高精度金刚石刀具机械刃磨加工方法技术

高效低廉的高精度金刚石刀具机械刃磨加工方法，它属于超精密切削加工技术领域。为解决金刚石刀具的制备比较困难的问题，本发明专利技术按照下述步骤进行：调节金刚石刀具机械刃磨机床平衡；研磨盘工作表面经过精车成形后进行精细抛光，然后涂覆金刚石磨粒；对研磨机床主轴系统进行精细动平衡；装卡金刚石刀具，刀体卡具调水平；打开气源，开启金刚石刀具刃磨机床电源，调节机床主轴转速；调整前刀面刃磨方向为易磨方向，并调节刀具前角；在主轴工作转速为１８００～２５００ｒ／ｍｉｎ、研磨压力为金刚石刀具装卡系统自重的条件下刃磨刀具。本发明专利技术具有刃磨工艺简单、成本低、效率高的特点，可刃磨出优于５０ｎｍ刃口锋利度的高精度金刚石刀具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超精密切削加工

技术介绍
随着超精密加工技术的应用与推广，在几十年的时间里，机械加工精度被提高了1～3个数量级，并正向更高精度的纳米级精度发展。超精密切削加工技术作为超精密加工技术的重要组成部分，是二十世纪60年代专门针对现代化高技术需要而发展起来的先进制造技术，是一种向传统加工方法不易突破的高精度极限挑战的机械加工新工艺。超精密切削加工技术集成了电子、传感、光学、控制和测量等领域的前沿技术，是高科技领域的基础技术，它不但是精密民用产品制造的关键技术，更是尖端军需武器制造的核心技术，其在国防武器型号的研制生产中发挥着非常重要的作用。在民用方面，如X射线望远镜中掠射镜面的铝基衬底要求超精密切削加工同时满足0.2μm轴向形状精度，2μm/1.5m径向圆弧精度和5nm表面粗糙度RMS；同步辐射X线光刻技术中的高导无氧铜椭圆柱面，在几百毫米轴向长度范围内，切削加工精度需达到0.13μm的形状精度和0.043μm表面粗糙度RMS；又如计算机硬盘存储器的铝盘片，其超精密切削加工的表面粗糙度质量不但决定了存储容量，同时也是制约磁头读盘速率的重要因素；另外，CCD、数码相机、激光打印机和复印机等装有光学系统的仪器设备，其平面、球面和非球面的反射镜与透镜、菲涅耳透镜及其他光学零件表面的加工精度会直接影响光线反射率、透射率和成像误差；再如生物实验中的金刚石切片刀，其刃口锋利度必须小于50nm才能保证完好的精切效果。对于超精密切削加工工艺来说，要获得零件形状尺寸的高精度和加工表面的超光滑，除了必须拥有超精密的车床、高分辨率的检测仪器和超稳定的加工环境条件以外，还必须具备进行切削加工的高精度金刚石刀具，尤其是高精度的圆弧刃金刚石刀具。因为圆弧刃金刚石刀具圆弧刃口上的各点都可参与切削，而且各切削点的曲率保持不变，这对于加工高精度球面或非球曲面零件至关重要。据国外有关超精密切削极限的文献报道，在1986年，日本大阪大学和美国LLL(Lawrence Livermore National Laboratory)实验室合作进行有色金属超精密切削加工的最小切削厚度研究，在超精密切削机床上实现了切削厚度为1nm的单晶金刚石切削，并通过理论计算指出，要实现切削厚度为1nm的连续切削，金刚石刀具的刃口钝圆半径必须保持在3～5nm。这项超精密切削极限的研究不但把超精密切削的加工水平推向了极限，同时也充分显示出了国外在高精度金刚石刀具制备方面已处于绝对领先的水平。目前已有的金刚石刀具刃磨工艺方法包括机械刃磨法、离子束溅蚀法、热化学抛光法、无损伤机械化学抛光法、真空等离子化学抛光法、化学辅助机械抛光与光整法和激光烧蚀法等。1)机械刃磨方法是传统的工艺方法，其本质就是金刚石与金刚石的对研。从工业应用角度来说，机械刃磨方法工艺最简单，设备也比较低廉。金刚石刀具在传统的机械刃磨过程中，研磨盘转速高，研磨压力和研磨接触面的摩擦力大，故刀具刃磨效率高。但由于这种刃磨方法具有不连续的冲击作用，要得到刃口钝圆半径小于70～80nm的金刚石刀具比较困难。国外一般都采用此方法进行金刚石刀具的粗加工。2)离子束溅蚀法是采用高能氩离子轰击金刚石刀具表面的碳原子，利用高能离子的撞击作用达到刀具碳原子逐个去除的微细加工方法。离子束溅蚀法适用于加工微小型金刚石刀具，并且所得到的金刚石刀具刃口钝圆半径为20～30nm。但该工艺方法需要较昂贵的设备，而且加工效率较低。3)热化学抛光法一般采用在流动氢气或4％H2+96％Ar混合气体氛围中和在750～1050℃高温下，金刚石刀具表面与低碳钢(或纯铁)研磨盘直接接触并相对滑移，金刚石刀具表面碳原子层发生活化而产生活化碳原子，活化碳原子扩散到低碳钢(或纯铁)研磨盘中而达到刀具材料的去除。扩散到低碳钢(或纯铁)中的碳原子又与周围氢气反应生成甲烷并随气流被排出。热化学抛光效率取决于碳原子的扩散速率，影响因素有温度、研磨压力、磨盘转速等。