一种近无崩刃微圆弧金刚石刀具的力控制机械刃磨工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种近无崩刃微圆弧金刚石刀具的力控制机械刃磨工艺，从控制微圆弧金刚石刀具机械研磨的磨削力大小和各向异性入手，进而抑制刀尖崩碎、折断和金刚石晶体材料去除率的各向异性，结合高精度大圆弧金刚石刀具机械刃磨工艺经验，对该类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，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、磨削力大小等对该类微圆弧金刚石刀具刀刃圆弧波纹度、锋利度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，为提高我国光学加工用微圆弧金刚石刀具的加工水平，迈出了探究性的一步。的一步。的一步。

【技术实现步骤摘要】
一种近无崩刃微圆弧金刚石刀具的力控制机械刃磨工艺


[0001]本专利技术属于光学加工
，涉及一种适合于制造刀尖圆弧半径50～100μm高精度微圆弧金刚石刀具的机械刃磨工艺，应用于微特征光学零件的超精密切削加工。

技术介绍

[0002]由于金刚石的硬度极高，是自然界最硬的物质之一，并且经过仔细研磨抛光后可以获得极其锋利的刃口，因此被认为是制作超精密切削加工刀具的理想材料。也是由于金刚石的高硬度，其高质量机械加工十分困难。经过大量学者和工程技术人员几十年的攻关研究，大圆弧刃和直线刃金刚石刀具的机械刃磨技术已逐步趋于成熟。
[0003]但是，工业上对先进光学系统的成像质量要求越来越高，并且要求光学系统进一步集成化和小型化，这对光学微透镜、曲面反射镜、衍射透镜等高端光学元件的精度提出了更高的要求。而加工高精度的微光学元件，不仅需要金刚石刀具的特征尺寸小，还需要金刚石刀具的制造精度比被加工元件精度高半个数量级及以上。其中，典型的刀具之一就是刀尖圆弧半径50～100μm的高精度微圆弧金刚石刀具，并且这类刀具在3C产业中也具有广泛的应用场景，如智能手机、平板电脑的摄像头透镜模具的超精密加工和计算机机械硬盘读数头的超精密加工等。这些超精密元件均对加工表面质量和面型精度的要求极高，为满足加工要求必须采用更高精度的微圆弧金刚石刀具，目前工业上要求刀刃圆弧波纹度优于50nm/100
°
圆弧包角、锋利度要求优于30nm、放大4000倍无肉眼可见崩刃缺陷。
[0004]金刚石晶体具有极高的脆性，并且很容易解理，加之金刚石晶体的各向异性，致使高精度微圆弧金刚石刀具的机械刃磨制备极其困难。另外，由于微圆弧金刚石刀具的特征尺寸很小、强度很弱，机械刃磨过程中对磨削力非常敏感，如果磨削力大小控制不当或者波动过大，很容易导致切削刃崩碎甚至折断而报废。这些微圆弧金刚石刀具机械刃磨过程中的新难题，用传统大圆弧刃金刚石刀具和直线刃金刚石刀具的刃磨方法很难解决。
[0005]为了实现刀尖圆弧半径50～100μm光学加工用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该类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、锋利度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、锋利度和微观缺陷的控制方法，优化机械刃磨工艺参数以实现该类高精度微圆弧金刚石刀具的加工。

