激光修整圓柱形CBN砂輪中偏焦量對能量分布的影響講解

1、中國機械工程第17卷第7期2006年4月上半月激光修整圓柱形CBN砂輪中偏焦量對能量分布的影響王續(xù)躍1 Y.Wu2 徐文驥1 王連吉IJ.Wang31大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連,1160232. 秋田縣立大學 秋田縣，日本,015-00553新南威爾士大學，悉尼，澳大利亞,2052摘要:激光束偏焦量是修整圓柱形砂輪的重要參數，它影響光斑形狀及其能量 密度，因而 影響激光修整砂輪的質量。介紹了用數控 Nd:YAG激光系統(tǒng)修整圓柱形CBN砂 輪過程中， 偏焦量對光斑作用能量分布的影響與其修整作用的基本原理，形砂輪上任意一點的 光斑面積數學模型；數范圍;采用計算與試驗結合的方法

2、，關系。驗依據。關鍵詞:激光技術;偏焦量-132X(2006)07-0702-04ofOffset onEn ergyDistributio nin LaserTrui ngGri ndin gWheel Wan gXuyue1WuY.B.2XuWenji1 Wan gLianji1Wa ngJ.31. KeyLaboratoryforPrecisio nandNon-traditio nalMachi nin gTech nologyof Mi nistryofEducatio n,Dalia nUni versityofTech nology,Dalai n,1160232. AkitaP

3、rofecturalU niversity,Akita,Japa n,015-00553. TheU ni versityofNewSouthWales,Syd ney,Australia,NSW2052 Abstract:Laserfocaloffsetis on eofveryimporta ntprocessi ngparametero ncyli ndricalsurface ,whichaffects in cide ntde nsityoflaserbeam,a ndplaysrole ini aserprocess in gdime nsion alacc uracya ndqu

4、ality.A newmethodtotruegri ndin gwheelsusi ngNd:YAGIaserwasprese nted.Bo thmodel2i ngan dexperime ntalstudieswerec on ductedtoi nv estigatetheeffectsoffocaloffseta n ditscriticalvalue on truin gproperties ini aserprocess in gasmallvitrifiedCBNgri ndin gwheel. Theeffectivetru2i ngwasachievedbyoptimal

5、selectio no fsuitablelaserpowerde nsitythrough adjusti ngafocaloffset.Themai ndiffere ncei nheatco nductivityge neratedbyfocaloffsetwasex amined.ln additi on ,the un 2derly in gmecha ni smsoflasertr uingan ddress in gprocesswas investigatedbymea nsofmodeli ngan dexperime ntala nalysisoffocaloffset,c

6、riticalfocaloffseta nd microscopestructuralcharacteristicthatareshow ntobereas on able.Keywords:lasertech nology;trui ngofgri ndin gwheel;focaloffset;modeli ng0引言光機電及其組合的數字化產品的迅速發(fā)展，對精密光學元件及其模具的精密加工提 出了更高的要求。超精磨削能很好地滿足上述加工要求，但超精磨削的精度除決定于機床的剛性和穩(wěn)定性外,還取決于砂輪的修整13。精密磨削過程中1998,29(5) :6696815 SasakiK.ALater

7、alSemi-ActiveSuspe nsio nofTilti ngTrai n.QuarterlyReportofRTRI,2000,41(1):11 15(編輯盧湘帆)作者簡介:丁問司,男,1968年生。華南理工大學汽車工程學院 副教授、博士。主要研究方向為機、電、液一體控制。發(fā)表論文30余篇。齊文達，男,1980年生。華南理工大學汽車工程學院碩收稿日期：2005-03- 292 丁問司，劉少軍，卜繼玲,等.高速開關閥控制的高速列車橫向半主動減振器 機床與液壓,2003,183(3):50513 RothPA,LizellM.LateralSemi-activeDampi ngSyste

