本發(fā)明屬于金剛石磨具修整領(lǐng)域，特別涉及一種激光隨形與機(jī)械同步修整金剛石磨具成形面的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在成形磨削整個(gè)流程中，決定最終工件磨削尺寸精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)是成形磨具的修整。凹形面輪廓形狀中的凹圓弧半徑要求最小至100μm，線(xiàn)性誤差小于4μm，成形加工困難，特別是針對(duì)凹形面金剛石磨具。金剛石磨具主要分為金剛石滾輪和金剛石砂輪，金剛石砂輪直接磨削工件，金剛石滾輪磨削普通砂輪，普通砂輪再磨削工件。隨著航空航天、能源、光電子等高科技領(lǐng)域的不斷發(fā)展，復(fù)雜、功能性核心基礎(chǔ)零部件成形表面加工的輪廓精度和表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，因此，探索精密、高效、綠色、低成本的超硬磨料成形滾輪的修整方法具有十分重要的意義。

2、金剛石磨具修整的實(shí)質(zhì)就是對(duì)磨具進(jìn)行深度的整形。整形是指對(duì)磨具工作表面進(jìn)行微量“切削”，使磨具達(dá)到所要求的幾何形狀誤差，并使磨粒尖端微細(xì)破碎，形成鋒利磨刃的過(guò)程。目前，在磨具修整行業(yè)使用較為廣泛的修整方法為機(jī)械修整方法、電加工方法和激光修整方法。機(jī)械法主要包括車(chē)削修整法、滾壓修整法、磨削修整法等；電加工法則主要有電解修銳法、電火花修整法等。修整法修整精度高，針對(duì)凸形面磨具的修整有較大的優(yōu)勢(shì)；由于修整工具與被修整磨具之間存在較大的機(jī)械作用力，因此存在修整工具損耗大、修整效率低、修整成本高、凹形面輪廓和復(fù)雜輪廓磨具修整精度難以保證等缺陷。電加工方法是利用金屬結(jié)合劑磨具和工具電極之間在高頻脈沖電源的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生火花放電的電腐蝕現(xiàn)象來(lái)去除結(jié)合劑材料，使磨具磨粒有效地暴露出來(lái)，從而達(dá)到修整的目的；由于金剛石磨粒不導(dǎo)電，因此該方法以去除結(jié)合劑材料為主，不能直接去除金剛石磨粒，存在適用范圍窄、對(duì)設(shè)備和環(huán)境不友好(修整時(shí)所使用的電解液、磨削液等介質(zhì)容易造成設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染)等缺陷。激光修整磨具作為一種非接觸式修整方法，是一種基于微區(qū)熱作用的加工技術(shù)。采用激光修整磨具具有很多優(yōu)點(diǎn)：可選擇性去除磨?；蚪Y(jié)合劑，修整效率非常高，易獲得良好地形地貌；通過(guò)對(duì)激光的控制，可得到較高的修整精度；是一種綠色加工技術(shù)，不存在修整刀具鈍化報(bào)廢的情況，且不使用修整液；有利于延長(zhǎng)磨具的使用壽命，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；但目前激光修整方法針對(duì)凹形面的修整還存在高精度輪廓難以實(shí)現(xiàn)與熱影響層影響良好磨削配合等問(wèn)題。目前凹形面金剛石磨具的應(yīng)用極大受限于修整問(wèn)題，亟待解決單一的修整方法無(wú)法滿(mǎn)足目前應(yīng)用對(duì)于修整精度和修整效率需求的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種激光隨形與機(jī)械同步修整金剛石磨具成形面的裝置及方法，使用激光與機(jī)械同步在凹形面金剛石磨具的兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行整形，激光大量去除磨具的材料，機(jī)械在另一側(cè)同步去除由于激光熱作用產(chǎn)生的熱損傷層；同時(shí)，激光的修整路徑是隨著磨具的輪廓形狀面的能量分布進(jìn)行調(diào)整的，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)凹形面輪廓的均勻去除和有效補(bǔ)償，從而進(jìn)一步提高凹形面金剛石磨具修整精度和修整效率的目的。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種激光隨形與機(jī)械同步修整金剛石磨具成形面的裝置，包括y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上水平滑動(dòng)設(shè)有x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上水平滑動(dòng)設(shè)有z方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在z方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上垂直滑動(dòng)設(shè)有激光頭旋轉(zhuǎn)軸，在激光頭旋轉(zhuǎn)軸上安裝有激光頭；

