楊志波,楊瑞云,李斌,張振

（1.河南理工大學,河南焦作454003；2.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

金剛石砂輪激光-超聲振動復合修整試驗研究

楊志波1,楊瑞云1,李斌2,張振1

（1.河南理工大學,河南焦作454003；2.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

為解決超硬磨料砂輪修整的效率低、精度差、成本高、工具磨損大等難題,提出激光-超聲振動復合的新型修整方法.在超聲振動修整方式的優(yōu)勢下,輔助以激光加熱,可使砂輪表面軟化,塑性增強,修整工具受力減小、磨損率降低,修整效率提高.完成了復合修整系統(tǒng)設計、實驗平臺的搭建以及試驗研究.結果表明：和普通機械修整方式相比,在選擇合適工藝參數(shù)下的激光超聲復合修整砂輪的砂輪形貌、單顆粒磨粒形態(tài)和砂輪磨削特性優(yōu)于普通修整方式.

金剛石砂輪；激光-超聲振動復合修整；工藝參數(shù)

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展,具有優(yōu)異性能的難加工材料,如光學玻璃、高溫合金、鈦合金、超高強度鋼、陶瓷及單晶硅等在航天、航空、光學及儀器儀表、汽車等這些尖端領域中的應用越來越多.如何高效精密地加工這些難加工材料已成為當今研究的熱點之一.由于對加工精度要求的逐步提高,以及超硬材料的本身難加工的特性,使得磨削加工,特別是使用超硬磨料砂輪對這些材料進行高效精密磨削加工的需求日益增加[1-3].其中以金剛石和立方氮化硼磨粒為主要代表的超硬磨粒砂輪其用量以每年約10%的速度增長[4].然而超硬磨料砂輪的使用仍存在諸多不足,如修整難度大、修整時間長、修整效率低、修整器具磨損嚴重等.因此,研究快速高效、高質量的砂輪修整技術成為實現(xiàn)難加工材料精密超精密磨削、高速高效磨削、成形磨削、磨削自動化的關鍵技術之一[5].

當前,高效修整超硬磨料砂輪的方法很多,包括點擠壓修整法、杯型砂輪修整法、電火花修整法、在線電解修整法、激光修銳法和超聲振動修整法等技術,也有把兩種及以上的修整技術復合在一起的,比如激光輔助金剛石筆修整、機械化學復合修整、電解電火花復合修整等.雖然這些方法在一定程度上使磨削質量有所改善,也使砂輪的磨損有所降低,但隨著實用性、經(jīng)濟性、便利性、高效性等要求的提高和超硬磨料砂輪自身高硬度的特點,這些修整方法在實際修整過程中仍存在不同程度的局限.杯形砂輪研磨修整法的優(yōu)點是修整精度較高,但不足之處是修整機構復雜,修整效率低,修整時杯形砂輪的損耗太大；點擠壓修整法局限性是只可以修整部分超硬磨料砂輪,如陶瓷結合劑CBN砂輪和多孔結合劑金剛石砂輪[6]；ELID磨削技術特別適合加工硬脆材料,但是設備復雜昂貴,阻礙了該方法的應用[7]；電火花修整精度高,但缺陷是修整效率低.激光修整方法效率高,可以修整復雜的型面,但是整形精度不理想,同時,該修整方法投資大,對環(huán)境及防護要求也很高；金剛石筆輔助超聲振動修整方式在整形同時,也可獲得修銳效果,并且在延長砂輪使用壽命及工件的磨削質量方面有較好的效果[8-9],但是仍存在砂輪修整效率低、修整工具損耗快等問題.還有把兩種修整方式復合使用的,但是仍需進一步探索研究.本文主要探討激光-超聲振動復合方法的修整效果.

1 試驗條件與方案

本試驗采用基于激光熱效應的二維超聲振動機械復合修整工藝系統(tǒng),修整裝置由由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、和激光發(fā)射器、激光聚焦頭、光纖、金剛石修整筆、測力儀、和砂輪等組成.砂輪修整試驗在在超精密數(shù)控車床上進行,超硬磨料砂輪裝置安裝在機床上,按照一定的速度轉動,砂輪修整深度通過百分表來控制.滑動拖板上安裝有測力儀,在測力儀平臺上安裝有支架,超聲振動修整裝置和激光聚焦頭固定在支架上,依靠滑動拖板軸向進給,振動采用二維橢圓超聲振動.超聲激光復合修整砂輪裝置如圖1所示.

