CN102166725B - 超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法 - Google Patents

超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法 Download PDF

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Abstract

超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法，它涉及一种超声振动辅助磨削方法。本发明为解决现有的超声振动辅助磨削方法加工的微结构表面时振动轨迹会与微结构表面结构发生干涉，从而破坏微结构表面的面型精度的问题。通过超声发生器向振动工作台施加一维超声振动，当磨削平行线性微结构表面时，即V形槽矩阵表面或光栅微结构表面，利用旋转台将一维超声振动台的振动方向调整为与砂轮进给方向平行，控制砂轮颗粒切削方向与砂轮进给方向相反，控制超声发生器的超声振动频率为25～35KHz，超声振动振幅为1～10μm，控制砂轮转速为2000～4000rpm，工件进给速度为0.2～2mm/min。本发明用于超硬微结构表面精密加工。

Description

超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法
技术领域
本发明涉及一种超声振动辅助磨削方法，具体涉及的是一种线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法。
背景技术
具有微结构表面的光学功能元件是制造微小型光电子系统的关键元件，其具有质量轻以及使系统小型化等优点，并且能够实现普通光学元件难以达到的微小、阵列、集成和波面转换等新功能。
微结构表面光学功能元件通常采用复制加工技术制造，其中具有微结构表面的超硬材料模具(如无结合剂碳化钨、CVD碳化硅和HIP碳化硅)的精密加工质量对最终的产品性能和成本控制起着决定性的作用。然而由于这些材料本身的极难加工性和模具表面的复杂微结构特征，导致在对超硬材料微结构表面进行传统磨削加工时难以达到理想的效果，这极大限制了微结构表面光学功能元件的确定性、大批量、低成本生产及应用。
超声振动辅助磨削方法是在砂轮或工件上沿一定方向施加超声振动从而实现在固着磨粒与超声振动复合作用下的材料去除。超声振动辅助磨削方法不但可以有效提高磨削后的工件表面质量和材料去除率，降低加工亚表面损伤，还可以显著减少砂轮堵塞和磨削烧伤等不利现象，尤其适合陶瓷类超硬材料的精密加工。
现有的超声振动辅助磨削加工方法对于平面或曲面加工趋于成熟，而采用现有的超声振动辅助磨削加工方法加工离散表面组成的微结构功能表面时，由于现有加工方法没有考虑加工表面的结构性，振动轨迹会与微结构表面结构发生干涉，难以加工出尖锐结构，从而破坏微结构表面的面型精度；并且，现有的超声振动辅助磨削加工方法在加工超硬材料时，通常采用50％～75％浓度的树脂基金刚石砂轮，导致微结构表面产生变形和严重磨损。
发明内容
本发明为解决现有的超声振动辅助磨削方法加工的微结构表面时振动轨迹会与微结构表面结构发生干涉，从而破坏微结构表面的面型精度的问题，进而提供了一种超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将金刚石仿形砂轮安装在平面精密磨削机床的主轴上，将超声振动工作台安装到精密磨床工作台上，将待磨削工件固定在振动工作台上端面的中心处；
步骤二、通过超声发生器向振动工作台施加一维超声振动，同时带动振动工作台上的待磨削工件进行一维超声振动，当磨削平行线性微结构表面时，即V形槽矩阵表面或光栅微结构表面，利用旋转台将一维超声振动台的振动方向调整为与砂轮进给方向平行，控制砂轮颗粒切削方向与砂轮进给方向相反，控制超声发生器的超声振动频率为25～35kHz，超声振动振幅为1～10μm，控制砂轮转速为2000～4000rpm，控制工件进给速度为0.2～2mm/min；
步骤三、将金刚石仿形砂轮调整到第一待加工沟形槽处，待磨削工件和超声振动工作台随精密磨床工作台沿X轴方向进给，同时待磨削工件随超声振动工作台沿X轴方向做超声振动，超声振动与精密磨削同时作用对待磨削工件进行超声振动辅助磨削，当完成第一沟槽加工后，金刚石仿形砂轮沿Z轴方向移动到相邻的第二待加工沟槽处，完成第二沟槽加工，同理依次加工所有的沟槽。
本发明具有以下有益效果：本发明的超声振动辅助磨削方法通过调整超声振动的方向，从而避免加工中工件超声振动与磨削轨迹发生干涉，保证磨削后微结构表面的面型精度，同时超声振动的引入使得磨削力减小，扩大了陶瓷等超硬模具材料的塑性加工域，表面质量得到明显的改善，可精密加工微结构表面(SRa≤0.8μm)；本发明采用砂轮颗粒切削方向与砂轮进给方向相反的逆磨形式，大大减少了微结构尖锐处的破碎现象，降低微结构表面尖锐部分圆弧半径(R≤1.0μm)，提高微结构表面的面型精度；本发明超声振动辅助磨削方法的加工效率高，与现有的加工方法相比提高了2～3倍。
附图说明
图1是本发明的超声振动辅助磨削方法的原理图(俯视)，图2是本发明的超声振动辅助磨削方法的原理图(左视)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～2说明，本实施方式所述的超声振动辅助磨削方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将金刚石仿形砂轮3安装在平面精密磨削机床的主轴1上，将超声振动工作台2安装到精密磨床工作台5上，将待磨削工件4固定在振动工作台2上端面的中心处；
步骤二、通过超声发生器向振动工作台施加一维超声振动，同时带动振动工作台上的待磨削工件进行一维超声振动，当磨削平行线性微结构表面时，即V形槽矩阵表面或光栅微结构表面，利用旋转台将一维超声振动台的振动方向调整为与砂轮进给方向平行，控制砂轮颗粒切削方向与砂轮进给方向相反，控制超声发生器的超声振动频率为25～35kHz，超声振动振幅为1～10μm，控制砂轮转速为2000～4000rpm，控制工件进给速度为0.2～2mm/min；
步骤三、将金刚石仿形砂轮3调整到第一待加工沟形槽处，待磨削工件4和超声振动工作台2随精密磨床工作台沿X轴方向进给，同时待磨削工件4随超声振动工作台2沿X轴方向做超声振动，超声振动与精密磨削同时作用对待磨削工件4进行超声振动辅助磨削，当完成第一沟槽加工后，金刚石仿形砂轮3沿Z轴方向移动到相邻的第二待加工沟槽处，完成第二沟槽加工，同理依次加工所有的沟槽。
具体实施方式二：本实施方式步骤二中砂轮转速为3000rpm。砂轮转速为3000rpm时，加工效果最好，加工后的表面质量最高。其它组成与连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式步骤二中超声振动振幅为5μm。当振幅为5μm时，振动效果最好，加工后的表面质量最高。其它组成与连接关系与实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式步骤一中采用精密金属基烧结而成的砂轮。与树脂基金刚石砂轮相比，金属基砂轮刚度更高，具有更好的形状保持性，加工出的微结构表面的内角半径可以减小1～2倍。其它组成与连接关系与实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式步骤一中采用砂轮浓度为150％的砂轮。金刚石砂轮中配用的金刚石体积占总体积的25％即称为浓度100％。如此设计，避免了微结构表面产生变形和严重的磨损。其它组成与连接关系与实施方式四相同。
实施例一：
结合图1～2说明，当磨削由多条平行线相交组成的矩阵式微结构表面时(如微金字塔微结构表面)，利用旋转台将一维超声振动台的振动方向调整为与砂轮进给方向平行，控制砂轮颗粒切削方向与砂轮进给方向相反，然后将金刚石仿形砂轮3调整到第一平行线方向的第一条待加工沟槽处，待磨削工件4和超声振动工作台2随精密磨床工作台沿X轴方向进给，同时待磨削工件4随超声振动工作台2沿X轴方向做超声振动，超声振动与精密磨削同时作用对待磨削工件4进行超声振动辅助磨削，当完成一次沟槽加工后，金刚石仿形砂轮3沿Z轴方向移动到第二待加工沟槽处，完成第二沟槽加工，同理依次加工完一个方向上的平行沟槽；然后旋转超声振动工作台2，使超硬材料工件4转到第二平行线方向，依次加工第二平行线方向的平行沟槽，最后再旋转超声振动工作台2，使待磨削工件4转到第三平行线方向，依次加工第三平行线方向的平行沟槽。