4、在y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有磨具旋轉(zhuǎn)軸，在磨具旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)有金剛石磨具，完成金剛石磨具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

5、在y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有機(jī)械修整機(jī)構(gòu)。

6、分別通過(guò)y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、z方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)調(diào)整激光頭與金剛石磨具之間在左右、前后、上下三個(gè)方向的距離；通過(guò)激光頭旋轉(zhuǎn)軸調(diào)整激光頭在垂直平面內(nèi)的角度，以改變激光束的偏轉(zhuǎn)角度。

7、進(jìn)一步的，在y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有輔助支撐，輔助支撐與金剛石磨具端部旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)接觸，對(duì)磨具旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行支撐，防止金剛石磨具過(guò)重壓彎磨具旋轉(zhuǎn)軸。

8、進(jìn)一步的，所述機(jī)械修整機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的圓弧軌道和周向旋轉(zhuǎn)軸，在周向旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)有s方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在s方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有r方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在r方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上安裝有修整輪轉(zhuǎn)軸，在修整輪轉(zhuǎn)軸上設(shè)有機(jī)械修整輪。

9、整個(gè)機(jī)械修整機(jī)構(gòu)沿圓弧軌道繞原點(diǎn)在水平面內(nèi)做周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)械修整輪軸向與金剛石磨具軸向的夾角；s方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和r方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一起，調(diào)整機(jī)械修整輪與金剛石磨具之間的距離。

10、進(jìn)一步的，在y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有相機(jī)支撐架，在相機(jī)支撐架上設(shè)有cmos相機(jī)。cmos相機(jī)實(shí)時(shí)觀(guān)察并記錄修整狀態(tài)。

11、所有運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、轉(zhuǎn)軸等運(yùn)動(dòng)部件均采用對(duì)應(yīng)電機(jī)為動(dòng)力源，這些內(nèi)容不在此發(fā)明中進(jìn)行討論。

12、利用所述裝置修整金剛石磨具成形面的方法，包括以下步驟：

13、步驟一：將成形面待修整的金剛石磨具安裝到磨具旋轉(zhuǎn)軸上，并調(diào)整激光頭的初始角度和位置，激光頭的初始角度和位置是要求激光束作用在金剛石磨具成形面輪廓的起點(diǎn)；

14、步驟二：磨具旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)金剛石磨具旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始進(jìn)行激光修整金剛石磨具成形面，與此同時(shí)，通過(guò)y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、z方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和激光頭旋轉(zhuǎn)軸的配合，實(shí)時(shí)微調(diào)激光頭與金剛石磨具成形面的相對(duì)位置；

15、當(dāng)金剛石磨具旋轉(zhuǎn)半圈后，調(diào)整機(jī)械修整輪至金剛石磨具成形面輪廓的起點(diǎn)，并開(kāi)始對(duì)金剛石磨具成形面進(jìn)行機(jī)械修整；在機(jī)械修整的過(guò)程中，激光修整持續(xù)進(jìn)行；與此同時(shí)，通過(guò)周向旋轉(zhuǎn)軸、s方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和r方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的配合，實(shí)時(shí)微調(diào)機(jī)械修整輪與金剛石磨具成形面的相對(duì)位置；

16、機(jī)械修整與激光修整分別修整金剛石磨具成形面的兩側(cè)，即，激光與機(jī)械同時(shí)在金剛石磨具兩側(cè)加工磨具表面的材料。

17、進(jìn)一步的，所述金剛石磨具為凹形面金剛石磨具(即成形面為凹形面)，所述凹形面的輪廓由直線(xiàn)輪廓和圓弧輪廓組成，直線(xiàn)輪廓即為磨具的斜面輪廓，而圓弧輪廓可看成是多段圓弧切線(xiàn)組成的輪廓，每一段切線(xiàn)輪廓均可看作磨具的一個(gè)斜面輪廓(即在磨具上反映為斜面輪廓)。

18、進(jìn)一步的，激光束輻照在所述斜面輪廓上時(shí)，對(duì)于不同斜率的斜面輪廓，對(duì)應(yīng)有不同分散程度的光斑面積，有效的光斑面積對(duì)應(yīng)著激光束在磨具表面的功率密度ia，而功率密度決定了磨具材料能否被有效去除，功率密度ia被描述為：