圖1 激光、超聲振動復合修整砂輪裝置Fig.1 The device of laser and ultrasonic vibration compound dressing of grinding wheel

修整時聚焦激光束以適當?shù)娜肷浣嵌?、距離、合適的加熱時間和能量密度在修整點前方對旋轉的砂輪進行加熱,金剛石修整筆切入砂輪表面并沿砂輪軸向進給,同時,金剛石修整筆在超聲振動裝置的驅動下進行有規(guī)律的振動,在筆尖處形成復合橢圓超聲振動,修整筆尖沿著橢圓軌跡向上移動從而脫離砂輪,待金剛石修整筆完全脫離砂輪后,便會運動到下次修整的新初始位置,進行新一輪的修整.修整條件如表1所示.為便于白光干涉儀及電鏡觀察測量砂輪形貌,試驗所用砂輪為青銅結合劑金剛石砂輪鑲塊兒砂輪,砂輪型號為：1A1 150×10×32×5 MBD 120 M 100,試驗所采用的修整頻率為35 kHz.

表1 修整條件Tab.1 Dressing conditions

具體試驗方案：在相同條件下,分別采用普通機械振動修整和在超聲激光復合修整砂輪,并采取顯微觀測法及磨削性能的試驗研究來檢測不同修整方式下砂輪的修整效果.顯微觀測法分別從修整后砂輪砂輪表面形貌和單顆磨粒形態(tài)兩方面進行對比,磨削性能的試驗研究則通過對比修整后砂輪磨削陶瓷試件磨削力的大小進行研究.

2 結果與分析

2.1 砂輪表面形貌

普通機械修整和激光-超聲復合修整修整方法所修整的砂輪表面形貌見圖2.

圖2 修整后砂輪形貌Fig.2 The topography of grinding wheel

通過對比普通機械修整和激光超聲復合修整修整方法所修整的砂輪表面SEM照片,可以看出兩種修整方式下砂輪的形貌迥然不同.如圖2-a所示,普通修整造成砂輪表面磨粒脫落、破碎、松動現(xiàn)象較為嚴重,砂輪表面靜態(tài)磨粒比較少,結合劑三角洲半包圍磨粒,磨粒突出基體的高度不明顯.而在激光-超聲復合修整方式下（見圖2-b）,砂輪表面形貌較好,僅有少數(shù)的磨粒破碎,并且和普通修整方式相比砂輪所含靜態(tài)有效磨粒數(shù)較多,磨粒明顯突出基體,分布也比較均勻,磨粒表面光滑平整,含有棱邊數(shù)量較多,切削能力較強,結合劑對磨粒把持能力也有所增強.這也表明普通修整方式下砂輪表面的材料去除主要以結合劑斷裂和磨粒的脆性斷裂為主,而激光、超聲振動復合修整方式下,材料去除主要以結合劑的延性去除和磨粒的磨損為主.

2.2 砂輪表面單顆磨粒形態(tài)

普通機械修整和激光-超聲復合修整修整后砂輪表面單顆磨粒形態(tài)見圖3.

圖3 修整后砂輪表面單顆磨粒形態(tài)Fig.3 Single grain morphology of the grinding wheel’s surface

圖3為采用Talysurf CCI 6000白光干涉儀觀測兩種修整方式后的砂輪表面單顆磨粒形態(tài).由圖3可知,在這兩種不同修整方式下砂輪磨粒的表現(xiàn)形態(tài)也截然不同.如圖3-a所示,砂輪在普通修整方式下,結合劑三角洲半包圍磨粒、磨粒突出基體高度小,棱角破損率較高,切削刃也不夠鋒利,磨削能力較差.圖3-b顯示,在激光超聲振動復合修整方式下,砂輪的磨粒雖有微破碎、但是基本保持完好,磨粒表面比較光滑,突出基體高度較大,棱角比較鋒利,有較強的磨削能力.

2.3 磨削力

在相同條件下,分別用普通機械修整與激光、超聲振動復合修整的砂輪去磨削陶瓷試件,通過圖4所示的磨削力測量系統(tǒng)測量不同修整方式下砂輪的磨削力.一般將磨削力分解成互相垂直的切向磨削力、軸向磨削力和法向磨削力3個力來研究[10-11].軸向磨削力一般較小,可不計.由于砂輪磨粒具有較大的負前角,所以在3個磨削分力中法向磨削力數(shù)值最大[12],它與砂輪磨粒的銳鈍情況密切相關.磨粒鈍化,將引起法向摩擦力的急劇增大,使砂輪磨損加快,工件表面質量惡化等；反之,磨粒銳利,則法向摩擦力減小,法向磨削力降低,工件質量上升.不同修整方式下砂輪磨削力對比見圖5.

圖4 磨削力測量系統(tǒng)Fig.4 The grinding force measuring system

圖5 不同修整方式下砂輪的磨削力對比Fig.5 Grinding force comparison of grinding wheel under different dressing methods

由圖5可知,在相同的工件進給速度和進給量情況下,激光超聲復合修整后的砂輪磨削力低于普通機械修整.由此可見,在磨削參數(shù)相同的前提下,采用激光超聲振動復合修整砂輪方式,會使砂輪磨粒更加突出、鋒利.激光超聲振動復合修整后砂輪的形貌、磨削特性優(yōu)于普通機械修整.

