基于气中放电辅助在线修整金刚石砂轮方法 【技术领域】
本发明涉及一种修整金刚石砂轮方法，具体是一种基于气中放电辅助在线修整金刚石砂轮方法。属于精密机械加工技术领域。
背景技术
金刚石砂轮具有优异的磨削性能，在难加工材料的磨削加工中得到了广泛应用。用于金刚石砂轮的结合剂有金属、树脂、陶瓷等，常用的金属(青铜)和树脂结合剂金刚石砂轮在应用中占有更重要的地位。但是金刚石砂轮的自锐性差、容易堵塞、在磨削加工中易产生由砂轮偏心引起的激振力，因而影响磨削过程的稳定性和磨削表面质量，从而限制了其在高性能硬脆材料的精密加工中的正常使用，为此必须进行经常修整。目前常用的机械修整方法如金刚石工具修整法、普通砂轮磨削法、游离磨料研磨法等普遍存在修整时间长、难度大、修整效率低、修整精度低和操作条件恶劣等特点。特别是传统的金刚石笔修整法由于修整笔易被磨损形成磨损小平面，影响修整工作并有可能损坏砂轮，因此不能用于金刚石砂轮的修整。国内外又开发了电火花修整、电解修整、超声振动修整、激光修整等一系列特种修整方法。但电火花修整和电解修整必须使用液体工作液，且电火花修整法修整精度虽高，可整形和修锐，但修整速度慢；电解修整法速度快，但难以整形；激光修整成本高；超声振动修整效率低。因此对于不能使用任何冷却液的数控光学曲线磨床上的金刚石砂轮，以上修整方法均不适用。
经文献检索发现，中国专利申请号：87107656.X，专利名称为：金属结合剂磨轮的成型修整方法。该专利中金属结合剂磨轮的成型修整方法，是采用电火花放电加工技术，对导电性磨轮作精确地成型修整。它能很方便地控制高硬度磨轮(例如金刚石磨轮)成型面的型位公差，一次成型的精度高。但由于该方法必须使用煤油或20号机油作介质，且修整效率低，所以不能满足金刚石砂轮在不能使用任何冷却液条件下的高效、高精度在线修整。
【发明内容】
本发明的目地在于针对现有技术的不足，提出了一种基于气中放电辅助在线修整金刚石砂轮方法，使其把气中火花放电修整法和金刚石笔机械修整法有机结合在一起，扬长避短，实现光学曲线磨床上金刚石砂轮的高效、高精度、低成本和不得使用任何冷却液的在线修整。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用气中放电辅助在线修整金刚石砂轮，它包括建立气中火花放电温度场，气中放电作用下金刚石笔的修整运动和控制气中放电持续进行三个步骤。第一步中，为了避免修整中使用冷却液，采用电极和砂轮之间在空气中放电建立温度场，然后利用温度场软化金刚石砂轮的金属结合剂材料，降低它的硬度以便于高硬度的金刚石砂轮的机械整形和修锐。第二步中，被修整的金刚石砂轮在工作位置上作旋转运动，单点金刚石修整笔沿轴向在砂轮表面往复移动，机械修整已经由温度场软化了的结合剂材料，避免了金刚石笔的过度磨损。第三步中，由测量环节、控制环节和执行环节完成修整过程中气中连续放电的控制，保证修整过程连续有效地进行。
以下对本发明作进一步说明，具体内容如下：
1、建立气中火花放电温度场
传统的电火花加工是利用工具电极与工件之间的脉冲火花放电产生的热能，瞬时熔化、汽化和抛出加工区的工件材料，达到加工工件的目的，适合于对任何导电难加工材料进行成型加工。利用电火花加工机理对金刚石砂轮实现在线修整已经在工业生产中获得了广泛的应用。一般认为绝缘性的工作液介质(如煤油等)是电火花加工不可缺少的，在加工过程中起压缩放电通道、冷却、排屑等作用。本发明采用了气体介质中电火花加工方法，并把它运用到金刚石砂轮修整过程中，在数控光学磨床砂轮修整装置中，首先把直径细小的紫铜电极接脉冲电源的负极，被修整的金刚石砂轮在工作位置上接脉冲电源的正极，然后根据脉冲电源实际电压50～120V和电流3A～5A，调整好电极和旋转砂轮的间隙15～25μm，使砂轮和电极间的空气介质能够电离、击穿，形成连续的放电通道。脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极，电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内、正极和负极表面分别成为瞬时热源，最后利用金刚石砂轮(正极)表面形成的可控温度场软化金刚石砂轮的金属结合剂材料，降低它的硬度以便于高硬度的金刚石砂轮的机械整形和修锐。
2、气中放电作用下金刚石笔修整运动
被修整的金刚石砂轮安装在数控型光学曲线磨床或工具磨床上作400～600r/min旋转运动，单点金刚石修整笔沿轴向以3～6μm/r的进给量在砂轮表面往复移动，与此同时紫铜电极在修整点上方和旋转的金刚石砂轮之间产生气中放电，选取放电间隙为15～25μm以及脉冲电源电压50～120V、电流3A～5A，将砂轮表面软化甚至熔化，金刚石修整笔的修整材料模式将从脆性断裂变为塑性流动，修整笔的修整力比单纯金刚石笔机械修整的修整力大大减小，因而砂轮表面修整质量得到了提高，降低了金刚石修整笔的磨损，延长了金刚石修整笔的寿命。