19、

20、式中，rr為激光束照射到材料后的反射率，pavg為輸出激光束的平均功率，f為激光束的脈沖頻率，τ激光束的脈寬，sp為激光束輻照在磨具表面的激光光斑面積；

21、激光頭的旋轉(zhuǎn)使得激光束偏轉(zhuǎn)，激光束偏轉(zhuǎn)后，作用在斜面輪廓表面的反射率rr發(fā)生變化，反射率rr和入射角β的表達(dá)式表示為：

22、

23、式中，k表示激光束照射到材料后的折射率；α表示磨具斜面輪廓角度；a表示激光束偏轉(zhuǎn)時(shí)，以激光束的軸線(xiàn)建立的坐標(biāo)軸o1-x1y1z1原點(diǎn)與坐標(biāo)軸o-xyz原點(diǎn)之間的距離；r表示磨具半徑；θ表示激光束偏轉(zhuǎn)角度；

24、同時(shí)，偏轉(zhuǎn)激光束在圓錐面(指的是磨具的斜面方程)上的光斑面積如下式表示：

25、

26、式中，r表示圓柱面激光束半徑；x、y、z分別表示x軸、y軸、z軸的位置參數(shù)；δ表示偏導(dǎo)；

27、參數(shù)z通過(guò)式(e)計(jì)算：

28、

29、式中，n(x,y)、m(y)和a均表示中間變量；

30、z是關(guān)于x，y的關(guān)系式，求取過(guò)程為：

31、當(dāng)激光束偏轉(zhuǎn)后，激光束與磨具斜面輪廓存在偏差角度；在建立偏轉(zhuǎn)激光束與磨具斜面輪廓的位置關(guān)系時(shí)，將激光束軸線(xiàn)繞y軸旋轉(zhuǎn)某個(gè)角度θ，此時(shí)磨具斜面輪廓角度為α，且以激光束的軸線(xiàn)建立的坐標(biāo)軸為o1-x1y1z1；將y軸與y1軸重合，則坐標(biāo)軸o1-x1y1z1的原點(diǎn)與坐標(biāo)軸o-xyz的原點(diǎn)相距a，那么r-a為激光束相對(duì)于磨具的切深量；

32、具有一定瑞麗長(zhǎng)度的激光束近似為圓柱面曲線(xiàn)，將該圓柱面曲線(xiàn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移變換得到：

33、

34、得到磨具斜面輪廓在坐標(biāo)軸o1-x1y1z1內(nèi)的表達(dá)式如下：

35、x12+(z1cosθ-y1sinθ)2-((y1cosθ+z1sinθ)cotα-r)2＝0?(g)

36、將坐標(biāo)軸o1-x1y1z1內(nèi)的表達(dá)式再次以坐標(biāo)軸o-xyz內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行表示(便于計(jì)算機(jī)建模計(jì)算)，得到兩輪廓(這里面的兩輪廓分別為圓柱面激光束與磨具的圓錐面)的相交線(xiàn)方程如下：

37、

38、將在坐標(biāo)軸o-xyz內(nèi)的圓錐面方程進(jìn)行拆分如下式：

39、

40、通過(guò)如下公式替代得到：

41、

42、進(jìn)而得到的圓錐面方程如下式：

43、az2+2m(y)z＝n(x,y)?(l)

44、通過(guò)公式(l)得到z關(guān)于x，y的關(guān)系式。

45、以此獲得有效能量密度(功率密度)與激光束切深深度(切深量)、激光束偏轉(zhuǎn)角度和磨具輪廓(磨具斜面輪廓)角度之間的關(guān)系，從而根據(jù)輪廓角度的變化調(diào)整激光束偏轉(zhuǎn)角度的大小，達(dá)到能量的均勻而保證修整輪廓的均勻。

46、本發(fā)明的有益效果：

47、本發(fā)明提出一種同時(shí)使用激光和機(jī)械方法對(duì)凹形面磨具進(jìn)行隨形修整的方法和修整裝置，利用激光隨形修整方法實(shí)現(xiàn)磨具材料的快速去除，同步的機(jī)械修整去除掉激光產(chǎn)生的金剛石石墨化和結(jié)合劑熱影響層(重凝破碎材料和熱裂紋層)組成的熱損傷層。激光隨形修整方法根據(jù)磨具具體形狀調(diào)整激光偏轉(zhuǎn)角度，從而調(diào)整激光輻照在磨具上的有效能量密度，達(dá)到磨具輪廓形狀的誤差被激光有效去除的目的。