2.4 分析

橢圓超聲振動修整法金剛石筆修整運動軌跡為橢圓,修整深度不斷變化,表面材料去除機理主要以磨粒微破碎和結合劑延性去除為主.修整過程中金剛石筆和砂輪斷續(xù)接觸,使金剛石筆的壽命延長,該方法在整形同時也可以達到修銳效果.在發(fā)揮原有超聲振動修整方式的優(yōu)勢下,再輔助以激光加熱,可以使砂輪表面軟化,塑性增強,主要以塑性去除材料為主,修整工具受力減小、磨損減小.所以激光超聲振動復合修整后砂輪的形貌、單顆粒磨粒形態(tài)和磨削特性優(yōu)于普通機械修整.

3 結論

修整試驗結果表明：與普通機械修整方法相比,在合適的工藝參數(shù)情況下,激光、超聲振動復合修整方式下的砂輪磨粒保持較好,靜態(tài)有效磨粒數(shù)較普通修整方式下多,磨粒分布也比較均勻,表面比較光滑,突出基體高度較大,棱角比較鋒利,并且結合劑對磨粒把持也更為牢固,具有較好的磨粒形態(tài)、砂輪形貌和磨削特性.

[1]鄒峰,于愛兵,王長昌.金屬基金剛石砂輪修整技術的研究進展[J].精密制造與自動化,2003（2）：12-14.

[2]王續(xù)躍,汲叢平,康仁科,等.青銅結合劑金剛石砂輪激光修銳試驗研究[J].大連理工大學學報,2007,47（6）：823-828.

[3]Marinescu I D,Hitchiner M,Uhlmann E.Handbook of Machining with Grinding Wheels[A].CRC Press,2006.

[4]Marinescu I D.Handbook ofadvanced ceramics machining[A].CRC Press,2007.

[5]范紅偉,袁巨龍,呂冰海,等.金屬結合劑砂輪的研究與發(fā)展[J].航空精密制造技術,2010（8）：38-41.

[6]Linke B.Dressing process modelfor viteified bonded grinding wheels[J].CIPPAnnals Manufacturing Technology,2008,3：83-86.

[7]王紅妍.在線電火花修整砂輪磨削技術[J].機械工程師,2006（4）：103-105.

[8]趙捷,高國富.超硬磨料砂輪超聲振動修整新進展[J].金剛石與磨料磨具工程,2010（2）：79-82.

[9]何全茂,趙捷,高國富,趙波.CBN砂輪超聲振動修整試驗研究[J].現(xiàn)代制造工程,2010（8）：31-35.

[10]肖樂銀,劉志環(huán),蔣燕麟,等.陶瓷CBN砂輪基體材料及截形選擇[J].超硬材料工程,2008（3）：15-18.

[11]彭庚新.樹脂CBN砂輪激光修整及其高速磨削性能的試驗研究[D].長沙：湖南大學,2004.

[12]楊長勇.單層釬焊立方氮化硼砂輪緩進深切磨削鈦合金的基礎研究[D].南京：南京航空航天大學,2010.

（責任編輯：盧奇）

Experimental research on truing of diamond wheels with laser heating and ultrasonic vibration assistance

YANG Zhibo1,YANG Ruiyun1,LI Bin2,ZHANG Zhen1
（1.Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China；2.Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003,China）

In order to solve the problems such as low efficiency,bad precision,high cost and high tool wear in the turing of superabrasive grinding wheel,a new dressing method of laser heating and ultrasonic vibration assistance was proposed in this paper.Under the advantages of ultrasonic vibration dressing methods,aided by laser heating,which could make the grinding wheel surface to soften,plastic,stress reduction of trimming tool,the wear rate was reduced, finishing efficiency.The design of composite dressing system,the building of experimental platform and experimental research were done in this article.Experimental results showed that：compared with ordinary mechanical dressing,in choosing the right processing parameters,the truing morphology,single abrasive grains and grinding characteristics of the grinding wheel which in the trimming mode of laser heating and ultrasonic vibration assistance is superior to ordinary trim.

diamond grinding wheel;laser heating and ultrasonic vibration assistance;processing parameters

TG580.6；TG74+3

A

1008-7516（2016）01-0046-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.01.011

2015-12-25

國家自然科學基金(U1204517)

楊志波(1974―),男,山東招遠人,博士,副教授,碩士生導師.主要從事超硬磨料工具制造技術、難加工材料的精密高效加工工藝及加工過程計算機仿真等研究.