e dl a s e r a f t e rl a s e ro n 1 i n e t r u i n ga n dd r e s s i n g ， t h ea c c u r a c yi sf u r t h e ri m p r o v e d ，t h ec i r c u l a rr u n o u te r r o ri s r e d u c e dt o2 0 m ，a n d t h es u r f a c et o p o g r a p h yi si m p r o v e dt o o f1 n a l l y ，t h eb r o n z e d - b o n dd i a m o n dw h e e l s d r e s s e db yp u l s e d1 a s e ra r ed u tt o g r l n dt h e8 p e c l m e n s ，w h i c ha r em a d eo fy t 5c e m e n t e dc a r b i d e t h ef e a s i b i l i t va n d 8 u p e r i o r i t yo fo n 。l i n et r u i n ga n dd r e s s i n go fg r i n d i n gw h e e lb yy a g p u l s e dl a s e ra r e v e m l e db ym e a s u r i n gt h eg r i n d i n gf o r c er a t i oa n dt h es u r f a c e r o u g h n e s so fw o r k p 1 e c e m p a r e dw i t ht h em e c h a n i c a lm e t h o d ，a n dt h ei n f l u e n c ed e g r e eb e t w e e nt e s t p a r a m e t e r s ( r e p e a tf r e q u e n c ya n dl a s e rp u m p i n gc u r r e n t ) a n dt h eg r i n d i n gq u a l i t ya r e c a l c u l a t e db yu s i n gg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i sa n do r t h o g o n a l g r i n d i n ge x p e r i m e n t w h i c hw i l lh e l pu st os e l e c to p t i m a l p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：l a s e rt e c h n i q u e ；b r o n z e - b o n d e dd i a m o n d g r i n d i n gw h e e i ；o n 1 i n et r u i n g a n d d r e s s i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；l a s e rp o w e r d e n s i t y t h r e s h 。l d s ；g r i n d i n g p e r f o r m a n c e ；d r e s s i n gp a r a m e t e r s i v 脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮参数优化与试验研究 附图索引 图1 1g c 杯形砂轮修整器示意图2 图1 2 超声振动修整砂轮装置2 图1 3 论文结构框图一6 图2 1 金刚石立体结构一8 图2 2 金刚石晶胞空间结构示意图8 图2 3 金刚石磨粒与磨后粗糙度关系一9 图2 4 待修整的青铜金刚石砂轮实物图、表面微观形貌和跳动误差图1 0 图2 5 调qy a g 脉冲激光在线修整砂轮系统原理和实物图11 图2 62 0 0 