本发明专利技术公开了一种高精度微圆弧金刚石刀具“两步”机械刃磨工艺，从抑制金刚石晶体机械研磨材料去除率各向异性入手，结合前期积累的高精度大圆弧金刚石刀具机械刃磨工艺经验，对微圆弧金刚石刀具进行机械刃磨加工。通过大量的微圆弧金刚石刀具机械刃磨工艺实验，详细分析了金刚石磨料粒度、研磨盘基体材料、研磨压力、研磨盘转速、往复运动行程、往复运动频率、摆轴摆动速度、进给量等对微圆弧金刚石刀具刀刃圆弧波纹度、切削刃钝圆半径和微观缺陷的影响规律，并建立优选的微圆弧金刚石刀具机械刃磨工艺，以此获得近无崩刃缺陷和极其锋利的切削刃具，为打破国外的技术壁垒、提高我国微圆弧金刚石刀具的加工水平，迈出了探究性的一步。步。步。
【技术实现步骤摘要】
一种高精度微圆弧金刚石刀具“两步”机械刃磨工艺
[0001]本专利技术属于微纳制造
，涉及一种适合于制造高精度微圆弧金刚石刀具的机械刃磨工艺，应用于功能微结构阵列表面的超精密切削加工。
技术介绍
[0002]由于微结构阵列表面具有很多优异的特性，在生物医疗、环境保护、光伏能源、光学系统、柔性皮肤、虚拟现实和国防军工等众多高新科技领域均有应用。而如何实现大范围、高效率、低成本的微结构阵列表面加工一直是学术界和工业界关注的热点。经过几十年的发展，金刚石切削加工技术和辊压(或模压)技术被公认为是加工大尺寸功能微结构表面最有效、成本最低的加工技术。功能微结构阵列表面金刚石切削加工技术是采用高精度微小金刚石刀具在超精密机床上直接完成表面加工的技术，目前该技术是大尺寸金属表面微结构阵列加工的唯一方法；辊压(或模压)加工技术是一种用金刚石切削加工的模具基于复制原理把模具表面的微结构转印到聚合物表面的加工技术，该技术非常适用于薄膜微结构的大批量工业生产。在上述两种加工方法中，金刚石切削加工都是必不可少的一环，而高精度微小金刚石刀具是功能微结构阵列表面加工的必备工具，尤其微圆弧金刚石刀具由于对刀方便、切削刃长、耐磨损能力强，是大尺寸微结构阵列表面切削加工的常用刀具。
[0003]影响微结构阵列表面切削加工质量的主要因素包括机床运动精度和微圆弧金刚石刀具制造精度。刀具制造精度主要包括切削刃形状精度(又叫刀刃圆弧波纹度)、锋利度(又叫切削刃钝圆半径)和微缺陷的多少。由于目前刃磨水平的限制，即使精密研磨的微圆弧金刚石刀具切削刃也不是一条完美的圆弧线，而是一条带有微观缺陷的“锯齿”状圆弧带，这里的微观“锯齿”状就是指刀刃圆弧波纹度，圆弧带就是指切削刃钝圆半径。这些刀具制造误差将影响微结构的形状精度和表面质量。因此，为使功能微结构阵列表面的加工质量满足其设计要求，必须提高微圆弧金刚石刀具的制造精度。
[0004]金刚石是自然界最硬的材料，并且具有很强的各向异性，因此用常规方法对其加工极其困难，对精度要求极高的微圆弧金刚石刀具的加工更是困难。目前，可用于金刚石加工的工艺方法主要有：机械研磨法、化学辅助抛光法、热化学抛光法、激光加工法、等离子体刻蚀法、聚焦离子束刻蚀法、氧化刻蚀法等。但是，只有机械研磨法是一种兼顾加工质量和加工效率的加工方法，也是工业上金刚石刀具的主流加工方法。
[0005]机械研磨加工工艺一般是用涂有金刚石微粉的铸铁研磨盘对金刚石刀具进行研磨，凭借微磨粒对金刚石刀具的摩擦和刻划作用实现材料的缓慢微量去除，从而达到获得锋利切削刃的目的。哈尔滨工业大学宗文俊等学者深入研究了大圆弧金刚石刀具的机械刃磨工艺(ZL200510010404.X)，可控制切削刃钝圆半径优于30～50nm。
[0006]为了实现高精度微圆弧金刚石刀具的国产化，打破国外技术垄断，需要深入研究每个工艺参数对微圆弧金刚石刀具机械刃磨质量的影响，精确掌握刀刃圆弧波纹度、切削刃钝圆半径和微观缺陷的变化规律，探索微圆弧金刚石刀具刀刃圆弧波纹度、切削刃钝圆半径和微观缺陷的控制方法，优化机械刃磨工艺参数以实现高精度微圆弧金刚石刀具的加
