一种制备结构化成形砂轮的工具及方法转让专利
申请号 : CN201911070991.X
文献号 : CN110774177B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 邓辉 , 徐洲 , 应华强
申请人 : 湖南科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,设计结构化砂轮表面的沟槽参数;特征点位于凹圆弧形砂轮截面轮廓线上,凹圆弧形砂轮工作面上有结构化沟槽;采用激光测微仪沿凹圆弧形砂轮轴向匀速扫描,获取其轮廓线上各扫描点的高度特征数据,再利用MATLAB软件拟合得到砂轮截面的轮廓线;根据结构化砂轮对其表面沟槽轴向宽度B0、轴向间距F0的要求,在砂轮截面轮廓线上选定N个特征点,获取特征点至砂轮轴线的距离R,沿砂轮轴向依次标记为R1,R2,R3,…,RN;优化设计沟槽周向长度Li(i=1,2,3,…,N)与沟槽周向间距Hi(i=1,2,3,…,N)参数;
步骤2,优化设计CVD金刚石环的几何参数;根据成形砂轮的截面几何形状及其表面沟槽轴向宽度B0、沟槽轴向间距F0的要求,优化设计CVD金刚石环的外径ri(i=1,2,3,…,N)、圆心角αi(i=1,2,3,…,N)、宽度B、数量S参数;
步骤3,短脉冲激光束选择性烧蚀CVD金刚石环圆周表面,制备切削刃;
步骤4,组装、调试结构化工具;将CVD金刚石环与用于分隔CVD金刚石环的钢环依次安装于钢基体上,再将工具两端的螺钉拧紧,最终得到与成形砂轮截面轮廓线相吻合的结构化工具;激光测微仪以恒定速度沿结构化工具轴向移动检测转动的结构化工具的圆跳动;
重复步骤4,直至工具的径向圆跳动达15μm以下;
步骤5,对刀与结构化砂轮的制备,将砂轮与结构化工具分别安装于三轴联动高精度气浮主轴磨床的磨削主轴和工件主轴上,通过调节磨床主轴的相对位置,使砂轮轴线与结构化工具的轴线处于同一竖直平面内,调节工件主轴坐标位置使结构化工具向砂轮靠近,利用安装在工件主轴上的旋转AE传感器反馈结构化工具与砂轮接触产生的AE信号源,当检测到AE信号的幅值突然变化时,工件主轴停止进给,对刀完成;砂轮与结构化工具分别以设定的转速n1、n2旋转,根据结构化砂轮沟槽参数的要求,结构化工具以设定的进给速率和切削深度与砂轮接触对磨,以类似于成形磨削的方式制备结构化砂轮,可在砂轮表面加工出特征参数可控的间断沟槽,以此完成结构化砂轮的制备。
2.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,所述步骤1中,特征点数目N与砂轮宽度M的数量关系可表示为:式中,B0为沟槽宽度,F0为沟槽轴向间距,INT{}表示取整数。
3.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,步骤1中,为使各特征点所在截面上的沟槽数目Ki(i=1,2,3,…,N)为整数,且各沟槽在砂轮圆周方向上均匀分布,则在砂轮圆周方向上的沟槽长度Li与沟槽周向间距Hi之和应满足下式:
4.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,步骤2中,CVD金刚石环的外径ri、圆心角αi可表示如下:ri=Δ+r0+P‑Ri,(i=1,2,3,…,N)式中,r0为步骤4中钢环的外径,其值为50mm,P=MAX{R1,R2,R3,…,RN},MAX{}表示取最大值,△为满足P–Ri=0的特征点对应的CVD金刚石环相较于钢环突出的高度,其值为5mm,Ri(i=1,2,3,…,N)为各特征点至砂轮轴线的距离;根据砂轮圆周方向上沟槽的长度L和周向间距H的要求,CVD金刚石环圆心角αi(i=1,2,3,…,N)的优化设计应同时满足以下两式:式中,n2为结构化工具转速;n1为砂轮转速;Ri为各特征点到砂轮轴线的距离,ri为各特征点对应的CVD金刚石环外径。