w 声光调qy a g 激光器实物图一1 2 图2 7 激光烧蚀光斑图1 3 图2 8 卢光调q 原理图1 3 图2 9 声光调q 元件实物图1 4 图2 1 0q 开关驱动器实物图1 4 图2 1 1m 1 和m 2 控制方式示意图1 4 图2 1 2 激光位移传感器三角测量原理图1 5 图2 1 3 基于c c d 三角测量的激光位移传感器1 6 图3 1 程序流程图2 0 图3 2 激光模型三维示意图2 1 图3 3 单元网格划分2 1 图3 4 施加载荷图2 1 图3 5 激光烧蚀金刚石磨粒a n s y s 温度场云图2 1 图3 6 不同修整参数下激光烧蚀金刚石磨粒a n s y s 温度场云图2 1 图3 7 单脉冲烧蚀金刚石磨粒s e m 图2 3 图3 8 调q 重复频率与金刚石磨粒去除厚度关系( i = 2 4 a ) 2 4 图3 9 激光泵浦电流强度与金刚石磨粒去除厚度关系( f = 2 k h z ) 2 5 图3 1 0 砂轮修锐时调q 重复频率与石墨变质层厚度的关系( i = 9 a ) 2 6 图3 1 1 砂轮修锐时激光泵浦电流强度与石墨变质层厚度的关系0 c = 1 0 k h z ) 2 6 图3 1 2 砂轮整形时调q 重复频率与石墨变质层厚度的关系( 卢1 8 a ) 一2 7 图3 1 3 砂轮整形时激光泵浦电流强度与石墨变质层厚度的关系( f = 2 k h z ) 2 7 图4 1 激光在线修整青铜金刚石砂轮功率密度阈值研究流程3 0 图4 2 调qy a g 脉冲激光脉宽测量示意图31 v i i i 硕士学位论文 图4 3 不同泵浦电流强度下的激光单脉冲波形图：3 1 图4 4 调qy a g 脉冲激光功率的测量示意图3 4 图4 5 激光烧蚀金刚石磨粒a n s y s 温度场云图一3 9 图4 6 激光烧蚀金刚石磨粒a n s y s 温度场云图一4 0 图4 7 光学显微镜下y a g 脉冲激光器烧蚀青铜金刚石砂轮试验图片4 0 图4 8 砂轮表面圆跳动度4 1 图4 9 脉冲激光修锐与修整青铜金刚石砂轮试验类型判定程序流程图4 2 图4 1 0 基于v b 的激光修整与修锐青铜金刚石砂轮参数判定程序界面图4 2 图5 1 测控系统总体框图4 5 图5 2 控制部分总体框图4 6 图5 3 测控系统对砂轮进行离线监测流程图4 7 图5 4 测控系统对砂轮进行在线监测流程图4 7 图5 5 光学显微镜下经激光在线修整后的金刚石砂轮表面微观形貌一4 8 图5 6 激光位移传感器测得激光在线修整后砂轮表面圆跳动度4 9 图6 1 光学显微镜下不同在线修整工艺参数的激光修整后的金刚石砂轮表面微观 形貌51 图6 2 外圆磨削三个磨削分力5 2 图6 3 外圆磨削力测量原理图5 3 图6 4 外圆磨削力测量系统示意图5 3 i x 一 脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮参数优化与试验研究 附表索引 表2 1 结合剂成分的热物理性质9 表2 2 试验用y a g 激光器参数1 2 表3 1 金刚石和石墨物理属性1 9 表3 2 金刚石在高温下不同介质中的热稳定性2 2 表3 3 本试验石墨与金刚石物理属性2 8 表4 1 调qy a g 脉冲激光脉宽测量值3 2 表4 2 脉宽拟合函数算法分析表3 3 表4 3 脉宽拟合函数参数名及参数值3 3 表4 4 脉宽测量值与函数拟合值比较3 3 表4 5 调qy a g 激光功率测量值( a = 0 m m ) 3 4 表4 6 激光功率拟合函数算法分析表3 5 表4 7 激光功率拟合函数参数名及参数值3 5 表4 8 激光功率测量值与函数拟合值比较( a = 0 r a m ) 3 5 表4 9 调qy a g 激光功率密度计算值( a = 0 m m ) 3 6 表4 1 0 激光功率密度拟合函数算法分析表3 7 表4 1 1 激光功率密度拟合函数参数名及参数值3 7 表4 1 2 激光功率密度计算值与拟合值比较( a = 0 m m ) 一3 7 表4 1 3 结合剂、金刚石和石墨的真实物理属性3 8 表4 1 4 不同脉宽时的激光功率密度阈值( a = o m m ) 一3 8 表4 1 5 不同脉宽下激光修整砂轮功率密度阈值( a = 0 m m ) 3 9 表6 1 调qy a g 激光在线修整修整砂轮试验工艺参数5 0 表6 2 磨削工艺参数5 4 表6 3 激光在线修整砂轮正交磨削试验及结果( 口。