V形青铜金刚石砂轮激光径向整形研究

作     者：熊学峰 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓辉;黄贵刚

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光径向修整 激光表面加工 V形砂轮整形 激光分层烧蚀 

摘      要：青铜基金刚石砂轮作为超硬磨料砂轮的代表之一,是各类工程陶瓷、蓝宝石、硬质合金等硬脆材料进行表面精密/超精密磨削的关键手段。而V形青铜基金刚石砂轮是一类以金刚石为磨料、青铜合金为结合剂制备而成的超硬磨料磨具,其广泛应用于以难加工材料为基体的高超精密设备上微V形沟槽阵列的磨削加工。虽然这类磨具的耐磨性能优越,而砂轮成形轮廓会随着磨削时长、磨削工况变化而变化,导致砂轮的工作面磨损,影响工件的成形质量。为提升磨削加工的效率、精度与质量,就必须定期对砂轮成形面进行精密整形。 激光整形技术是一种极具优势的砂轮整形方法,它可适用于多种磨料、结合剂类型砂轮的整形。本文以实现V形青铜金刚石砂轮的高效可控激光整形为目标,采用理论分析与工艺实验相结合的研究方法,系统开展了对青铜金刚石砂轮材料的径向烧蚀去除规律研究、V形青铜基金刚石砂轮块的径向激光整形研究,具体的内容如下: 1)提出了一种纳秒脉冲激光径向烧蚀表面的加工成形方法。通过建立烧蚀去除模型,分析了激光能量密度对材料烧蚀去除效果的影响机制,结合脉冲激光单轨迹烧蚀实验,获得了脉冲激光对青铜金刚石砂轮的烧蚀去除能量阈值为e=0.0438 m J。在此基础上,研究了脉冲激光分层烧蚀成形参数（激光功率、脉冲间距、扫描次数）对斜面成形深度特征、斜面截面形貌和分层烧蚀底面形貌的影响规律。 2)由于脉冲激光在砂轮表面烧蚀引起的材料去除是每道单脉冲激光凹坑的耦合叠加,分析了不同空间位置下激光能量密度在砂轮上的分布规律,揭示了线间距对每层烧蚀去除均匀程度的影响规律。提出了一种基于纳秒脉冲激光在青铜金刚石砂轮上获得不同成形斜面的激光径向加工工艺新方法,通过数值计算,分析了高斯激光束与砂轮表面的空间关系,并探究了砂轮表面与高斯激光束的空间几何关系对于径向整形的影响规律,确定了填充扫描方案,填充区域长度为L=14mm。采用实验验证的手段揭示了入射角α对砂轮表面烧蚀去除深度影响规律,研究了不同激光功率（不同单位进刀量）和不同单位走刀量情况下的斜面成形规律。 3)进行了V形青铜基金刚石砂轮的激光径向—切向组合整形,将径向整形和切向整形两种激光整形方法的高效率和高精度结合。对平行砂轮表面的多余材料进行了激光径向高效精确的去除,得到尖端角度为70°的V形青铜基金刚石成形砂轮。接着,通过轮廓提取,获取误差后确定了激光切向修整切深a=400μm,完成了V形成形砂轮的精密高效整形。最后对比了径向整形和径向—切向组合整形方法,发现组合整形后V形成形的轮廓精度更高,表面形貌获得了改善,揭示了脉冲激光径向—切向组合整形的成形规律。