3、控制修整过程中气中连续放电
本发明研制了一套维持气中连续放电控制系统，它可以根据不同的修整目的，一旦加工条件发生变化会引起电极和金刚石砂轮之间的间隙变化，则电极的进给也应随之作相应的变化，从而保证气中放电能始终持续进行下去。在修整开始时，通过控制压电陶瓷的驱动电压保证电极和金刚石砂轮之间的最佳间隙。如果修整电极与金刚石砂轮发生短路时，修整电极必须能迅速离开金刚石砂轮，而后重新调整，以保证所需的最佳放电间隙。而修整电极与金刚石砂轮之间不能发生火花放电时，修整电极需要向金刚石砂轮靠近，使火花放电能持续进行下去。具体分测量、控制和执行三步来完成：
第一步：首先在电极与金刚石砂轮之间加一测量环节，由该测量环节正确地检测间隙状态，即通过测量间隙电压来间接地表征间隙的大小并将检测信号传递给控制环节。
第二步：由控制环节对测量信号进行转换，处理，来完成对执行环节的控制。单片机通过A/D转换采集修整时的间隙电压U，并实时地对采样信号进行分析处理，并控制电致伸缩器件动作。修整加工区状态检测电路采样间隙电压的平均值送入比较电路与伺服参考电压进行比较，根据比较电路的输出值正负决定压电陶瓷微位移驱动器的驱动电源电压的大小，从而实现压电陶瓷的微量进给。
最后由执行环节带动修整电极动作，并保证一定的进给精度。考虑到压电陶瓷的位移量比较小的特点，并根据修整系统的实际情况，利用压电陶瓷与伺服电机相结合，设计了能实现微步距伺服进给的修整装置。伺服电机通过丝杠控制磨床工作台作大距离进给，到位后再由压电陶瓷控制修整电极作微进给运动，整个修整过程由这两种进给方式交替完成。执行环节中电极和金刚石笔沿金刚石砂轮的轴向往复运动由数控机床的CNC系统控制。
本发明采用基于气中放电辅助在线修整金刚石砂轮方法，把气中火花放电修整法和金刚石笔机械修整法有机结合在一起，解决了目前国内存在的数控光学曲线磨床和工具磨床上金刚石砂轮无法在线修整的一大难题。该方法摒弃了传统电火花、电解修整方法中的工作液介质，采用气中放电产生温度场，非常适合于不能使用工作液介质的光学磨床和工具磨床上金刚石砂轮在线修整。另外它还能使金刚石砂轮的修形和修锐同时完成，且修形精度高，修整效率也高。
【具体实施方式】
结合本发明方法的内容提供以下实施例：
本实验在上海某某机床厂生产的最新产品MK9025数控型光学曲线磨床上进行，被修整砂轮是上海砂轮厂生产的青铜基金刚石砂轮，砂轮型号是1A1/T2 200×6×32×4 MBD3 120/140 M75。伺服电机选用Panasonic AC SERVO MOTOR型号为MSMA082A1G，金刚石笔选用上海金刚石工具厂生产的1克拉/粒的金刚石笔，采用四川压电与声光技术研究所生产的WTYD0808020型压电陶瓷与伺服电机相结合，实现电极和金刚石笔的微步距伺服进给。为了避免使用冷却液造成的不利因素，实验中紫铜电极和金刚石砂轮两极在脉冲电源的作用下气中放电产生温度场。并且为了保证在整个修整过程中气中放电能持续进行，由PIC16C74单片机通过A/D转换采集修整时的间隙电压U，并实时地对采样信号进行分析处理，并控制电致伸缩器件动作。修整加工区状态检测电路采样间隙电压的平均值送入比较电路与伺服参考电压进行比较，根据比较电路的输出值正负决定压电陶瓷微位移驱动器的驱动电源电压的大小，从而实现压电陶瓷的微量进给。其他实验参数可从表1、表2或表3中任选一组。
表1气中放电辅助修整金刚石砂轮实验参数1 脉冲电源断路电压 85V 放电间隙 20μm 砂轮转速 560r/min 电极 紫铜，直径Ф6mm 电极和金刚石笔往复进给量 4μm/r 冷却介质 空气 金刚石笔修整往复次数 1
表2气中放电辅助修整金刚石砂轮实验参数2 脉冲电源断路电压 120V 放电间隙 25μm 砂轮转速 560r/min 电极 紫铜，直径Ф6mm 电极和金刚石笔往复进给量 4μm/r 冷却介质 空气 金刚石笔修整往复次数 1
表3气中放电辅助修整金刚石砂轮实验参数3 脉冲电源断路电压 50V 放电间隙 15μm 砂轮转速 560r/min 电极 紫铜，直径Ф6mm 电极和金刚石笔往复进给量 4μm/r 冷却介质 空气 金刚石笔修整往复次数 1
利用KEYENCEVH-8000高分辨率数字HD显微镜观察修整前后金刚石砂轮表面的微观形貌，可以看出修整后的砂轮表面单颗金刚石磨粒形状完整，未产生损伤，且具有较大的磨粒突出高度和容屑空间。用千分表测得修整后金刚石砂轮直径减少30μm，三向修整力均比相同实验条件下传统金刚石笔修整法降低，其中主修整力是机械修整法中的1/9，另外推力与主修整力之比是机械修整法的3/4。这表明电火花辅助金刚石笔整形砂轮是高效的。