= o i r a m ) 5 5 表6 4 激光在线修整砂轮正交磨削试验及结果( a 。= o 2 m m ) 5 5 表6 5 关联系数矩阵( a 。= o 1 m m ) 5 7 表6 6 关联系数矩阵( a 。= o 2 r a m ) 5 7 表6 7 灰色关联度矩阵( a 。= o 1 m m ) 5 8 表6 8 灰色关联度矩阵( a 。= o 2 r a m ) 5 8 x 一 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 青铜结合剂金刚石砂轮简介 磨削是用硬磨料颗粒作为切削工具进行的加工过程的统称，砂轮是磨削加工 中最主要的一类磨具，是在磨料中加入结合剂，经压坯、干燥和焙烧而制成的多 孔体，砂轮由结合剂、气孔和磨粒组成，其性能由组织结构、结合剂的种类、结 合度、粒度和磨粒的类型这五个因素所决定。通常使用的“普通”砂轮由氧化铝或 碳化硅磨料与陶瓷的或树脂结合剂组成。而“超硬磨料”砂轮由金刚石或立方氮化 硼磨料与陶瓷、树脂或金属结合剂组成。砂轮的性能对磨削工件的表面质量和磨 削加工效率有极大的影响，因此合理改进砂轮的特性对控制和优化磨削过程，实 现高效高质量低成本的磨削具有重要的意义。 青铜金刚石砂轮结构一般由工作层、基体、过渡层三部分组成。工作层又称 金刚石层，是砂轮的工作部分，由人造金刚石磨粒和结合剂组成，其厚度1 5 5 r a m 。过渡层又称非金刚石层，由结合剂、金属粉和填料组成，是将磨料层与基 体连接起来，同时能充分利用磨料层而不会磨损基体。基体，是砂轮的主体，用 于承接磨料层，并在使用时用法兰盘牢固地夹持在磨床主轴上，一般选用钢材、 合金钢粉作基体【ij 。 由于金刚石磨料所具有的特性( 硬度高、抗压强度高、耐磨性好) ，用于磨削 加工时不但效率高、精度高，而且加工工件表面粗糙度好、磨具消耗少、使用寿 命长，同时还可改善劳动条件，因此广泛应用于普通磨具难于加工的低铁含量的 金属及非金属硬脆材料，如硬质合金、高铝瓷、光学玻璃、玛瑙宝石、半导体材 料、石材等。但金刚使砂轮不宜加工铁族金属，因为它与铁在高温下化学稳定性 差，易磨损。金刚石砂轮按结合剂可分为：树脂结合剂金刚石砂轮；陶瓷结合剂 金刚石砂轮；金属结合剂金刚石砂轮，其中金属结合剂的种类主要有青铜结合剂、 钨钴合金、镍钴合金结合剂以及硬质合金结合剂等。 1 2 青铜金刚石砂轮修整方法 在磨削过程中，由于磨削力和磨削区域高温、粘附等作用，磨粒粒度会减小， 导致砂轮的容屑空间减小，因而在磨削加工中容易堵塞容屑孑l ，金刚石磨粒的变 钝，会使砂轮自锐性变差，增大磨料所承受的磨削力，进而会引起磨削加工区域 的摩擦热聚集，这些严重影响了加工工件的表面加工质量，严重的甚至会烧伤工 件表面【2 1 。为保证磨削加工的效率和磨削工件的质量，需要经常对金刚石砂轮进 壁些些型塑塑塑鳖竺丝型望墼堡二一 行修整。合理的修整方法可以得到所需要的砂轮宏观几何外形与表面地形地貌， 而金刚石砂轮的形貌( 包括气孔数量、有效磨刃数、结合剂的磨损情况等) 又将直 接影响磨削工件的表面质量，但由于金刚石颗粒本身的硬度高于其他材料，因而 青铜金刚石砂轮的修整非常困难。 砂轮的修整通常分为两道工序：整形与修锐。砂轮整形是指对砂轮工作表面 材料进行微量“切削”，使砂轮达到所要求的几何形状精度，并使磨粒尖端微细破 碎，形成锋利切削刃的过程；砂轮修锐是指只去除掉磨粒间的结合剂而保留磨粒 部分，使磨粒凸出于结合剂部分，形成砂轮磨削工作的切削刃。金刚石砂轮修整 的实质上就是砂轮整形与砂轮修锐的合二为一，即在微量去除磨粒的同时大量去 除结合剂。 通常采用普通砂轮磨削法、游离磨料研磨法等机械方法修整金刚石砂轮，但 修整过程中金刚石磨料脱落较多，砂轮损耗大，且修整效率低、成本较高。