一种激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的方法和装置

技术领域

本发明属于利用冲击波的表面加工技术领域，尤其涉及一种激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的方法和装置。

背景技术

砂轮又称固结磨具，砂轮是由结合剂将磨料固结成一定形状，并具有一定强度的固结磨具。其一般由磨料、结合剂和气孔构成。超硬磨料砂轮采用的磨料为金刚石和立方氮化硼等材质，是精密磨削难加工材料的重要工具。随着磨削加工的进行，砂轮基体上外凸的磨料颗粒间隙会被磨屑堵塞，导致砂轮切削性能下降，导致磨削力增大、磨削温度升高。长时间不处理会造成加工表层在热力耦合作用下出现金相组织变化、残余拉应力和微裂纹等热损伤问题。

目前，通常解决砂轮磨损变钝、堵塞等问题的方法主要有机械修整，电解修整和激光烧蚀清洗。机械修整是目前解决砂轮磨损、堵塞等问题应用最为广泛的方法，但该方法修整效率低、且易造成砂轮材料浪费。电解修整技术可通过超硬磨料砂轮表层磨料的周期性生产与脱落，保持锋利的切削刃和干净的容屑空间，改善砂轮的切削性能；但是，残留于砂轮与电极间的电解液会污染加工表层，影响加工质量。激光烧蚀清洗是利用高功率激光器烧蚀砂轮表面，实现对砂轮堵塞区杂质的清洗，该清洗方式绿色环保，但以激光烧蚀为机理的清洗方式易在激光清洗堵塞杂质的同时，会损伤砂轮基体，对砂轮造成不可逆的损伤。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的方法和装置，利用击穿空气形成等离子体周围的强冲击波的力学效应，在不损伤砂轮基体的前提下，实现对砂轮基体表层微纳尺度堵塞物的清洗。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，一种激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的方法，包括步骤：

S1、判断砂轮堵塞类型；

S2、调控超快激光源的工艺参数；

S3、调控激光光路，使激光光路与砂轮表面平行，激光焦点至砂轮表面的距离为设定距离；

S4、启动超快激光源，击穿激光焦点位置的空气，产生激光等离子体，利用冲击波清洗砂轮表面的堵塞物。

第二方面，一种激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的装置，包括：超快激光源、砂轮夹持装置和光路结构；

超快激光源用于发出超快激光；砂轮夹持装置用于将砂轮夹持固定在特定位置；光路结构用于使激光光路与砂轮表面平行，将激光的焦点设定于：与砂轮表面相隔设定距离的位置上。

本发明的有益效果为：

1.本发明的冲击波产生于激光击穿砂轮表面上方一定距离位置的空气，而不是激光照射砂轮基体表面，由此不会烧蚀砂轮基体，清洗过程效率高、绿色环保，且不损伤砂轮基体。

2.本发明的冲击波产生于激光击穿空气，利用冲击波的机械振动效果，克服堵塞物吸附在砂轮上的吸附力，将将堵塞物粉碎移除；清洗过程中激光不直接作用于堵塞物，不会产生熔融飞溅物，不会造成熔融飞溅物等残留问题。

3.本发明的激光不直接照射金刚石磨料颗粒，金刚石磨料颗粒不经历高温热循环过程，不会造成严重的金刚石磨粒从砂轮基体中剥离的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的技术原理示意图；

图2是本发明清洗前的砂轮堵塞表面状态显微图；

图3是本发明清洗后的A组的砂轮表面状态显微图；

图4是本发明清洗后的B组的砂轮表面状态显微图；

图5是本发明清洗后的C组的砂轮表面状态显微图；

图6是本发明清洗后的D组的砂轮表面状态显微图；

图7是本发明清洗后的E组的砂轮表面状态显微图.

图8是本发明清洗后的F组的砂轮表面状态显微图；

图9是本发明清洗后的G组的砂轮表面状态显微图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中，1.砂轮基体，2.磨粒，3.堵塞物，4.激光焦点，5.强冲击波，6.光路范围，7.一维振镜，8.扩束镜，9.超快激光源。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的方法，包括步骤：

S1、判断砂轮堵塞类型；

S2、调控超快激光源的工艺参数；

S3、调控激光光路，使激光光路与砂轮表面平行，激光焦点至砂轮表面的距离为设定距离；

S4、启动超快激光源，击穿焦点位置的空气，产生激光等离子体，利用冲击波清洗砂轮表面的堵塞物。

工艺过程中，激光等离子体是指由激光辐射产生的高温、高浓度的等离子体；激光的辐射能量被转化为等离子体内部粒子的热能，并使等离子体产生局部爆发，形成冲击波；冲击波到达堵塞物位置时，冲击波的机械振动能够克服堵塞物吸附在砂轮上的吸附力，将将堵塞物粉碎移除。

可选的，S1中，基于光学显微镜统计分析砂轮表面堵塞的分布区间、堵塞面积，初步判断砂轮堵塞类型。

可选的，S1中，基于扫描电子显微镜分析堵塞区域的堵塞物的颗粒尺度、堵塞物元素分布、堵塞物与磨粒之间的元素变化，确定堵塞类型，并针对不同堵塞类型，分析堵塞物的吸附力。

具体的，堵塞类型可以分为嵌入型和黏附型：

嵌入型包括砂轮气孔内的小面积堵塞、砂轮容屑空间的局部堵塞与金刚石磨料之间的大面积堵塞；

黏附型包括金刚石表面的黏附、结合剂表面的黏附、砂轮基体的大面积黏附；

两者的主要区别体现为，采用冲击波清洗时，虽然两种类型清洗过程基本一致，但清洗机理略有不同，嵌入型堵塞多为物理堵塞，而黏附型存在化学堵塞，清洗时通常所需的能量要大于嵌入型的。