工。
技术实现思路
[0007]为了加工刀刃圆弧波纹度优于10nm/115
°
圆弧包角、切削刃钝圆半径优于50nm、刀尖圆弧半径小于10μm、放大10000倍无肉眼可见崩刃的微圆弧金刚石刀具，本专利技术提供了一种高精度微圆弧金刚石刀具“两步”机械刃磨工艺。本专利技术主要从抑制金刚石晶体机械研磨材料去除率各向异性入手，结合前期积累的高精度大圆弧金刚石刀具机械刃磨工艺经验，对微圆弧金刚石刀具进行机械刃磨加工。通过大量的微圆弧金刚石刀具机械刃磨工艺实验，详细分析了金刚石磨料粒度、研磨盘基体材料、研磨压力、研磨盘转速、往复运动行程、往复运动频率、摆轴摆动速度、进给量等对微圆弧金刚石刀具刀刃圆弧波纹度、切削刃钝圆半径和微观缺陷的影响规律，并建立优选的微圆弧金刚石刀具机械刃磨工艺，以此获得近无崩刃缺陷和极其锋利的切削刃具，为打破国外的技术壁垒、提高我国微圆弧金刚石刀具的加工水平，迈出了探究性的一步。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009]一种高精度微圆弧金刚石刀具“两步”机械刃磨工艺，包括如下步骤：
[0010]步骤一：选择规整的八面体天然金刚石晶体作为刀头材料，用激光切割机沿金刚石{100}晶面切开；选择与金刚石晶体热膨胀系数相近的硬质合金作为刀柄材料，并按刀头设计参数加工成合适的形状；
[0011]步骤二：用金刚石平磨机把步骤一切开的金刚石晶体沿{100}晶面研磨成厚度为1～1.5mm的薄片，并保证上下研磨表面的平整度，方便后续精磨前刀面；
[0012]步骤三：用酒精清洗步骤一的刀柄和步骤二的金刚石片，以去除二者表面的污染物；然后，按前、后刀面均为{100}晶面进行定向，在刀柄和金刚石片之间加入银铜钛焊料并将其固定在刀柄之上；最后，把固定有金刚石片和焊料的刀柄置于真空焊接炉内进行钎焊，高温融化后的焊料将金刚石片与刀柄牢固的焊接在一起；
[0013]步骤四：用激光切割机对步骤三焊好的金刚石片进行粗成型加工，按设计好的刀尖角把金刚石片的前端加工成V型刀头，刀头侧边要伸出刀柄边缘0.2mm以上，方便后续研磨加工；
[0014]步骤五：用金刚石平磨机对步骤四粗成型加工完成的刀具前刀面进行精磨加工，一是保证前刀面与刀柄底面平行，二是去除步骤二残留的研磨痕迹以减小前刀面粗糙度；
[0015]步骤六：恒温控制PG3B行星型钻石刀具研磨机周围环境条件为25℃，恒温精度
±
0.5℃；在主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载运行研磨机半小时以上，使其性能达到稳定状态；
[0016]步骤七：把完成前刀面精磨的刀具安装到PG3B行星型钻石刀具研磨机的刀架上，按照设计好的刀具后角调整刀架的角度；把摆轴摆到左(或右)侧1/2刀尖角对应角度位置；用800#青铜基砂轮盘粗磨刀头的侧刀面，粗磨工艺参数为：金刚石刀具侧面与砂轮盘的接触点位置偏离主轴中心15mm，开启砂轮盘往复运动(往复运动行程30mm、运动频率0.25Hz)，主轴转速3600rpm，研磨压力19.6N，此工序粗磨左(或右)侧面直到在研磨机自带光学监测系统下观察该侧刃为一条光滑的直线为止；然后，把摆轴摆到右(或左)侧1/2刀尖角对应角度位置，采用相同的粗磨工艺参数，粗磨右(或左)侧刀面直到该侧刃也为一条光滑的直线
并与另一侧刃相交于一点为止；
[0017]步骤八：用3000#青铜基砂轮盘替换800#砂轮盘，采用与步骤七相同的刃磨工艺参数半精磨左右两侧刀面，左右两侧各去除10μm；
[0018]步骤九：用铸铁研磨盘替换3000#砂轮盘，把摆轴摆到90
°
