摘要：使用脈沖YAG激光對樹脂結(jié)合劑砂輪進行了修銳試驗研究，并采用激光三維掃描方法對修銳前后砂輪的表面形貌進行測量。通過考察砂輪磨粒突出高度及有效磨粒數(shù)等表面形貌特征，比較了在不同的激光修銳參數(shù)下所獲得的不同的修銳效果。試驗結(jié)果表明激光修銳樹脂結(jié)合劑砂輪是可行的，并指出了進行激光修銳工藝參數(shù)優(yōu)化研究的重要性。
　　
　　1 概述
　　
　　樹脂結(jié)合劑砂輪為密實型砂輪，這種砂輪在整形后，磨粒之間還填充著大量結(jié)合劑，沒有足夠的容屑空間，磨粒裸露高度不足，因此必須再進行修銳。
　　
　　樹脂結(jié)合劑砂輪的激光修銳是最近發(fā)展起來的一種新的修銳方法。因為磨粒和結(jié)合劑材料的熱物理參數(shù)相差很大(樹脂熔點約為200℃，SiC磨料熔點約為2000℃)，所以在激光作用下，可使結(jié)合劑熔蝕和汽化而磨粒基本不受影響，從而達到修銳的目的，并且可以通過調(diào)節(jié)激光修銳的工藝參數(shù)對修銳效果進行精確的控制。
　　
　　為了評價樹脂結(jié)合劑砂輪激光修銳的效果，必須對砂輪修銳前后的表面形貌進行精確測量。對砂輪表面形貌的測量有很多方法，近年來，新的三維曲面測量方法得到發(fā)展，其中三維掃描方法在砂輪表面形貌的測量中得到應(yīng)用。這類方法可以快速精確地復(fù)現(xiàn)砂輪表面完整的三維形貌。
　　
　　2 試驗原理及條件
　　
　　本文在砂輪表面形貌測量試驗中將采用激光三維掃描方法。測量系統(tǒng)為Replica500高速激光三維掃描系統(tǒng)，采用激光三角法對三維形貌進行測量，測量重復(fù)精度達到0.05mm。測量原理如圖1(a)所示:激光器LA輸出的激光照射在物體表面上并產(chǎn)生漫反射，其漫反射光通過透鏡組L1聚焦到PSD(位置敏感器件)上，激光器，透鏡組和PSD器件組成掃描頭，當掃描頭沿x軸方向移動時，三維表面上反光點的位置在z軸方向不斷變化，光點在PSD器件上所成的像的位置相應(yīng)發(fā)生變化，其位置值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機，并可通過三角關(guān)系計算得出表面測量點處的z方向高度值。
　　　　
　　在Replica500系統(tǒng)上采用光刀而非光點進行測量。激光器發(fā)出的激光光幕與y-z平面平行，照射在被測物體表面形成具有一定寬度的光刀，光刀的寬度應(yīng)保證其在PSD上的像的寬度不超過PSD的最小分辨距離，否則將會影響測量精度，本文試驗中取光刀寬度為200μm。如圖1(b)所示，光刀與y軸平行，這樣一次就可以得到一條y軸方向直線上的z值變化。通過光刀沿x方向的掃描，就可以得出整個表面的完整的三維形貌。
　　
　　砂輪激光修銳采用電子工業(yè)部第十一研究所研制的脈沖YAG激光加工機，激光加工機由固定激光器和X-Y移動工作臺組成。激光器的功率、脈寬和頻率均可調(diào)，其主要技術(shù)指標如下：脈沖頻率，1,5,10,20,50Hz分檔可調(diào)；脈沖寬度，0.3ms，0.5ms，2ms，4ms四檔任選；燈電壓：300～1150V連續(xù)可調(diào)；當脈寬小于0.5ms時，燈電壓可達1300V；最大輸出功率6kW；激光脈沖頻率變動范圍受脈寬限制，如下表所示：
　　表1 激光脈沖頻率和脈寬關(guān)系
　　脈寬ms 0.3 0.5 2 4