近年 来，对青铜金刚石砂轮修整技术的研究主要分为两大方面，一方面是对传统的修 整技术进行改进，开发了游离磨料喷射法、弹性超声修锐法和g c 杯形砂轮磨削 法等；另一方面是将特种加工方法引入砂轮修整技术发展了许多新的修整方法， 如在线电解修整法、砂带修整法、电火花修整法、超声波振动修整法和复合修整 法等方法，如图1 1 和图1 2 所示，但是，g c 杯形砂轮修整装置复杂，修整工具 耗损严重，并且与各类磨床的结合性较差；在线电解修整法虽然修整速度快，但 精度不高，而且需要配备二号用的电源；电火花修整法既可整形又可修锐，虽修整 精度较高，但修整速度很慢；超声波振动修整法只能修锐，不能整形：金刚石砂 轮复合修整法又有电解一电火花复合修整法、机械电火花修整法等，虽然修整效 果较好，但修整系统过于复杂，所以至今仍然没有较好的解决金刚石砂轮的修整 问题。另外，还发明了电化学在线修整、磁粉研蚀修整和电化学放电加工等，但 这些修整方法应用范围有限仅适用于金属结合剂砂轮，并且对磨削液有特别的限 制，需要专门的电源装置，价格较高，修整效率无法保证1 3 “】。因此，目前急需 研发一种修整效率高、修整精度高和适应性强的砂轮修整方法，这对青铜金刚石 砂轮的进一步推广应用有着重要意义。 金冈事葡眵轮 机 鳃暑 图1 1g c 杯形砂轮修整器示意图 图1 2 超声振动修整砂轮装置 硕士学位论文 1 3 激光修整超硬磨料砂轮概述 激光加工是指激光束作用于材料表面，引起物体形状或性能改变的过程，按 作用机理- j - 以分为激光热加工过程和激光冷加工过程。激光修整砂轮是一种新型 的砂轮修整技术，由b a b u 和r a d h a k r i s h n a n 提出，属于激光热加工过程，它是以 激光为热源对砂轮材料( 结合剂、磨粒) 进行热加工，它在激光加工归类于激光 去除，其加工过程主要基于热的融化和气化作用，通过激光辐照砂轮表面，使材 料发生质量迁移( 即烧蚀) ，其修整过程大致为：激光束照射砂轮表面_ 吸收光能 _ 光能转变为热能使砂轮材料迅速加热_ 砂轮材料被熔化、汽化、去除或破坏_ 激光作用结束【7 ，8 1 。 激光修整超硬磨料砂轮是一种新型的修整方法，是利用激光加工特有的高能 量密度输入、高加工效率、高运转速度、零工具损耗、非接触加工和方便加以控 制等特点，利用光学聚焦系统把激光束聚焦成微米级的光斑作用于砂轮表面，使 表面材料在极短的时间内的产生熔化、气化以达到砂轮修整的目的【9 1 。 理论上激光修整法适用于修整各种型号的砂轮，采用激光修整超硬磨料砂轮 时，利用磨料与结合剂的热物理性能差异( 经计算表明，在相同的作用时间内， 超硬磨料达到熔点所需的激光功率密度值比结合剂材料高1 3 个数量级) ，通过 控制激光加工参数选择较低的激光功率密度，可选择性地去除砂轮结合剂，而不 损伤磨粒，最终使磨粒突出于结合剂，在砂轮表面形成切削刃和容屑空间，达到 砂轮修锐的目的【1o 】；另一方面，当激光功率密度足够高时，可同时去除磨粒和结 合剂，选择合适的砂轮的运动参数，并通过引入激光控制系统，可以使砂轮获得 良好的修整形状和地形地貌，达到砂轮修整的目的( 即修锐整形二合一) 。 激光修整砂轮是基于激光与物质的热作用原理，但如果激光作用时问过长或 者强度过大，会导致热影响区过大，可能会引起磨粒的热损伤，还有可能导致磨 粒的松动和脱落。本文利用声光调qy a g 脉冲激光占空比小、脉宽短、重复频率 高等特点，在激光加工时可产生极小的热积累和热影响区，砂轮经修整后能得到 较大的容屑空间和合适的磨粒凸出高度，在脉冲激光修整过程中，每个激光脉冲 微米级去除材料，在砂轮表面形成一个极微小凹坑，通过长时间脉冲重叠，就形 成了一个光滑的修整过的砂轮表面。 由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，使得激光 修整砂轮有以下特点1 1 1 j ： ( 1 ) 、适应性广：激光修整砂轮是基于热作用，由于它是无接触加工，因此无 “刀具”磨损，无“切削力”作用，对砂轮无直接冲击，因此无机械变形、加工速度 快、无噪声；并且由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因此可适 应各种结合剂和磨粒的砂轮修整。 ( 2 、) 、易获得较理想的砂轮修整精度和地形地貌：激光束能量密度高，加工速 度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，因此其热影响的区 域小。 ( 3 1 、有利于延长砂轮的使用寿命：激光修整可选择性去除磨粒或结合剂，不 会造成大量磨粒脱落，不会降低结合剂对磨粒的把持力，同时有利于节省材料。 