该方法工艺复杂，需要外围辅助设备，加工效率也一般。4)无损伤机械化学抛光方法采用NaOH溶液中加入适量的微细金刚石磨粒和更细的硅粉，通过强静电作用使硅粉吸附在金刚石磨粒之上，然后把它们涂覆在多孔制铸铁研磨盘上后对金刚石刀具进行研磨。其实质是微细硅粉和金刚石刀具表面碳原子发生化学反应，然后通过硅微粉的微磨削作用把反应层刮掉。该方法的加工效率极低，约每分钟一个原子层。5)在真空等离子化学抛光工艺中，旋转的研磨盘被中间的高真空区划分为两部分，一部分为沉淀区，它的表面是采用真空等离子物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition，简称PVD)法制得的氧化硅镀层，另一部分为金刚石刀具刃磨区。刀具材料的去除过程就是金刚石刀具表面活化碳原子在研磨区被氧化硅氧化，生成CO或CO2后由真空泵抽出。该方法刃磨得到的金刚石刀具刃口质量非常高，一般刃口钝圆半径优于50nm，但刀具刃磨效率比较低，约为每秒0.25～750个原子层。6)化学辅助机械抛光与光整法先采用传统的机械刃磨法对金刚石刀具进行粗磨，得到表面比较粗糙(Ra＜1μm)和尺寸精度不太高的刀具原形后再对其进行化学抛光和光整。该工艺方法可得到质量很高的金刚石刀具，但所需设备昂贵，且工艺复杂。7)激光烧蚀法采用1～100Hz的单束或多束Nd-YAG激光照射金刚石刀具表面使照射表面在局部高温作用下发生烧蚀。考虑到多晶金刚石晶体的晶界对加工精度有影响，所以本方法只适合对单晶体金刚石刀具表面进行粗加工，且经过烧蚀后的金刚石表面粗糙度值Ra也比较高。但由于该方法加工效率较高，目前各金刚石刀具生产商基本都采用此方法对定向后的金刚石晶体毛坯进行切割和刀具圆弧雏形的粗加工。综上所述，金刚石晶体以其自身的高硬度、耐磨损、难焊接等特点，使得金刚石刀具的制备比较困难。就目前我国还没有成形的圆弧刃金刚石刀具刃磨设备及相关刃口检测设备的情况下，对圆弧刃金刚石刀具刃磨工艺和刃磨机理的研究只能停留在比较粗浅的水平。而随着民用产品使用性能和国防武器型号精度、可靠性、命中率以及使用寿命指标的不断提高，我国在这些军民急需的超精密切削加工领域所用的圆弧刃金刚石刀具全部靠国外进口来满足需求，进口刀具不但价格十分昂贵，且刀具刃磨质量并没有达到最高水平。对于刃口钝圆半径小于100nm的高精度圆弧刃金刚石刀具刃磨技术，国外一直禁运。尤其在刀具圆弧的修整、重磨方面，我国也基本上依靠国外的刃磨技术，刀具的重复利用率较低。因此，依靠自身的技术力量开发高效低廉的高精度圆弧刃金刚石刀具刃磨工艺、研究其刃磨机理和相关的刀具设计标准、检测手段，对于提高我国超精密切削加工的整体水平和满足国内军、民用产品超精密切削加工用高精度圆弧刃金刚石刀具的市场需求具有重要的理论意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，它可以解决金刚石刀具制备比较困难、难以满足精度要求的问题。本专利技术的金刚石刀具机械刃磨加工方法按照下述步骤进行一、空气隔振垫充气后调整刃磨机床平衡状态使其保持水平；二、研磨盘工作表面经过精车成形后进行精细抛光，控制研磨盘工作表面光洁度≤0.8，然后涂覆最大直径为0.1μm的金刚石磨粒；三、采用高精度动平衡仪对2800r/min转速下的研磨机床主轴系统进行精细动平衡，控制主轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
高效低廉的高精度金刚石刀具机械刃磨加工方法，其特征在于所述金刚石刀具机械刃磨加工方法按照下述步骤进行：一、空气隔振垫充气后调整刃磨机床平衡状态使其保持水平；二、研磨盘工作表面经过精车成形后进行精细抛光，控制研磨盘工作表面光洁度≤０．８，然后涂覆磨粒最大直径为０．１μｍ的金刚石磨粒；三、采用高精度动平衡仪对２８００ｒ／ｍｉｎ转速下的研磨机床主轴系统进行精细动平衡，控制主轴在２８００ｒ／ｍｉｎ工作转速下径向回转精度优于０．０５μｍ，轴向回转精度优于０．１μｍ；四、研磨盘涂覆最大直径为０．１μｍ的金刚石磨粒后先作预研工作，然后开始刃磨金刚石刀具，具体操作步骤为：装卡金刚石刀具，刀体卡具调水平，打开气源，开启金刚石刀具刃磨机床电源，调节机床主轴转速；调整前刀面刃磨方向为易磨方向，并调节刀具前角；在主轴工作转速为１８００～２５００ｒ／ｍｉｎ、研磨压力为刀具装卡系统自重的条件下刃磨刀具，控制刃口锋利度≤６０ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宗文俊，孙涛，李旦，董申，程凯，李增强，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]