一种超硬磨料砂轮激光诱导等离子体强化电火花修整装置及其方法

本发明涉及一种超硬磨料砂轮修整装置及方法，更确切地说是一种超硬磨料砂轮激光诱导等离子体强化电火花修整装置及其方法。

背景技术：

1、目前对硬质合金、光学玻璃、功能陶瓷、宝石等高硬度、高脆性的难加工材料普遍采用超硬磨料砂轮进行磨削加工。金属结合剂砂轮因其结合强度高、成型性好、使用寿命长等特性而在生产中得到了广泛的应用。金属基超硬磨料砂轮（金刚石和立方氮化硼砂轮）在对硬脆难加工材料磨削加工过程中不可避免地会造成磨损或磨粒磨钝，从而使得砂轮失去优良的磨削性能，因而需要有超硬磨料砂轮修整设备使得砂轮在初次制备或磨钝后再次恢复其优良的磨削性能。

2、目前对超硬磨料砂轮修整方法主要有机械修整法（如金刚石笔修整法、gc杯形砂轮修整法、金刚石滚轮修整法等），特种加工修整法（如超声振动修整法、电火花修整法、电解修整法、激光修整法等），复合修整法（激光-机械复合修整法、电解-电火花修整法、电火花-机械修整法等）等。机械修整法在修整过程中存在较大的机械作用力，容易使砂轮磨粒脱落，形状变形，砂轮修整精度的稳定性不可控。超声振动修整法是利用磨粒挤研砂轮表面的结合剂，使磨粒突出砂轮表面，修整后的砂轮表面磨粒均匀、方向性好，但不能对砂轮进行整形，且对环境不友好。电火花修整法是基于修整电极和砂轮（正负电极）之间脉冲放电所产生的瞬时局部高温将砂轮金属结合剂熔化或气化去除以达到砂轮的整形和修锐要求。电解修整法利用电解过程中阳极溶解效应去除金属结合剂超硬磨料砂轮中的结合剂，达到修锐目的。激光修整法适用性广，不受加工介质和加工材料影响，利用砂轮结合剂和磨粒的热物理性能和光学性能方面的差异，选择合适加工参数选择性去除结合剂或磨粒，达到修锐或整形的目的。但是修整中激光诱导的等离子体会吸收激光能量，阻止激光能量进入待修砂轮材料，造成等离子体屏蔽效应，降低了修整效率。此外，基于激光烧蚀热效应不可避免会造成砂轮修整的工作表面存在再铸层、残余应力和微裂纹等缺陷。复合修整法是结合各单种修整方法的优势，有效复合，扬长避短，实现高效高质的一类砂轮修整方法。

3、复合修整法若涉及有机械修整法的参与都不可避免存在“硬碰硬”的机械力作用，造成砂轮修整精度较低，电解-电火花复合修整法修整效率较低，因而现有修整方法难以兼顾修整效率和修整精度。发明一种高效高质的超硬磨料砂轮修整设备及方法很有必要。虽然激光修整中诱导形成的等离子体会吸收激光能量，阻挡激光能量作用砂轮材料。但电火花修整中加载的高压电场可以牵引等离子体定向运动而形成放电通道，造成介质击穿放电蚀除材料，因而考虑将激光等离子体与放电等离子体复合利用来强化放电，这不仅可以消除激光等离子体屏蔽效应，提升激光烧蚀去除效率，也可以强化火花放电蚀除材料效率，提高电火花放电的加工精度和效率。