8、mforTra nis.VehiceSystemDy namics,1996,25(Suppl.):58 5954 StriberskyA,Kie nbergerA,Wag nerG,etal.De2sig nan dEvaluatio no faSemi-ActiveDampi ngSystemforRailVehicles.VehicleSystemD yn amics,士研究生。? 702?激光修整圓柱形CBN砂輪中偏焦量對能量分布的影響王續(xù)躍 Y.Wu徐文驥等超硬磨料砂輪的機械式修整，特別是微小砂輪的修整，存在著受力變形、磨損快和 修整效率低等缺點。激光修整砂輪的方法以其無接觸、高效率

9、、加工參數可控和 可選擇性去除等優(yōu)點，較好地解決了上述難題46,受到科研人員的關注。 本文根據高能束激光修整砂輪的熱作用原理，研究激光照射狀態(tài)的能量分布和對修 整的圓柱形砂輪質量的影響，主要包括入射角和偏焦量兩個方面。入射角對能量分 布的影響參見文獻710,在此基礎上，重點研究光束照射圓柱形 CBN砂輪時,偏 焦量對光斑能量密度的影響和規(guī)律，進而，研究入射光束能量密度對修整砂輪的影 響效果，以便進行激光修整參數的優(yōu)化，實現(xiàn)對砂輪結合劑的選擇性去除，達到激光 修形與修銳超硬磨料砂輪的目的。對應反射區(qū)任意方向的反射分量。掃描B在0至90之間的偏焦量引起照射光斑面積不斷增大，其中存在一個臨界值，超過

10、該值的區(qū)域，能 圖2激光照射圓柱量密度的下降導致激光加工 面入射和反射示意圖 的去除作用失效，因此有效加工的入射位置應介于 0。與臨界值之間。2偏焦量模型建立 激光照射到砂輪表面的光斑能量密度為q=E/S式中,q,J2量,J; ,mm,即d=f 9 11,式中,d為光斑直徑，mm;f為聚焦透鏡的焦距長度,mm; 9為激光器的發(fā)散角,mrad。件表面上,0,高于表面的焦點位置定義為正，低于表面的位置定義為負，焦點位置與焦平面的距離稱為偏焦量。 激光平動掃描時，不同位置的偏焦量4F如圖1所示。為模擬激光修整圓柱形砂輪 的一般狀態(tài),特考察焦點位置相對斜面與圓柱面兩種基本的幾何形狀。從無偏焦量 開始,

11、激光束平動掃描斜面時，偏焦量隨著移動距離增大而增大，其入射角不變（圖la）;激光平動掃描圓柱面時，偏焦量和入射角隨著移動距離的增大而同時增大（圖lb）。所以，偏焦量增大導致光斑面積增大，即導致光斑內能量密度下降，這種變化規(guī) 律可用于控制輸入到工件表面上的激光能量大小o當激光焦點位置沿圓柱面做無偏焦掃描時，入射到砂輪表面的光斑面積隨著照 射位置的變化(在0與臨界值之間)逐漸增大，其數學表達式為S 0 =0 + a )4cos(圓心角；為激光與照射位置對應的入射角。式中,S 0不同入射位置的光斑面積；a為圓弧上光斑所對當激光平動掃描時，則光斑面積由式(3)與偏焦量產生的附加面積構成，此時光束與圓柱

12、相交的光斑面積表達式為S 0 +z=n 0 2 0 + a )4cos(式中,S 0 +為考慮偏焦量時光束作用于圓弧面的光斑面積，mm2;R為砂輪圓柱半 徑,mm,見圖3;k為激光器參數，k=0125;D1為聚焦前光束直徑。把式(4)代入式(1),便可求出激光束照射到圓柱形砂輪表面光(a)斜面(b)圓柱面圖1激光掃描試件時偏焦量的幾何關系激光平動掃描圓柱面時，激光從垂直照射圓柱面位置(0 =開始,到圓弧的不同 位置,直至)為止。側面的切向入射位置(0 =90其特點是：斑內的平均能量密度，進一步考慮高斯型光束的能量分布模式，便可圖3激光偏焦量對能量分布的影響以求出光斑內各點的能量。修正后的高斯分