位置，用此时的刀具代替金刚石笔对铸铁研磨盘在位修整，研磨压力降为9.8N，研磨盘往复频率降为0.08Hz，其他工艺参数与步骤七相同，粗修整单次修整深度2μm，共5次，精修整单次修整深度1本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高精度微圆弧金刚石刀具“两步”机械刃磨工艺，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一：选择规整的八面体天然金刚石晶体作为刀头材料，用激光切割机沿金刚石{100}晶面切开；选择与金刚石晶体热膨胀系数相近的硬质合金作为刀柄材料，并按刀头设计参数加工成合适的形状；步骤二：用金刚石平磨机把步骤一切开的金刚石晶体沿{100}晶面研磨成薄片，并保证上下研磨表面的平整度，方便后续精磨前刀面；步骤三：用酒精清洗步骤一的刀柄和步骤二的金刚石片，以去除二者表面的污染物；然后，按前、后刀面均为{100}晶面进行定向，在刀柄和金刚石片之间加入银铜钛焊料并将其固定在刀柄之上；最后，把固定有金刚石片和焊料的刀柄置于真空焊接炉内进行钎焊，高温融化后的焊料将金刚石片与刀柄牢固的焊接在一起；步骤四：用激光切割机对步骤三焊好的金刚石片进行粗成型加工，按设计好的刀尖角把金刚石片的前端加工成V型刀头；步骤五：用金刚石平磨机对步骤四粗成型加工完成的刀具前刀面进行精磨加工；步骤六：恒温控制PG3B行星型钻石刀具研磨机周围环境条件为25℃，恒温精度
±
0.5℃；在主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载运行研磨机半小时以上，使其性能达到稳定状态；步骤七：把完成前刀面精磨的刀具安装到PG3B行星型钻石刀具研磨机的刀架上，按照设计好的刀具后角调整刀架的角度；把摆轴摆到左或右侧1/2刀尖角对应角度位置；用800#青铜基砂轮盘粗磨刀头的侧刀面，粗磨工艺参数为：金刚石刀具侧面与砂轮盘的接触点位置偏离主轴中心15mm，开启砂轮盘往复运动，往复运动行程30mm、运动频率0.25Hz，主轴转速3600rpm，研磨压力19.6N，此工序粗磨左或右侧面直到在研磨机自带光学监测系统下观察该侧刃为一条光滑的直线为止；然后，把摆轴摆到右或左侧1/2刀尖角对应角度位置，采用相同的粗磨工艺参数，粗磨右或左侧刀面直到该侧刃也为一条光滑的直线并与另一侧刃相交于一点为止；步骤八：用3000#青铜基砂轮盘替换800#砂轮盘，采用与步骤七相同的刃磨工艺参数半精磨左右两侧刀面，左右两侧各去除10μm；步骤九：用铸铁研磨盘替换3000#砂轮盘，把摆轴摆到90
°
位置，用此时的刀具代替金刚石笔对铸铁研磨盘在位修整，研磨压力降为9.8N，研磨盘往复频率降为0.08Hz，其他工艺参数与步骤七相同，粗修整单次修整深度2μm，共5次，精修整单次修整深度1μm，共3次；在位修整完成后，采用激光位移传感器对研磨盘端面全跳动进行在位检测，如果研磨盘全盘面跳动小于2μm，结束修整，否则重复精修整步骤直到全盘面跳动小于2μm；修整完成后，V型的刀尖已变成一个带有微小平台的梯形刀头；步骤十：在铸铁研磨盘表面均匀涂覆金刚石研磨膏，接着用研磨块在铸铁研磨盘表面手工预研15～20分钟后刮除铸铁研磨盘表面多余研磨膏，使金刚石研磨颗粒均匀镶嵌于铸铁研磨盘表面的孔隙内；步骤十一：借助研磨机在位光学监测系统，精密调节金刚石刀具在刀架上的左右位置，使摆轴回转轴...
【专利技术属性】
技术研发人员：宗文俊，刘汉中，孙涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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