技术实现思路

[0006]为了加工刀刃圆弧波纹度优于50nm/100
°
圆弧包角、切削刃口钝圆半径优于30nm、刀尖圆弧半径50～100μm、放大4000倍无肉眼可见崩刃的一类微圆弧金刚石刀具，本专利技术提供了一种近无崩刃微圆弧金刚石刀具的力控制机械刃磨工艺。本专利技术主要从控制微圆弧金刚石刀具机械研磨的磨削力大小和各向异性入手，进而抑制刀尖崩碎、折断和金刚石晶体材料去除率的各向异性，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，对该类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、磨削力大小等对该类微圆弧金刚石刀具刀刃圆弧波纹度、锋利度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，为打破国外的技术壁垒、提高我国光学加工用微圆弧金刚石刀具的加工水平，迈出了探究性的一步。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种近无崩刃微圆弧金刚石刀具的力控制机械刃磨工艺，包括如下步骤：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]步骤六：用卡具把Kistler 9119AA2型测力仪固定在PG3B行星型钻石刀具研磨机的刀架上，再把刀具固定保持架安装在测力仪上，最后把步骤五完成前刀面研磨的金刚石刀具毛坯固定在刀具保持架上；
[0015]步骤七：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]步骤八：把研磨机摆轴摆到左(或右)侧1/2刀尖角对应角度位置并锁定，调节主轴箱的左右位置，使金刚石刀具侧面与砂轮盘的接触点位置偏离主轴中心15mm；用800#青铜基砂轮盘粗磨刀头的侧刀面，粗磨工艺参数为：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]步骤九：用3000#青铜基砂轮盘替换800#砂轮盘，把摆轴锁定在90
°
位置，借助研磨机的光学监测系统进行对刀操作，使此时的V型刀头关于监测系统坐标系的Y轴左右对称，打开光学监测系统的辅助测量功能并设置大于刀尖圆弧设计半径10μm的辅助圆，调节刀架上的微调装置，使V型刀头的两侧刃与辅助圆相切，对刀完成后锁紧刀架的微调装置；设置研磨工艺参数为：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14.7N；先研
磨刀尖位置，把V型刀头研磨成梯形刀头，直到梯形短边距辅助圆5μm时停止研磨，再把摆轴置于左(右)侧60
°
位置研磨梯形刀头短边的左(右)顶点直到砂轮距辅助圆5μm停止研磨，最后把摆轴置于右(左)侧60
°
位置研磨梯形刀头短边的右(左)顶点直到砂轮距辅助圆5μm停本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近无崩刃微圆弧金刚石刀具的力控制机械刃磨工艺，其特征在于所述工艺包括如下步骤：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：用卡具把测力仪固定在PG3B行星型钻石刀具研磨机的刀架上，再把刀具固定保持架安装在测力仪上，最后把步骤五完成前刀面研磨的金刚石刀具毛坯固定在刀具保持架上；步骤七：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；步骤八：把研磨机摆轴摆到左或右侧1/2刀尖角对应角度位置并锁定，调节主轴箱的左右位置，使金刚石刀具侧面与砂轮盘的接触点位置偏离主轴中心15mm；用800#青铜基砂轮盘粗磨刀头的侧刀面，粗磨工艺参数为：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；步骤九：用3000#青铜基砂轮盘替换800#砂轮盘，把摆轴锁定在90
°
位置，借助研磨机的光学监测系统进行对刀操作，使此时的V型刀头关于监测系统坐标系的Y轴左右对称，打开光学监测系统的辅助测量功能并设置大于刀尖圆弧设计半径10μm的辅助圆，调节刀架上的微调装置，使V型刀头的两侧刃与辅助圆相切，对刀完成后锁紧刀架的微调装置；设置研磨工艺参数为：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14.7N；先研磨刀尖位置，把V型刀头研磨成梯形刀头，直到梯形短边距辅助圆5μm时停止研磨，再把摆轴分别置于左或右侧60
°
位置研磨梯形刀头短边的左或右顶点直到砂轮距辅助圆5μm停止研磨，最后把摆轴置于右或左侧60
°
位置研磨梯形刀头短边的右或左顶点直到砂轮距辅助圆5μm停止研磨；打开摆轴连续运转功能，并设置摆动速度10
°
/s，左右两侧驻留时间各1s，对刀头进行粗磨圆弧操作，直到刀头圆弧与辅助圆弧重合停止研磨；步骤十：用研磨机自带的滚磨卡具替换带有金刚石刀具和测力仪传感器的刀架，用铸
铁研磨盘替换3000#砂轮盘，把摆轴摆到90
°
位置，用单点金刚石笔对铸铁研磨盘在位修整，修整工艺参数设置为：金刚石笔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0.08Hz，主轴转速3600rpm，研磨压力9.8N；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；步骤十一：在铸铁研磨盘表面均匀涂覆W0....

【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：