本文正是利用声光调qy a g 脉冲激光的高能量密度输入，可以在极短的时间 内使金刚石磨粒温度迅速升高到升华温度，从而达到修整金刚石砂轮的目的。 1 4 激光在线修整青铜金刚石砂轮研究现状 1 4 1 激光修整砂轮的研究现状 激光修整超硬磨料砂轮相对于普通修整方法而言，有诸多优点，国内外学者 纷纷对其开展理论与试验研究，并且已取得一定的进展。 2 0 世纪8 0 年代，n 。r a m e s h b a b u 和v r a d h a k r i s h n a n l l 2 1 4 】采用n d ：y a g 激 光分别对a 1 ，o ，磨粒、s i c 磨粒和s i o ，结合剂进行照射，并尝试采用激光修锐陶瓷 结合剂氧化铝砂轮，研究了在干磨试验条件下，激光功率密度和砂轮进给速度对 砂轮磨削性能的影响，还研究了在湿磨试验条件下，激光修锐进给率对砂轮磨削 性能的影响。m a t s u t t r a 等人【”】采用u v 激光修整器修整树脂结合剂金刚石砂轮， 实现了将结合剂去除量控制在约2 1 a m 内，而不会对树脂结合剂造成任何机械损 伤。k u n i e d a t l 6 1 等人采用n d ：y a g 三次谐波激光修整超细树脂结合剂金刚石微型 砂轮，经过激光修整明显增加了砂轮磨粒的有效磨刃数。日本t o s h i k a t s u n a k a j i m a 等人【1 7 , 1 8 用调qy a g 激光修锐树脂结合剂的a 1 2 0 3 砂轮，研究了连续激光修锐 对砂轮表面变质层的影响，研究了调q 激光下不同重复频率、离焦量等对a 1 2 0 3 砂轮修锐的影响，并进行了磨削对比试验。德国ew e s t k i m p e r 等人1 1 9 1 用y a g 激光器普通脉冲修锐树脂结合剂c b n 砂轮，同时提出激光从切向对砂轮整形、 径向修锐的观点。美国大学的m j j a c k s o n 等人【2 0 j 利用c 0 2 激光对陶瓷结合剂 的c b n 砂轮进行了修锐研究，并与传统的金刚石修锐作了比较，并提出从切 向对砂轮修整的观点。 国内方面，上海交通：大学陈明等人 9 1 采用y a g 激光对树脂结合剂s i c 砂轮 进行了修锐试验和理论计算，并采用激光三维扫描的方法评价砂轮激光修锐效 果；王艳等人 2 1 , 2 2 】采用c o ，激光器对超硬磨料砂轮进行了修锐试验，对激光热 影区的深宽比进行了分析，并对激光作用下砂轮表面不同结合剂材料的烧蚀机理 进行了分析。西北工业大学康仁科等人 2 3 , 2 4 】用y a g 激光器普通脉冲对树脂、青 铜结合剂金刚石进行了试验研究，讨论了砂轮表面的微观形貌，分析了激光作用 下砂轮表面不同结合剂材料的去除机理。大连理工大学的王续跃等人t 2 s l $ i j 用 4 硕士学位论文 y a g 激光，采用建模与试验的方法研究了入射角、临界角、离焦量等对激光修整 圆柱形c b n 砂轮的影响，建立了激光修锐的三维热传导模型。湖南大学的陈根 余等人 2 6 2 9 1 采用声光调qn d ：y a g 脉冲激光对树脂和金属结合剂砂轮进行了修整 试验，研究了声光调qn d ：y a g 脉冲激光修整超硬磨料砂轮的机理，并用m a t l a b 对烧蚀过程进行了模拟分析，得到了砂轮修锐和修整分别所需的激光参数，并利 用磨削试验对激光修整砂轮的可行性与优越性进行了验证。 从上面的论述可以看出，现阶段的研究工作主要集中在：( 1 ) 、不加控制电路， 采用离线法进行激光修整砂轮；( 2 ) 、单纯从修整试验角度研究激光烧蚀机理和激 光修整参数对砂轮修整质量与效率的影响规律，而对引入测控系统的激光在线修 整砂轮的研究却未见报道，这将是本文研究的重点。 1 4 2 激光修整砂轮数值仿真研究现状 由于影响激光砂轮修整结果的参数较多( 包括激光参数、工艺参数、砂轮参 数等) ，需要进行大量的试验来确定激光修整砂轮参数，以获得良好的修整效果， 而不同的砂轮又会对应不同的激光修整参数，从而使情况变得更为复杂，因此， 建立一个比较全面合理的激光烧蚀模型，对控制和优化选择激光修整参数显得尤 其重要。 目前，国内外针对激光烧蚀砂轮的机理与模型研究较少，v r a d h a k r i s h n a n 3 0 】 采用基于纯气化烧蚀机理，通过有限差分法计算了砂轮内的温度场和烧蚀凹坑形 貌，建立了激光修锐a 1 ，0 。