　　頻率Hz <50 <40 <20 <10
　　
　　
　　X-Y工作臺由步進電機驅(qū)動，步距為6.25μm，工作臺最高限速為8mm/s。
　　
　　3 試驗結(jié)果及分析
　　
　　激光修銳選用46#粒度SiC砂輪，修銳前首先用單點金剛石修整筆對砂輪進行整形，樹脂結(jié)合劑砂輪在用金剛石修整筆修整后，磨粒之間仍被大量結(jié)合劑填充，沒有足夠的容屑空間，所以這時砂輪不具備磨削性能，必須進行修銳。
　　
　　磨粒裸露高度是評價樹脂結(jié)合劑砂輪修銳效果的一個重要參數(shù)。如圖2所示，以砂輪表面最外層為基準，可通過不同切入深度下的峰點總數(shù)來描述不同高度磨粒的分布情況，這些峰點的數(shù)目變化趨勢可近似反映此深度的磨粒數(shù)目變化趨勢。
　　　
　　用激光三維掃描方法對修銳后的砂輪表面形貌進行測量，并按圖3所示方式對修銳前后的砂輪表面磨粒裸露高度進行分析，取切入深度為100μm，切得的修銳前后砂輪表面峰點分布情況如圖2所示。圖2(a)所示為砂輪上一塊2.5×2.5mm面積mm上在未修銳之前的峰點分布情況，因為圖中平坦區(qū)面積很小，可見此時的切入深度已接近于凹坑最低點，說明砂輪表面的起伏基本在最外表面100μm下的范圍內(nèi)。如圖所示，這時砂輪表面的突起部分基本是連通的，很少有尖銳獨立的峰點，表明這時磨粒之間填充著大量結(jié)合劑。圖2(b)所示為這塊面積上在修銳后的峰點分布情況，可見圖中平坦區(qū)面積有所增加，說明砂輪表面的起伏范圍增加。更重要的是，這時砂輪表面的突起不再表現(xiàn)為連通的整體，而是出現(xiàn)了大量獨立的小的峰點，這說明經(jīng)過激光修銳，磨粒之間填充的結(jié)合劑被去除，砂輪獲得了一定的容屑空間。
　　
　　圖4所示是砂輪表面一段沿周20mm長度內(nèi)峰點總數(shù)明顯上升，峰點數(shù)隨切入深度的變化變得較為劇烈，當切入深度為150μm時，峰點數(shù)目變化趨于平穩(wěn)，磨粒的等高性也得到了改善。
　　
　　當修銳參數(shù)選擇不當時，修銳后砂輪表面峰點數(shù)反而有所降低，如圖中曲線4、5。這說明修銳參數(shù)不當反而造成了砂輪表面形貌的惡化。由此可見，用激光對樹脂結(jié)合劑砂輪進行修銳時存在一個合適的修銳參數(shù)范圍，在這個范圍內(nèi)，激光修銳可以獲得較好的效果，在此范圍之外，修銳反而可能會造成砂輪表面形貌的惡化。因此必須仔細選擇砂輪的激光修銳參數(shù)。
　　
　　4 結(jié)論
　　
　　使用激光三維掃描方法對砂輪表面形貌進行測量有足夠的精度，能反映砂輪表面的形貌特征
　　
　　YAG激光器光束直徑及能量調(diào)整范圍能夠滿足對樹脂結(jié)合劑砂輪進行修銳的要求，可以獲得較好的砂輪表面形貌，使砂輪表面磨粒裸露高度和有效磨粒數(shù)增加，而且磨粒的等高性也得到一定程度的改善，說明激光修銳樹脂結(jié)合劑砂輪是圖4所示是砂輪表面一段沿周向20mm長度內(nèi)完全可行的。
　　
　　激光器類型的選擇很重要，在進行砂輪修銳試驗研究中，建議選擇連續(xù)型YAG激光器，這樣可精確控制修銳效果，精確獲得所需的磨粒裸露高度和磨粒數(shù)目。
　　
　　激光修銳樹脂結(jié)合劑砂輪存在一個合適的修銳參數(shù)范圍，修銳參數(shù)不當有可能造成表面形貌的惡化。確定樹脂結(jié)合劑砂輪激光修銳的合理的參數(shù)將是今后進一步研究的重點。