13、布能量模型對激光修整超硬磨料砂輪的選擇性去除有指導作 用。激光束的入射方向保持不變，始終向下，而反射光的方向從起始點向上，順時針方 向逐漸改變至90，理論上該點的反射方向與入射方向相同(向下),參見圖2,圖中A代表光束作用于圓柱形3結果與分析砂輪上光斑區(qū)域內任意方向的吸收分量;B代表試驗條件：圓柱形陶瓷結合劑CBN砂輪,直徑5mm,長度10mm;LKS-250A型Nd:YAG數控激光加工系統(tǒng)，最大功率400W,最大移動速度? 703?中國機械工程第17卷第7期2006年4月上半月115m/min,最大脈沖重復頻率400Hz;砂輪最大回轉速度2000r/min,修整試驗的可調參數范圍見表1;砂輪

14、磨料與結合劑的熱物理 參數見表2。試驗結果采用KEYENCE-VH600型輪廓儀測量。表1充電電流I(A)次為0102、0106、0103、0101mm。這個結果表明在其他條件不變時，調整光束照 射位置即可實現(xiàn)對砂輪修整去除量的選擇與控制。同時 ，驗證了偏焦量的增加會導 致激光能量密度以超線性關系的速度下降，試驗結果與計算結果趨于一致。通過試驗驗證了偏焦量對砂輪吸收能量的影響，以及偏焦量與去除寬度 的關系, 結果如圖 6 所示(I=180A,v=20 80mm/min)。從 0 =0陶瓷結合劑CBN砂輪的激光修整參數移動速度v砂輪轉速n脈沖寬度t(ms)(mm/mi n)(r/mi n)入射角

15、0 ()脈沖頻率u(Hz)2604080 300206020000.20.50 7010020015000.20.5 0 501002001.v=20mm/mi n2.v=mi n=min表2材料CBN砂輪磨料與結合劑的熱物理參數密度p比熱容Cp熱導率k熱擴散率a(kg/m3)(J/kg? K)(W/m ? K)(106m2/s) 345033005061300744.11熔點 tmC)3200陶瓷結合劑據式(,量對任意照射位置的光斑能量密度的影響，如圖4所示。激光作用砂輪的3.1，起度(即B逐漸增大),光斑面積和去，最大值約014015mm,隨后去除寬度逐漸減 小至011mm左右。出現(xiàn)上述過

16、程的原因是由于開始時光束作用于工件表面的光 斑面積最小,隨著偏焦量的增大，作用于工件表面的光斑面積變大，對應的去除寬度 也變大;當偏焦量增大到一定值時，光斑面積的增大使能量密度下降，光斑能量在光 斑的中央區(qū)較高，而在其周邊區(qū)能量密度隨偏焦量的增大而逐漸下降，從起始位置0。至臨界位置60。時，能量密度下 降為原來的15.6%下降的速度較1.砂輪直徑D為20mm2.砂輪直徑D為30mm圖4偏焦量對入射能量的影響快，導致這一結果的原因在于光斑面積增大和光束入射角引起的面積增大?；谏?述分析與計算結果，同時考慮輸入光束的高斯分布形態(tài)(光斑內中心能量密度高、 邊緣能量密度低)導致的不同能量作用，以及結

17、合劑的不同物理性質，進一步修正選 擇性去除結合劑的激光修形與修銳效果，最后確定9 =30-35時激光修整圓柱形砂 輪的效果最佳。3.2試驗結果與分析試驗驗證偏焦量對砂輪吸收能量的影響，得到偏焦量與去除量( D的關系,結果如圖 5 所示(l=300A,v=20mm/min)。偏焦量域較低，當光斑周邊的能量密度下降到低于去除所需的能量閾值時，去除寬度會逐漸減小。所以，去除寬度只在開始階段逐漸增大， 當偏焦量達到一定值后，去除寬度反而逐漸變窄。上述研究結果，即偏焦量調整能量密度法，能達到選擇與控制修整區(qū)域形狀和尺寸 的目的。3.3能量輸入對臨界偏焦量的影響輸入功率和移動速度是激光加工設備的基本能量輸

