摘要：本文提出一种基于砂带磨削的专用单颗粒磨头，并获得了相应的知识产权，包括转接板、支撑架、穿孔螺栓、活塞和磨头主体。单颗粒磨头主体的一端与支撑架连接，支撑架与转接板连接，转接板的一端为相应机床或机器人的接头。磨头主体内设有气缸，穿孔螺栓旋入气缸的敞口端，活塞体与气缸的内壁之间设有气垫圈，位于气缸内的弹性垫圈套设在活塞杆上。气缸的外壁上安装有压力表、进气阀和调气阀。活塞杆的外露端与磨粒座连接，可更换金刚石磨粒可拆卸的安装在磨粒座上。气动压力控制系统可以实现磨削运动时磨削压力的有效控制，使活塞轴向运动；气垫圈亦可实现柔性磨削，使活塞可以径向摆动，从而保证不同材料的不同工况的单颗粒磨削随行运动。

引言

磨削加工技术因其具有较多的优点常被认为是提高生产率的有效方法，通常用于加工表面质量有要求的零件。其本质上是磨粒与工件的相互作用来去除表面多余材料，由于磨粒大小不一、磨粒的随机分布给材料去除机理的研究带来了困难。作为磨削的简化，通过对单颗粒磨削的研究可以更好地理解砂带磨削过程中的磨削力以及各种物理学现象，比如，材料堆积率、去除率、滑痕隆起等，单颗磨粒磨削为探究复杂磨削提供了理论依据。而且单颗磨粒磨削为探究复杂磨削提供了更好的条件，是研究磨粒磨损特性和加工样件表面特征的一种有效方法。但单颗粒磨头的缺乏导致了这一方法尚无法完全应用到磨削加工机理的研究中，阻碍了磨削技术的进一步发展。为了解决现有技术中存在的问题，设计了一种基于砂带磨削的专用单颗粒磨头。

1 基于砂带磨削的专用单颗粒磨头

1.1基于砂带磨削的专用单颗粒磨头创新设计基于砂带磨削的专用单颗粒磨头，主要包括转接板1、支撑架2、螺栓3、螺母4、垫圈5、穿孔螺栓6、弹性垫圈7、活塞8、活塞体801、活塞杆802、磨粒座9、可更换金刚石磨粒10、压力表11、进气阀12、调气阀13、气垫圈14、磨头主体15和气缸16。利用压力表、进气阀、调气阀组成的气动压力控制系统可以实现磨削运动时磨削压力的有效控制，通过调气阀调整进气压力，使活塞可以轴向运动，从而实现工件的柔性磨削；气垫圈亦可实现柔性磨削，使活塞可以径向摆动，以使磨粒实现类似于砂带的柔性磨削，从而保证不同材料的不同工况的单颗粒磨削随行运动，并利用内部的弹性垫圈使进气时活塞有一定的轴向回弹性，提供具备轴向及径向运动的弹性磨削运动，从而实现工件的柔性磨削；气动压力控制系统提高了磨削过程的可视性，提供了一种研究磨削运动的便捷途径，降低了管理和生产成本。同时基于砂带磨削的专用单颗粒磨头具有较好的通用性，可安装于相应的机床设备或机器人上。

图1 单颗粒磨头的侧视图 图2 沿A-A剖开的整体示意图

图3沿A-A剖开的局部示意图

2 基于砂带磨削的专用单颗粒磨头实验装备

2.1 装备介绍

该基于砂带磨削的专用单颗粒磨头是国内研发的首台激光砂带协同加工装备的附属平台，由重庆大学高性能表面完整性及其服役性能研究团队自主开发设计。该装备（图4）涵盖皮秒激光加工和砂带同时加工的能力，同时也可以探究“单脉冲激光+单颗粒”共同作用下的科学研究，打破了不能形成特定微纳结构表面的传统砂带磨削及不能实现高效率材料去除的皮秒激光加工的局限。装备集成了高端冷光源激光加工成套设备和砂带磨削装置，整体采用大理石框架结构，具有高稳定性，集成激光发生器、激光传输聚焦扫描系统、三轴运动平台、观察系统、外围辅助系统（集尘吹气等）以及控制系统，各部分相互配合形成统一的整体。以此设备可以进行不同材料的激光砂带协同工艺研发，建立并扩展激光砂带微加工不同类材料的工艺研发数据库，在成熟工艺条件下进行加工生产。围绕微纳结构仿生表面加工方法及其服役性能等开展研究，现已发表论文20余篇，专利10余项。