5.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,CVD金刚石环的宽度B与结构化沟槽的轴向宽度B0相等。
6.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,步骤3中,CVD金刚石环圆周面上切削刃与工具轴线之间的夹角为30°,出刃高度h约为30–40μm,采用振镜式纳秒激光加工金刚石环,脉宽20ns、脉冲重复频率50KHz、激光功率25W。
7.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,步骤3、4中,CVD金刚石环和钢环的表面预先加工有多个微孔用于组装定位,CVD金刚石环、钢环的内径D与钢基体外径相等。
8.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,步骤4中,钢基体的厚度与成形砂轮的宽度M相等。
9.根据权利要求1所述的一种制备结构化成形砂轮的方法,其特征在于,步骤4中所述钢环的宽度F与结构化沟槽的轴向间距F0相等。
10.如权利要求1‑9任一所述方法所使用的工具,其特征在于,该工具包括若干钢环、若干CVD金刚石环、定位柱、钢基体、螺纹孔;所述钢环及CVD金刚石环的中部设置有通孔;所述定位柱穿过通孔将钢环、CVD金刚石环固定在一起;所述定位柱通过螺钉与钢基体固定在一起;所述若干钢环与若干CVD金刚石环沿结构化工具的轴向交替排布,同一圆周线上的CVD金刚石环具有相同的内径和外径,沿工具轴线方向不同圆周线上的CVD金刚石环具有相同的内径、不同外径,同一圆周线上的CVD金刚石环沿钢基体的圆周方向均匀分布,相邻CVD金刚石环之间的夹角为γ;所述CVD金刚石环的圆周表面均加工有切削刃,切削刃之间的区域为脉冲激光扫描区域;所述工具在制备结构化成形砂轮时安装于磨床主轴上,由主轴驱动以设定的转速旋转,之后与成形砂轮接触对磨以制备结构化成形砂轮。
说明书 :
一种制备结构化成形砂轮的工具及方法
技术领域
背景技术
获得规则的磨粒排布或沟槽结构,以达到增强磨削液与磨屑的储运能力、从而改善砂轮磨
削性能的目的。目前,结构化方法的制备方法主要分为两类:一类是在砂轮制备过程中实现
其表面结构化(如采用磨粒有序排布、磨粒几何参数精确控制、砂轮表面结构设计等方式制
备结构化砂轮;另一类则是借助修整工具(如金刚石笔/切割片、激光束)对传统砂轮磨料层
进行微切除而实现其表面结构化。
光束的相对运动轨迹,在平行砂轮圆周面上加工出了深宽位于10μm至50μm范围内的微沟
槽,所制备的结构化砂轮可显著降低磨削力和热,但砂轮表面90°方向角的沟槽在磨削时会
复印到工件表面,导致磨削后工件表面精度较差;在公开号为CN107962510A的“一种表面有
序微型结构化的CVD金刚石砂轮及其制备方法”专利中,先通过化学气相沉积方式在砂轮轮
毂外圆周面上沉积一层金刚石膜,再采用脉冲激光束在金刚石膜外圆周面上切制出大量具
有相同几何尺寸的沟槽,以此形成大量微磨削单元,所制备的结构化砂轮虽能增加磨削时
砂轮的有效磨刃数量,但因金刚石薄膜厚度较小,导致砂轮的服役寿命不长,且制备过程耗
时费力。在相关文献报导中,姚鹏等提出一种磨料水射流制备结构化砂轮的方法,其以磨料
射流作为加工手段在砂轮表面开槽,与激光结构化方法相比,该方法具有“无焦点”加工特
性,但其加工效率较低,且加工精度有限、加工装置较复杂。
导中,仅有Forbrigger等人进行了沟槽型结构化成形砂轮的相关研究,其采用单点金刚石
笔以设定的进给速率和切削深度沿着砂轮截面轮廓线在成形砂轮表面上加工沟槽。该方法