18、入參數。圖7給出了在3種輸入能量條件下，激光平動掃描圓柱面時，移 動速度與偏焦量臨界值的對應關系。由圖7可知,隨著移1.l=200A2.l=225A3.l=250A圖7激光平動掃描速度與臨界偏焦量的關系圖5光束入射位置對去除量（ D的影響動速度的加快，偏焦量臨界值隨之減小，原因是速度的提高縮短了激光能量的作用時間；在試驗條件范圍 內，輸入能量對偏焦量臨界值的影響比移動速度的影響大，在I=200A時，圓柱面砂輪的偏焦量臨界值低于3mm;當I增大到225250A時,其偏焦量臨界的增大使照射光斑尺寸增大，導致能量密度下降。試驗得到激光修整砂輪對應不同 入射角0 20 40 60的材料去除量（測量砂輪

19、直徑變化量）依？ 704?值為6mm?？梢?，輸入功率的影響比移動速度的影響大得多，這是因為輸入能量是激光加工的直激光修整圓柱形CBN砂輪中偏焦量對能量分布的影響王續(xù)躍Y.Wu 徐文驥等接作用參數,而移動速度僅影響能量的作用時間。圖 7還顯示能量線性增加時偏焦量臨界值并非線性增大，1為200225A時，輸入能量大于偏焦量引起的能量密度下降；1為225250A時，輸入能量接近于偏焦量引起的能 量密度下降。3.4偏焦量對修整砂輪表面狀態(tài)的影響圖8給出了兩組偏焦量參數作用下激光修整砂輪表面狀態(tài)的SEM照片。其中，圖8a為偏焦量在45mm時激光修形與修銳砂輪的結果，圖8b為其他參數不變偏焦 量接近零(0

20、1mm)時激光修整砂輪的結果。當偏焦量很小時，作用能量密度較高， 產生的溫升也較高，使砂輪表面的磨料和結合劑同時被去除，且在其表面伴有一定 的熔化和輕微的凝固，與文獻3的結果類似，參見圖8b。偏焦量在降低較高溫升影 響的同時,何數學模型,計算與試驗確定了激光照射偏焦量臨界值和修整參數范圍，得到激光 修整小圓柱形陶瓷結合劑 CBN砂輪的優(yōu)化偏焦量范圍為45mm。研究表明，調 整激光偏焦量可達到選擇性去除砂輪結合劑的目的；激光修整砂輪中的熔化與氣化有利于提高砂輪磨削表面質量。研究結果為激光修整超硬磨料砂輪提供了計算與 試驗依據。參考文獻：1 Zha ngC,Shi nYC.ANovelLaser-

21、assistedTru2in ga ndDressi ngTech niqueforVitrifiedCBNWheels .J.o f&Ma nu fac2,42:,Yua n,Yu npeng .Tru2KeyE ngin eeri ngMateri2,2001,202-203:263- 2683 康仁科,原京庭，任敬心，等.激光修整金剛石砂輪的實 驗研究.西北工業(yè)大學學報，1999,17:6246284 陳繼民,左鐵釧.C02激光三維方位切割的人工神經網絡分析.中國激光,2004,31(2):245248 王續(xù)躍，張俊亮,郭東明，等.激光束空間模式的主 動調控與模擬.大連理工大學學報,20

22、02,42(3):322325 史興寬，徐傳義，王健超光滑基底表面污染微粒(a)偏焦量45mm的激光清洗技術中國機械工程，2000,11(10):113811417 Tada no J,ltoY.A ngularDepe nden ceofCoupli ngBetwee nF ocusedlaserPulsesa ndaTra nspare ntMaterialStudiedbyTime-resolvedlmagi ngTech2 nique2 ndl nter.C onferenceon LEM21,Niikata,Ja2pa n,20038 Wan gXY,Wa ngJ.A nExperime ntalStudyofLa