CN102059349A - 采用金刚石刀具超精密车削模具钢材料的加工方法 - Google Patents
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Abstract
采用金刚石刀具超精密车削模具钢材料的加工方法，它涉及一种模具钢材料的加工方法。本发明为了解决现有的金刚石与模具钢材料之间的热化学作用，使得金刚石刀具快速磨损，导致切削加工失败的问题。本发明对工件进行调质处理，然后进行预处理；对工件表面进行渗氮处理，加入稀土渗剂，渗氮温度为540-580℃，保温时间为4-8小时，炉压为650Pa，电压为650V；采用圆弧半径为3mm的金刚石刀具对模具钢材料的工件表面进行车削预加工处理；确定金刚石刀具的参数；将渗氮处理后的工件进行金刚石超精密车削加工，工件夹装在机床主轴上，金刚石刀具固装在刀座上，金刚石刀具通过Z向导轨和X向导轨的复合运动实现对模具钢材料的工件的加工。本发明适用于对模具钢材料的加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具钢材料的加工方法，具体涉及一种采用金刚石刀具超精密车削模具钢材料的加工方法，属于微结构光学模具的制作领域。
背景技术
目前，在模具钢材料上实现具有连续浮雕结构特征的微光学模具的加工技术主要有：MEMS技术，包括光刻技术、蚀刻技术、沉积和影像蚀刻技术、LIGA技术等；能量辅助加工技术，主要包括激光直写、离子束直写、电子束直写以及电火花加工、微超声加工等；微型砂轮成型磨削技术等。MEMS技术、能量辅助加工技术对零件材料要求较低，可以实现微米和亚微米级浮雕结构的加工，但是由于其轮廓控制精度低很难实现连续浮雕结构的精密加工，此外，该方法工艺复杂，加工效率低，因此很难满足具有连续浮雕结构特征的微结构光学模具的高精度、高效生产要求。微型砂轮成型磨削技术可用于模具钢材料及其它硬脆材料的超精密加工，但是，该技术由于受微型砂轮形状限制难以实现具有连续浮雕结构特征的微结构的超精密加工，尤其对于具有尖角结构的结构更是无能无力。此外，微型砂轮的磨粒尺寸极小，在磨削过程中容屑空间小、易堵塞。因此，微型砂轮的在位修整和在线修锐技术是微型金刚石砂轮成型磨削技术必须解决的问题。而该问题又是目前超精密磨削领域公认的技术难题。金刚石刀具超精密切削加工技术以其确定性的加工特点对具有连续浮雕结构特征的加工有很大的优势，能够加工三维结构。然而，当前该技术主要用于铜合金、铝合金等非铁基材料的加工，对于耐用性和热稳定性良好的材料适合做光学模具的模具钢材料，由于金刚石与模具钢材料之间的热化学作用，使得金刚石刀具快速磨损，导致切削加工失败。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的金刚石与模具钢材料之间的热化学作用，使得金刚石刀具快速磨损，导致切削加工失败的问题，进而提供一种采用金刚石刀具超精密车削模具钢材料的加工方法。
本发明的技术方案是：超精密车削模具钢材料的加工方法的过程如下：
步骤一：对模具钢材料的工件进行常规调质处理，使模具钢材料的工件的硬度达到26HRC-32HRC，然后对模具钢材料的工件表面进行预处理，预处理后的模具钢材料的工件表面粗糙度Ra小于1μm，平行度小于2μm；
步骤二：对模具钢材料的工件表面进行等离子体渗氮处理，加入稀土渗剂，氮、氢、稀土渗剂的体积百分比为20％∶60％∶20％，渗氮温度为540-580℃，保温时间为4-8小时，炉压为650Pa，电压为650V；
步骤三：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对模具钢材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速为1000-1500r/min，切削深度为5-10μm，进给速度为3-5mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤四：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具的参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的(110)面，刀具后刀面为金刚石晶面的(100)面，刀尖圆弧半径r为1-200μm，刀具前角α为0°，刀具主后角γ1为6-10°，刀尖角χ为60-120°；
步骤五：将经等离子体渗氮技术处理后的模具钢材料的工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：模具钢材料的工件夹装在机床主轴上，金刚石刀具固定安装在设有测力仪的刀座上，金刚石刀具通过Z向导轨和X向导轨的复合运动实现对模具钢材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1000-1200r/min，切削深度为1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾。
本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明采用等离子体渗氮技术有效地解决了金刚石刀具在加工模具钢材料的工件时快速磨损的问题，使金刚石刀具的耐用度由原来的5-10min提高到120min-180min，使得切削加工的成功率达到95％，不但延长了金刚石刀具的使用寿命，还增加了经济效益；另外，本发明还有效的提高了模具钢材料的工件的耐磨性、抗粘结磨损性、疲劳强度及抗蚀性与抗高温氧化性，本发明尤其适用于加工带有浮雕的模具钢材料。
附图说明
图1是本发明模具钢材料的工件-谐衍射透镜结构的俯视图；图2是图1在A-A处的剖视图；图3是谐衍射透镜结构的金刚石超精密车削加工装置图；图4是图3的A处放大图；图5是金刚石刀具的俯视图；图6是金刚石刀具的主视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式超精密车削模具钢材料的加工方法的过程如下：
步骤一：对模具钢材料的工件进行常规调质处理，使模具钢材料的工件的硬度达到26HRC-32HRC，然后对模具钢材料的工件表面进行预处理，预处理后的模具钢材料的工件表面粗糙度Ra小于1μm，平行度小于2μm；
步骤二：对模具钢材料的工件表面进行等离子体渗氮处理，加入稀土渗剂，氮、氢、稀土渗剂的体积百分比为20％∶60％∶20％，渗氮温度为540-580℃，保温时间为4-8小时，炉压为650Pa，电压为650V；
步骤三：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对模具钢材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速为1000-1500r/min，切削深度为5-10μm，进给速度为3-5mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤四：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具的参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的(110)面，刀具后刀面为金刚石晶面的(100)面，刀尖圆弧半径r为1-200μm，刀具前角α为0°，刀具主后角γ1为6-10°，刀尖角χ为60-120°；