4、目前尚未发现关于金属结合剂超硬磨料砂轮激光诱导等离子体强化电火花修整方法及其设备技术方案的相关专利及相关文献。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种金属结合剂超硬磨料砂轮的激光诱导等离子体强化电火花修整装置及其方法。该修整方法复合利用了激光修整和电火花修整的各自优势，激光诱导等离子体与放电等离子体协同耦合放电，提高放电蚀除结合剂材料效率，高效实现砂轮表面出刃磨粒的等高性。与此同时，激光等离子体对激光的屏蔽效应得以消除并精准调控切向入射激光实现磨粒的修平修齐。此外，复合等离子体冲击引起放电介质的冲刷可有效减少磨粒热损伤层和结合剂重铸层，从而实现超硬磨料砂轮高精度、高效率、低损伤修整。激光诱导等离子体强化电火花修整的优势在于激光和放电等离子体之间的协同耦合和相互增强效应，将激光诱导的等离子体用于增强电火花的放电等离子体通道。该方法复合利用激光修整和电火花修整的双重优势，避免了激光等离子体屏蔽效应，强化了电火花放电效应，同步实现砂轮的整形和修锐，实现超硬磨料砂轮的高效高精可控修整。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种金属结合剂超硬磨料砂轮的激光诱导等离子体强化电火花修整设备。该修整设备包括伺服电机、联轴器、主轴、待修砂轮、激光发生器、传输装置、激光烧蚀头、放电介质喷射装置、放电电源、紫铜电极轮、ccd相机、背光源、计算机等。其特征在于，所述待修砂轮装在主轴上，并由所述伺服电机通过联轴器连接所述主轴上以某一速度匀速旋转。所述激光烧蚀头安装在y向和z向移动平台上，能根据待修砂轮外径尺寸，灵活移动精确聚焦到所需修整的工作表面上。所述的紫铜电极轮旋转中心与所述待修砂轮旋转中心等高安装，并由u向和v向移动平台控制紫铜电极轮的进给，实现待修砂轮整个工作面的精密修整。所述的紫铜电极轮连接放电电源的负极，所述待修砂轮连接放电电源的正极，紫铜电极轮能随着u向和v向移动平台向待修砂轮靠近，保持紫铜电极轮与待修砂轮有一定的间隙后喷射放电介质。切向入射激光和紫铜电极轮在待修砂轮的轴向上往复循环运动实现待修砂轮的精确修整。

3、本发明还公开了一种超硬磨料砂轮激光诱导等离子体强化电火花修整方法，其包括如下步骤：

4、步骤一：确保待修砂轮和紫铜电极轮的安装精度；

5、步骤二：将待修砂轮移入ccd相机检测区域，检测砂轮的轮廓精度；ccd相机拍摄砂轮外表面的地形地貌图像，并传输给计算机，计算机配置的分析软件对ccd相机拍摄图像进行处理得到砂轮的轮廓精度与表面形貌分布，反馈修整砂轮的轮廓误差情况，调节激光修整参数和电火花放电参数，进行砂轮的修整。

6、步骤三：刀具轮加工：用车刀加工紫铜电极轮的外轮廓；

7、步骤四：将待修砂轮移入修整区域，调整待修砂轮与紫铜电极轮之间的间隙，控制两轮之间放电介质的喷射流量，使得待修砂轮外表面上覆盖上一层稳定薄液体层；

8、步骤五：设置激光修整参数和电火花放电参数，激光切向入射待修砂轮，激光和紫铜电极轮同步轴向前后往复进给运动，实现待修砂轮的整个工作面的精密修整；

9、步骤六：修整中调整控制激光z方向上的进给量，确保激光的焦点区域辐照在待修砂轮表面上，同时设置紫铜电极轮的进给量，当两轮之间已无放电状态后修整停止；

10、步骤七：将修整砂轮移入ccd相机检测区域，检测砂轮的轮廓精度；判别计算机检测软件检测的轮廓精度是否已满足要求；若未满足精度要求，则返回步骤三；若满足精度要求，则继续步骤八。

11、步骤八：关闭装置，取下符合精度要求的砂轮。

12、相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过激光等离子体和放电等离子体之间的协同耦合，避免了激光等离子体屏蔽效应，强化了电火花放电效应，有效地提高了修整效率和修整精度。此外，基于复合等离子体冲击引起放电介质的冲刷可减少磨粒热损伤层和结合剂重铸层。整个修整过程不存在机械作用力，并可控地去除超硬磨粒和结合剂，适用于金属基超硬磨料砂轮的精密修整，因此，该激光诱导等离子体强化电火花修整法是一种极具发展潜力和广阔应用前景的先进修整技术。

13、本发明的目的是提供一种简便易行、高效率、高精度的金属结合剂超硬磨料砂轮的修整方法，以解决目前修整方法难以兼顾修整效率和修整精度的技术难题。本发明的特色在于同步实现金属结合剂超硬磨料砂轮的整形和修锐，实现金属结合剂超硬磨料砂轮的精密修整，且修整的砂轮表面形貌好，具有优异的磨削性能。