图4 激光砂带协同加工装备

2.2 实验过程

（1）实验目的

激光砂带加工由于砂带磨粒分布的不均，造成脉冲激光与砂带各个磨粒难以达到同时加工，从而难以探索激光砂带协同加工过程的材料去除机理和表面结构形成特征。由于单颗粒滑擦实验能探索磨削过程中的材料去除机理和磨削过程中的力热关系，且能和脉冲激光形成很好的协同加工过程。因此采用激光单颗粒滑擦来探究激光砂带加工过程的现象和机理。

通过激光和单颗粒可探索不同速度和压力下单颗粒滑擦下材料的去除机理和表面形成特征，也可以探索在引入不同能量和频率的脉冲激光下，激光单颗粒滑擦下材料的去除机理和表面形成特征。

（2）实验参数

实验采用Labelt-12/30-1.0设备进行激光单颗粒滑擦实验。激光通过反射镜以15°的角度聚焦照射到单颗粒的底部位置，以实现脉冲激光和单颗粒的同时加工。通过控制单颗粒的下压，使磨粒压入工件表面，然后工件以一定的速度沿着X轴负方向移动，实现激光单颗粒滑擦实验。

本次实验的单颗粒材料为金刚石，工件材料为45钢，具体参数如表1所示。

（3）检测结果

图5、6为不同激光功率下和单独单颗粒滑擦的放大形貌图。从图（a）、（b）和（c）中可以看处，在有激光打入的情况下，其加工的深度和宽度都较单独的单颗粒滑擦大，其加工痕迹也较为工整，且磨削较少，与第三次试验结果相吻合。但是由于激光功率不高，其表面并没有出现45钢融化后重凝的现象。

 图5不同激光功率下的形貌图

图6不同激光功率下的形貌放大图

当功率在50%和70%时，其加工痕迹周围出现了周期性的斜纹痕迹，这是之前没有观察到过的现象,且其加工痕迹较功率为10%和30%下在长度和宽度上都略微减小。这是因为加工材料表面的不平整造成，从图一也可以看出，在激光功率为30%处，表面凹陷现象明显，右至左表面高度逐渐增加。

形成周期性斜纹痕迹的原因可能是由于激光轨迹超过的金刚石磨料的底部，致使部分激光入射到了金刚石上，通过金刚石折射或者反射，使部分激光偏移了原有轨迹，入射到了磨粒轨迹的边上。而激光功率为10%和30%时，由于其能量密度过小，未达到材料的烧蚀阈值，从而未形成斜纹。从上图还可以看出，随着激光功率的增加，斜纹的深度和宽度也在增加，进一步说明了激光能量增加，烧蚀的效果越明显。

3 结论

激光砂带平台通过将砂带磨头替换为单颗粒磨头，该基于砂带磨削的专用单颗粒磨头通过气动压力控制系统可以实现磨削运动时磨削压力的有效控制，使磨粒可以沿着活塞杆轴线轴向运动，同时气垫圈亦可实现柔性磨削，使活塞可以沿径向摆动，从而保证不同材料的不同工况的单颗粒磨削随行运动。当将激光入射到单颗粒底部，从而实现激光单颗粒的协同加工，相较于激光砂带实现过程简单，该基于砂带磨削的专用单颗粒磨头所依附的设备可对不同材料进行激光单颗粒滑擦实验，探索激光和磨料协同作用下的材料去除和表面创成机理，为激光砂带加工提供了理论和技术支持，从而指导激光砂带加工。