步骤五：将经等离子体渗氮技术处理后的模具钢材料的工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：模具钢材料的工件1夹装在机床主轴2上，金刚石刀具3固定安装在设有测力仪4的刀座5上，金刚石刀具3通过Z向导轨6和X向导轨7的复合运动实现对模具钢材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1000-1200r/min，切削深度为1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾。
本实施方式在等离子体渗氮处理时，加入稀土渗剂，且氮、氢、稀土渗剂的体积百分比为20％∶60％∶20％，改善了渗层的显微组织，减少了渗层内ε相的含量并增加γ′相的含量，同时提高渗层内氮的含量。
本实施方式采用等离子体渗氮处理技术在模具钢材料的工件的表层形成具有一定厚度的氮化层，保证了渗氮层内的铁原子与氮原子的充分结合，减少了铁原子与金刚石中碳原子发生化学反应的机率，同时也减少了金刚石中碳原子向工件材料扩散的机率，进而达到抑制刀具快速磨损的目的，渗层厚度应大于被加工结构浮雕深度的50％，此外，为保证渗氮处理对金刚石刀具磨损抑制的有效性应保证渗层厚度的最小值大于50μm，并且保证氮、氢、稀土渗剂的体积比为20％∶60％∶20％。这里的稀土渗剂采用稀土渗剂La，La为稀土元素镧。
本实施方式的步骤三中对模具钢材料的工件表面进行车削预加工处理，消除了渗层的表层即白亮层对模具钢材料的工件使用性能的影响，同时提高了加工表面的平行度。
步骤四中的金刚石刀具的刀尖圆弧半径小于被加工结构的最小曲率半径，并且刀尖角小于被加工结构的最小轮廓形角。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式步骤一中模具钢材料的工件调质处理后的硬度达到28HRC-30HRC。这样硬度的模具钢材料的工件便于对模具钢材料的工件表面进行预处理。其它方法步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式等离子体渗氮处理时的渗氮温度为560℃，保温时间为5-6小时。这样的渗氮温度和保温时间使得渗层厚度为60μm-80μm，此时，渗氮层内的铁原子与氮原子能够达到最充分的结合，减少了铁原子与金刚石中碳原子发生化学反应的机率和金刚石中的碳原子向工件材料扩散的机率，进而达到抑制刀具快速磨损的目的。其它方法步骤与具体实施方式一相同。
Claims (3)
1.一种采用金刚石刀具超精密车削模具钢材料的加工方法，其特征在于：超精密车削模具钢材料的加工方法的过程如下：
步骤一：对模具钢材料的工件进行常规调质处理，使模具钢材料的工件的硬度达到26HRC-32HRC，然后对模具钢材料的工件表面进行预处理，预处理后的模具钢材料的工件表面粗糙度Ra小于1μm，平行度小于2μm；
步骤二：对模具钢材料的工件表面进行等离子体渗氮处理，加入稀土渗剂，氮、氢、稀土渗剂的体积百分比为20％∶60％∶20％，渗氮温度为540-580℃，保温时间为4-8小时，炉压为650Pa，电压为650V；
步骤三：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对模具钢材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速为1000-1500r/min，切削深度为5-10μm，进给速度为3-5mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤四：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具的参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的(110)面，刀具后刀面为金刚石晶面的(100)面，刀尖圆弧半径r为1-200μm，刀具前角α为0°，刀具主后角γ1为6-10°，刀尖角χ为60-120°；
步骤五：将经等离子体渗氮技术处理后的模具钢材料的工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：模具钢材料的工件(1)夹装在机床主轴(2)上，金刚石刀具(3)固定安装在设有测力仪(4)的刀座(5)上，金刚石刀具(3)通过Z向导轨(6)和X向导轨(7)的复合运动实现对模具钢材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1000-1200r/min，切削深度为1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾。
2.根据权利要求1所述的采用金刚石刀具超精密车削模具钢材料的加工方法，其特征在于：步骤一中模具钢材料的工件调质处理后的硬度达到28HRC-30HRC。
3.根据权利要求1所述的采用金刚石刀具超精密车削模具钢材料的加工方法，其特征在于：步骤二中等离子体渗氮处理时的渗氮温度为560℃，保温时间为5-6小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI MACHINE TOOL FACTORY CO., LTD. Effective date: 20121212 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liang Yingchun Inventor after: Zhao Qingliang Inventor after: Wang Yilong Inventor after: Xie Dagang Inventor after: Guo Bing Inventor after: Fang Xiaoyan Inventor after: Zhao Lingling Inventor before: Zhao Qingliang Inventor before: Wang Yilong Inventor before: Xie Dagang Inventor before: Guo Bing Inventor before: Fang Xiaoyan Inventor before: Zhao Lingling |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHAO QINGLIANG WANG YILONG XIE DAGANG GUO BING FANG XIAOYAN ZHAO LINGLING TO: LIANG YINGCHUN ZHAO QINGLIANG WANG YILONG XIE DAGANG GUO BING FANG XIAOYAN ZHAO LINGLING |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20121212 Address after: 150001 Harbin, Nangang, West District, large straight street, No. 92 Patentee after: Harbin Institute of Technology Patentee after: Shanghai Machine Tool Factory Co., Ltd. Address before: 150001 Harbin, Nangang, West District, large straight street, No. 92 Patentee before: Harbin Institute of Technology |
|
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120725 Termination date: 20131118 |