砂轮表面模型。湖南大学马宏路等人【2 6 3 l 】基于激光与 材料的气化理论机理，分析了单脉冲激光去除金刚石磨粒的过程，并借助于有限 元分析，建立了一维激光修整砂轮热传导模型，仿真得到了激光烧蚀金刚石磨粒 的温度场分布；彭凯等人建立了声光调qy a g 脉冲激光烧蚀青铜结合剂的实际过 程的气化动力学模型，借助于有限元数值仿真，模拟出各种激光功率密度下的熔 层温度和烧蚀速率，获得了激光功率密度与去除厚度的关系。 从上面的论述可以看出，现阶段的激光烧蚀模型主要为基于纯气化理论的一 维温度场，并且在建模过程中没有考虑金刚石的热稳定性和真实存在的金刚石石 墨化过程，其数值分析结果往往与试验结果偏差很大，因此，本文在基于金刚石 石墨化过程的基础上，建立了三维调qy a g 脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学模型 和热传导模型，并研究试验参数( 调q 重复频率和激光泵浦电流强度) 对金刚石 磨粒去除厚度和变质层厚度的影响规律，这也是本文激光烧蚀温度场仿真的重点。 1 4 3 激光修整砂轮效果评价的研究现状 修整后的砂轮表面形貌和几何形状精度将直接影响着工件的磨削质量，因此 对经声光调qy a g 脉冲在线修整后的砂轮进行修整效果评估显得尤为重要。 大连理工大学霍凤伟等人1 3 2 j 采用三维表面轮廓仪测量了粒度为3 0 0 0 的金刚 脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮参数优化与试验研究 石砂轮表面地形地貌，并利用频谱分析法分析了砂轮表面的频率构成，随后又重 建了砂轮表面的三维形貌，求得砂轮磨粒平均间距、静态有效磨粒密度和磨粒平 均出刃高度。清华大学言兰等人f 3 3 1 利用白光干涉仪测量了氧化铝砂轮表面形貌、 利用伯明翰三维表面粗糙度特征参数量化砂轮表面地貌特征，随后又评价了不同 粒度号氧化铝砂轮的磨粒形状、磨粒锋利程度和磨粒密度，并在磨粒出刃高度测 量试验的基础上，利用统计方法建立了针对氧化铝砂轮表面磨粒出刃高度分布的 数学模型。湖南大学陈根余等人【2 7 l 利用磨削氧化铝陶瓷试验，通过测量磨削过程 中的磨削力和工件表面粗糙度，将激光修整砂轮与传统碳化硅滚轮修整后砂轮的 磨削性能作对比，验证了激光修整砂轮的优越性。南京航天航空大学左敦稳等人 【3 4 】通过使用铝工件和砂轮片的相对刻划试验，通过分析刻划时的切向力与法向力 之比，对二氧化碳激光器修整树脂结合剂金刚石砂轮效果进行了定量评价。 由上述可见，目前大部分学者对砂轮修整质量的研究主要集中在：通过磨削 试验和砂轮形貌三维扫描的方法对经激光修整的砂轮修整效果进行评价，而对激 光修整砂轮试验工艺参数对磨削质量的影响程度的研究却很少，这将是本文砂轮 修整效果评价的重点。 1 5 本文研究的内容及目标 本课题在国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项 ( 2 0 1 2 z x 0 4 0 0 3 1 0 1 ) 资助下，对声光调qy a g 脉冲激光在线修整青铜金刚石砂 轮技术进行研究。本文共分6 章，图1 3 为论文结构框图，其中第2 章激光在线 修整青铜金刚石砂轮试验装置、第3 章激光在线修整青铜金刚石砂轮数值仿真研 究和第4 章激光功率密度阈值研究是为第5 章脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮 试验做理论与试验准备，并通过第6 章磨削试验对激光在线修整砂轮修整效果进 行评价。 图1 3 论文结构框图 硕士学位论文 具体而言，本论文所研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 、在考虑金刚石磨粒高温石墨化与结合剂真实物理属性的基础上，通过 计算分析得到不同试验参数下激光修整青铜结合剂砂轮功率密度阈值，并通过试 验与仿真验证了结果的正确性，确定了适合激光在线修整砂轮的试验参数范围。 ( 2 ) 、采用数值仿真和试验验证相结合的方法，建立了三维脉冲激光烧蚀金 刚石磨粒的数学模型和传热模型，得到了激光烧蚀金刚石磨粒后的温度分布，并 针对调qy a g