摘要：使用脈沖YAG激光對樹脂結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等表面形貌特征，比較了在不同的激光修銳參數下所獲得的不同的修銳效果。試驗結果表明激光修銳樹脂結合劑砂輪是可行的，并指出了進行激光修銳工藝參數優化研究的重要性。
　　
　　1 概述
　　
　　樹脂結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。
　　
　　樹脂結合劑砂輪的激光修銳是最近發展起來的一種新的修銳方法。因為磨粒和結合劑材料的熱物理參數相差很大(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，并且可以通過調節激光修銳的工藝參數對修銳效果進行精確的控制。
　　
　　為了評價樹脂結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展，其中三維掃描方法在砂輪表面形貌的測量中得到應用。這類方法可以快速精確地復現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。測量系統為Replica500高速激光三維掃描系統，采用激光三角法對三維形貌進行測量，測量重復精度達到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發生變化，其位置值經模數轉換后送入計算機，并可通過三角關系計算得出表面測量點處的z方向高度值。
　　　　
　　在Replica500系統上采用光刀而非光點進行測量。激光器發出的激光光幕與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，其主要技術指標如下：脈沖頻率，1,5,10,20,50Hz分檔可調；脈沖寬度，0.3ms，0.5ms，2ms，4ms四檔任選；燈電壓：300～1150V連續可調；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動，步距為6.25μm，工作臺最高限速為8mm/s。
　　
　　3 試驗結果及分析
　　
　　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，樹脂結合劑砂輪在用金剛石修整筆修整后，磨粒之間仍被大量結合劑填充，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合劑砂輪修銳效果的一個重要參數。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來描述不同高度磨粒的分布情況，這些峰點的數目變化趨勢可近似反映此深度的磨粒數目變化趨勢。
　　　
　　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。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為連通的整體，而是出現了大量獨立的小的峰點，這說明經過激光修銳，磨粒之間填充的結合劑被去除，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長度內峰點總數明顯上升，峰點數隨切入深度的變化變得較為劇烈，當切入深度為150μm時，峰點數目變化趨于平穩，磨粒的等高性也得到了改善。
　　
　　當修銳參數選擇不當時，修銳后砂輪表面峰點數反而有所降低，如圖中曲線4、5。這說明修銳參數不當反而造成了砂輪表面形貌的惡化。由此可見，用激光對樹脂結合劑砂輪進行修銳時存在一個合適的修銳參數范圍，在這個范圍內，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。
　　
　　4 結論
　　
　　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整范圍能夠滿足對樹脂結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合劑砂輪是圖4所示是砂輪表面一段沿周向20mm長度內完全可行的。
　　
　　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目。
　　
　　激光修銳樹脂結合劑砂輪存在一個合適的修銳參數范圍，修銳參數不當有可能造成表面形貌的惡化。確定樹脂結合劑砂輪激光修銳的合理的參數將是今后進一步研究的重點。