虽能制备结构化成形砂轮,但其制备效率和精度低。因此,针对成形磨削对降低磨削力、热
的需求,迫切需要一种集高效率、高精度及高质量为一体的结构化成形砂轮的制备方法。
发明内容
金刚石环固定在一起;所述定位柱通过螺钉与钢基体固定在一起;所述若干钢环与若干CVD
金刚石环沿结构化工具的轴向交替排布,同一圆周线上的CVD金刚石环具有相同的内径和
外径,沿工具轴线方向不同圆周线上的CVD金刚石环具有相同的内径、不同外径,同一圆周
线上的CVD金刚石环在钢基体的圆周方向均匀分布,其金刚石环之间的夹角为γ;所述CVD
金刚石环的圆周表面均加工有切削刃,切削刃之间的区域为脉冲激光扫描区域;所述工具
在制备结构化成形砂轮时安装于磨床主轴上,由主轴驱动以设定的转速旋转,之后与成形
砂轮接触对磨以制备结构化成形砂轮。
点的高度特征数据,再利用MATLAB软件拟合得到砂轮截面的轮廓线。根据结构化砂轮对其
表面沟槽轴向宽度B0、轴向间距F0的要求,在砂轮截面轮廓线上选定N个特征点,获取特征点
至砂轮轴线的距离R(沿砂轮轴向依次标记为R1,R2,R3,…,RN)。优化设计砂轮圆周方向上的
沟槽长度Li(i=1,2,3,…,N)与沟槽周向间距Hi(i=1,2,3,…,N)参数。
N)、圆心角αi(i=1,2,3,…,N)、宽度B、数量S等参数。
结构化工具。激光测微仪以恒定速度沿结构化工具轴向移动检测转动的结构化工具的圆跳
动。重复步骤4,直至工具的径向圆跳动达15μm以下。
线与结构化工具的轴线处于同一竖直平面内,调节工件主轴坐标位置使结构化工具向砂轮
靠近,利用安装在工件主轴上的旋转AE传感器反馈结构化工具与砂轮接触产生的AE信号
源,当检测到AE信号的幅值突然变化时,工件主轴停止进给,对刀完成。砂轮与结构化工具
分别以设定的转速n1、n2旋转,根据结构化砂轮沟槽参数的要求,结构化工具以设定的进给
速率和切削深度与砂轮接触对磨,以类似于成形磨削的方式制备结构化砂轮,可在成形砂
轮表面加工出特征参数可控的间断沟槽,以此完成结构化砂轮的制备。
周向间距Hi之和应满足下式:
5mm,Ri(i=1,2,3,…,N)为各特征点至砂轮轴线的距离。根据砂轮圆周方向上沟槽的长度L
和周向间距H的要求,CVD金刚石环圆心角αi(i=1,2,3,…,N)的优化设计应同时满足以下
两式:
的金刚石环组装工具进行结构化,它可同时对砂轮整个工作面进行结构化,因而大幅提高
了加工效率。
化工具。此外,采用金刚石环交错组装的方式也避免了砂轮表面的沟槽形貌复印到工件表
面,导致加工后工件表面质量低。
度来控制沟槽的深度。因此,本发明能以高可控性制备不同参数要求的结构化砂轮。
附图说明
通孔;13‑磨床主轴;14‑工件主轴。
具体实施方式
不用来限制本发明的范围。该实施例针对的是凹圆弧形砂轮,砂轮基体内孔直径为20mm、外
径为100mm、磨料层厚度8mm,圆弧半径4mm、砂轮宽度为8mm。制备的结构化砂轮需满足以下
要求:沟槽轴向宽度为1mm、砂轮轴线方向的沟槽间距为1mm、沟槽深度为3mm、沟槽圆周长度
在1–30mm的范围内、沟槽的圆周间距在1–30mm的范围内。
所述定位柱4穿过通孔12将多个钢环、CVD金刚石环固定在一起,所述定位柱4两端通过螺钉
6与钢基体5固定在一起,所述钢基体5外部设置有钢环1与CVD金刚石环,所述钢环1位于钢
基体5轴线的两端,所述CVD金刚石环的圆周面设置有切削刃10,CVD金刚石环相邻切削刃10
之间的区域为脉冲激光扫描区域11;所述钢环与CVD金刚石环沿结构化工具的轴向交替排
布,同一圆周线上的CVD金刚石环沿钢基体的圆周方向均匀分布,相邻CVD金刚石环之间的
夹角为γ。
描时采样频率设定为40KHz,采样间距设定为0.1μm,获取其轮廓线上各扫描点的高度特征
数据,再利用MATLAB软件拟合得到砂轮截面的轮廓线。根据结构化砂轮对其表面沟槽轴向