常见的堵塞情况包括：树脂结合剂金刚石砂轮表面，堵塞物为陶瓷粉末；

通常陶粉末会堆积嵌入在砂轮气孔、砂轮表面容屑空间或金刚石磨料之间。

可选的，S2中，调控激光参数包括：脉宽、峰值功率、重复频率、扫面速度和光斑直径；

脉宽为8.9ps，峰值功率为2.97W，重复频率为100KHz，光斑直径为78μm。

激光焦点至砂轮表面的设定距离为2～10mm；

优选的，激光焦点至砂轮表面的距离为8mm。

其中，脉宽是指激光功率维持在最大值附近时时所持续的时间。

峰值功率是指脉冲激光功率，是指激光器每个脉冲输出的功率大小。

光斑直径是指激光范围内最大强度50％位置，功率占比约为76％的区域。

使用超快激光源的优势在于：相比于普通激光源，超快激光源能够在瞬时获得高的能量，进而击穿空气，产生足够强度的冲击波。

可选的，S3中，调控激光光路，使激光的入射方向平行于砂轮表面，利用一维振镜使激光的焦点位于：与砂轮表面相隔设定距离的位置上。

清洗过程中，如图1所示，超快激光源9发出激光，在距离砂轮表面设定距离的位置形成激光焦点4，激光焦点4位置的空气被击穿，产生激光等离子体，形成的强冲击波4到达砂轮表面，使堵塞物3获得动能，克服吸附力，进而从堵塞位置脱落，暴露出砂轮基体1和磨粒2；由于激光的光路范围6不包括砂轮基体1、磨粒2和堵塞物3，则不会严重烧蚀砂轮基体1，不会形成熔融飞溅物；即利用超快激光击穿空气形成等离子体周围强冲击波的力学效应，在不损伤砂轮基体的前提下，实现对砂轮基体表层微纳尺度堵塞物的清洗。

可选的，S4中，使激光焦点位置沿设定的路径扫描，清洗砂轮表面设定范围内的堵塞物。

一种激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的装置，包括：超快激光源、砂轮夹持装置和光路结构；

超快激光源用于发出超快激光；砂轮夹持装置用于将砂轮固定在特定位置；光路结构用于将激光的焦点设定于：与砂轮表面相隔设定距离的位置上。

可选的，如图1所示，光路结构包括：扩束镜8和一维振镜7。

一维振镜7的作用为：用于激光光束的聚焦，同时实现激光焦点沿砂轮宽度方向的直线运动。

扩束镜8的作用为：用于改变激光光束直径和发散角，使激光聚焦效果。

一维振镜7和扩束镜8是光路中实现激光的焦点设定于砂轮表面1～20mm距离的位置上，并且能沿砂轮宽度方向的直线运动的必要组件。

实施例1

清洗对象为：平均磨料粒度为91μm的树脂结合剂金刚石砂轮，堵塞物为陶瓷粉末堵塞；砂轮堵塞情况如图2所示，砂轮表面磨料之间基本被白色的陶瓷堵塞物覆盖，砂轮堵塞严重，砂轮不同区域的堵塞程度与堵塞物成分一致。

进一步检测可知，堵塞物的厚度平均约为1μm。

采用激光等离子体冲击波清洗堵塞砂轮的方法对该堵塞砂轮的不同区域进行清洗，工艺参数如表1所示。其中，A组、B组、C组、D组和E组是指该砂轮的不同区域。

表1

清洗后的使用光镜进行观察。

A组结果如图3所示，砂轮基体损伤减轻，金刚石磨粒大部分被剥离；

B组结果如图4所示，砂轮基体未被冲击波损伤，金刚石磨粒部分被剥离；

C组结果如图5所示，砂轮基体未被冲击波损伤，金刚石磨粒少量被剥离；

D组结果如图6所示，砂轮基体未被冲击波损伤，金刚石磨粒未被剥离；

E组结果如图7所示，具有清洗效果，但堵塞物未被完全清洗；

当焦点至砂轮表面的距离为1mm时，砂轮表面存在大量金刚石脱落后的凹坑。

当焦点至砂轮表面的距离为15mm或20mm时，无清洗效果。

可以看出：随着焦点至砂轮表面的距离变大，作用于砂轮基体的冲击力逐渐减小，砂轮基体损伤程度逐渐减轻，金刚石剥落情况逐渐减轻，在焦点至砂轮表面的距离为2～10mm时，能达到最好的清洗效果，进一步优选为8mm。

为分析超快激光冲击波清洗与超快激光烧蚀清洗的区别，设置激光烧蚀清洗砂轮对照实验：激光烧蚀清洗方法对该堵塞砂轮的其他区域进行清洗，工艺参数如表2所示。其中，F组和G组表示该砂轮的不同区域。

表2

清洗后的使用光镜进行观察。

F组结果如图8所示，砂轮基体烧蚀严重，分布有条状的烧蚀凹坑，金刚石磨粒大部分被剥离；G组结果如图9所示，砂轮基体烧蚀严重，金刚石磨粒大部分被剥离。可以看出，不管激光峰值功率大或者小，都对金刚石磨粒的破坏较大。这是由于金刚石磨粒经受激光的直接照射，温度变化剧烈，其与基体的热膨胀系数差异大，造成了金刚石磨粒的大量脱离，清洗后的砂轮的磨削能力大幅下降。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。