Claims (5)

1.一种超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法，其特征在于：所述超声振动辅助磨削方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将金刚石仿形砂轮（3）安装在平面精密磨削机床的主轴（1）上，将超声振动工作台（2）安装到精密磨床工作台（5）上，将待磨削工件（4）固定在超声振动工作台（2）上端面的中心处；
步骤二、通过超声发生器向振动工作台施加一维超声振动，同时带动振动工作台上的待磨削工件进行一维超声振动，当磨削平行线性微结构表面时，利用旋转台将一维超声振动台的振动方向调整为与砂轮进给方向平行，控制砂轮颗粒切削方向与砂轮进给方向相反，控制超声发生器的超声振动频率为25～35kHz，超声振动振幅为1～10μm，控制砂轮转速为2000～4000rpm，控制工件进给速度为0.2～2mm/min；
步骤三、将金刚石仿形砂轮（3）调整到第一待加工沟形槽处，待磨削工件（4）和超声振动工作台（2）随精密磨床工作台沿X轴方向进给，同时待磨削工件（4）随超声振动工作台（2）沿X轴方向做超声振动，超声振动与精密磨削同时作用对待磨削工件（4）进行超声振动辅助磨削，当完成第一沟槽加工后，金刚石仿形砂轮（3）沿Z轴方向移动到相邻的第二待加工沟槽处，完成第二沟槽加工，同理依次加工所有的沟槽。
2.根据权利要求1所述的超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法，其特征在于：步骤二中砂轮转速为3000rpm。
3.根据权利要求1或2所述的超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法，其特征在于：步骤二中超声振动振幅为5μm。
4.根据权利要求3所述的超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法，其特征在于：步骤一中采用精密金属基烧结而成的砂轮。
5.根据权利要求4所述的超硬线性微结构表面的超声振动辅助磨削方法，其特征在于：步骤一中采用砂轮浓度为150%的砂轮，金刚石砂轮中配用的金刚石体积占总体积的25%即称为浓度100%。
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