激光修锐树脂结合剂砂轮的试验研究

魔神

    

1 概述

树脂结合剂砂轮为密实型砂轮，这种砂轮在整形后，磨粒之间还填充着大量结合剂，没有足够的容屑空间，磨粒裸露高度不足，因此必须再进行修锐。

树脂结合剂砂轮的激光修锐是最近发展起来的一种新的修锐方法。因为磨粒和结合剂材料的热物理参数相差很大(树脂熔点约为200℃，SiC磨料熔点约为2000℃)，所以在激光作用下，可使结合剂熔蚀和汽化而磨粒基本不受影响，从而达到修锐的目的，并且可以通过调节激光修锐的工艺参数对修锐效果进行精确的控制。

为了评价树脂结合剂砂轮激光修锐的效果，必须对砂轮修锐前后的表面形貌进行精确测量。对砂轮表面形貌的测量有很多方法，近年来，新的三维曲面测量方法得到发展，其中三维扫描方法在砂轮表面形貌的测量中得到应用。这类方法可以快速精确地复现砂轮表面完整的三维形貌。

图1 激光三角法测量原理

2 试验原理及条件

本文在砂轮表面形貌测量试验中将采用激光三维扫描方法。测量系统为Replica500高速激光三维扫描系统，采用激光三角法对三维形貌进行测量，测量重复精度达到0.05mm。测量原理如图1(a)所示:激光器LA输出的激光照射在物体表面上并产生漫反射，其漫反射光通过透镜组L1聚焦到PSD(位置敏感器件)上，激光器，透镜组和PSD器件组成扫描头，当扫描头沿x轴方向移动时，三维表面上反光点的位置在z轴方向不断变化，光点在PSD器件上所成的像的位置相应发生变化，其位置值经模数转换后送入计算机，并可通过三角关系计算得出表面测量点处的z方向高度值。

在Replica500系统上采用光刀而非光点进行测量。激光器发出的激光光幕与y-z平面平行，照射在被测物体表面形成具有一定宽度的光刀，光刀的宽度应保证其在PSD上的像的宽度不超过PSD的最小分辨距离，否则将会影响测量精度，本文试验中取光刀宽度为200µm。如图1(b)所示，光刀与y轴平行，这样一次就可以得到一条y轴方向直线上的z值变化。通过光刀沿x方向的扫描，就可以得出整个表面的完整的三维形貌。

砂轮激光修锐采用电子工业部第十一研究所研制的脉冲YAG激光加工机，激光加工机由固定激光器和X-Y移动工作台组成。激光器的功率、脉宽和频率均可调，其主要技术指标如下：脉冲频率，1,5,10,20,50Hz分档可调；脉冲宽度，0.3ms,0.5ms,2ms,4ms四档任选；灯电压：300～1150V连续可调；当脉宽小于0.5ms时，灯电压可达1300V；最大输出功率6kW；激光脉冲频率变动范围受脉宽限制，如下表所示：

表1 激光脉冲频率和脉宽关系

脉宽ms	0.3	0.5	2	4
频率Hz	<50	<40	<20	<10

X-Y工作台由步进电机驱动，步距为6.25µm，工作台最高限速为8mm/s。

3 试验结果及分析

激光修锐选用46^#粒度SiC砂轮，修锐前首先用单点金刚石修整笔对砂轮进行整形，树脂结合剂砂轮在用金刚石修整笔修整后，磨粒之间仍被大量结合剂填充，没有足够的容屑空间，所以这时砂轮不具备磨削性能，必须进行修锐。

磨粒裸露高度是评价树脂结合剂砂轮修锐效果的一个重要参数。如图2所示，以砂轮表面最外层为基准，可通过不同切入深度下的峰点总数来描述不同高度磨粒的分布情况，这些峰点的数目变化趋势可近似反映此深度的磨粒数目变化趋势。

图2 修锐前后砂轮最外表面下100µm区域内峰点分布情况

用激光三维扫描方法对修锐后的砂轮表面形貌进行测量，并按图3所示方式对修锐前后的砂轮表面磨粒裸露高度进行分析，取切入深度为100µm，切得的修锐前后砂轮表面峰点分布情况如图2所示。图2(a)所示为砂轮上一块2.5×2.5mm面积mm上在未修锐之前的峰点分布情况，因为图中平坦区面积很小，可见此时的切入深度已接近于凹坑最低点，说明砂轮表面的起伏基本在最外表面100µm下的范围内。如图所示，这时砂轮表面的突起部分基本是连通的，很少有尖锐独立的峰点，表明这时磨粒之间填充着大量结合剂。图2(b)所示为这块面积上在修锐后的峰点分布情况，可见图中平坦区面积有所增加，说明砂轮表面的起伏范围增加。更重要的是，这时砂轮表面的突起不再表现为连通的整体，而是出现了大量独立的小的峰点，这说明经过激光修锐，磨粒之间填充的结合剂被去除，砂轮获得了一定的容屑空间。

图4所示是砂轮表面一段沿周20mm长度内峰点总数明显上升，峰点数随切入深度的变化变得较为剧烈，当切入深度为150µm时，峰点数目变化趋于平稳，磨粒的等高性也得到了改善。

图3 峰点高度分布示意图

图4 修锐前后不同切入深度下磨粒数目的变化

当修锐参数选择不当时，修锐后砂轮表面峰点数反而有所降低，如图中曲线4、5。这说明修锐参数不当反而造成了砂轮表面形貌的恶化。由此可见，用激光对树脂结合剂砂轮进行修锐时存在一个合适的修锐参数范围，在这个范围内，激光修锐可以获得较好的效果，在此范围之外，修锐反而可能会造成砂轮表面形貌的恶化。因此必须仔细选择砂轮的激光修锐参数。

4 结论

1. 使用激光三维扫描方法对砂轮表面形貌进行测量有足够的精度，能反映砂轮表面的形貌特征
2. YAG激光器光束直径及能量调整范围能够满足对树脂结合剂砂轮进行修锐的要求，可以获得较好的砂轮表面形貌，使砂轮表面磨粒裸露高度和有效磨粒数增加，而且磨粒的等高性也得到一定程度的改善，说明激光修锐树脂结合剂砂轮是图4所示是砂轮表面一段沿周向20mm长度内完全可行的。
3. 激光器类型的选择很重要，在进行砂轮修锐试验研究中，建议选择连续型YAG激光器，这样可精确控制修锐效果，精确获得所需的磨粒裸露高度和磨粒数目。
4. 激光修锐树脂结合剂砂轮存在一个合适的修锐参数范围，修锐参数不当有可能造成表面形貌的恶化。确定树脂结合剂砂轮激光修锐的合理的参数将是今后进一步研究的重点。