宽度B0、轴向间距F0的要求,在砂轮截面轮廓线上选定N个特征点9,获取特征点9至砂轮轴线
8的距离R,沿砂轮轴向依次标记为R1,R2,R3,…,RN,如附图3所示。特征点数目N与砂轮宽度M
的数量关系可表示为:
点位于砂轮轴向各沟槽的中心线上,测量得到各特征点到砂轮轴线的距离Ri(i=1,2,3,4)
分别为56.06mm、54.29mm、54.03mm、54.88mm。
Hi之和应满足下式:
方便后续步骤2中金刚石环参数的设计,将4个特征点所在截面上的沟槽数目Ki(i=1,2,3,
4)分别取为16、20、20、15,由此计算得到对应的Li、Hi分别为L1=10mm、H1=12mm,L2=7mm、H2
=10mm,L3=7mm、H3=10mm,L4=10mm、H4=13mm。
ri(i=1,2,3,4)、圆心角αi(i=1,2,3,4)、宽度B、数量S参数,具体表达式如下:
为5mm。因此,本实施例中,4个特征点分别对应的CVD金刚石环外径分别为55mm,56.77mm,
57.03mm,56.18mm。根据砂轮圆周方向上沟槽的长度L和周向间距H的要求,CVD金刚石环圆
心角αi(i=1,2,3,4)的优化设计应同时满足以下两式:
设计的CVD金刚石环的圆心角度分别为41°、71°、71°、65°。进一步地,各特征点对应的CVD金
刚石环的数量S可分别取为6、4、4、4,对应的CVD金刚石环在圆周方向上的间隔角度γ分别
为19°、19°、19°、25°,如附图5所示。此外,CVD金刚石环2的宽度B与沟槽宽度B0相等,本实施
例中其值为1mm。
分CVD金刚石环2的圆心角α,将金刚石环圆周面均分为若干份依次加工,CVD金刚石环的角
度旋转由磨床主轴精确控制,激光加工的扫描区域为一个矩形区域,其具体参数为:脉宽
20ns、激光束扫描速度840mm/s、脉冲重复频率50KHz、激光功率25W、激光循环扫描次数20
次。最终得到如附图4所示的CVD金刚石环表面,其表面切削刃10的出刃高度h约为30–40μm,
切削刃与工具轴线之间的夹角约为30°。采用同样方法依次完成所有金刚石环的制备。
砂轮的宽度M相等,其值为8mm,将用于分隔金刚石环的钢环1嵌入到相邻金刚石环之间,钢
环外径为r0,内径与金刚石环内径相等,宽度F与沟槽轴向间距F0相等,其值为1mm,依次安装
完所有金刚石环和钢环,再将工具两端的螺钉6拧紧,最终得到与凹圆弧形砂轮的截面轮廓
线相吻合的结构化工具。激光测微仪以恒定速度15mm/min沿结构化工具轴向移动检测以
400r/min转速转动的结构化工具的圆跳动,采样频率50KHz,采样间隔0.1μm。重复步骤4,直
至工具的径向圆跳动达15μm以下。
置,使砂轮轴线与结构化工具的轴线处于同一竖直平面内,调节工件主轴坐标位置使结构
化工具向砂轮靠近,利用安装在工件主轴上的旋转AE传感器反馈结构化工具与砂轮接触产
生的AE信号源,当检测到AE信号的幅值突然变化时,工件主轴停止进给,对刀完成。砂轮与
结构化工具分别以设定的转速n1、n2旋转,根据结构化砂轮沟槽参数的要求,结构化工具以
设定的进给速率4m/min和切削深度0.05mm/次与砂轮接触对磨(顺磨),累计切削深度为
3mm,以类似于成形磨削的方式制备结构化砂轮,可在成形砂轮表面加工出特征参数可控的
间断沟槽,以此完成结构化砂轮的制备。
员在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为
等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对
以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明方案的范围内。