CN102501152A - 一种微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法。该方法将金刚石砂轮刀具固定在机床的砂轮轴上，待加工工件固定在水平面上；金刚石砂轮刀具随砂轮轴高速旋转，砂轮行进方向垂直于砂轮轴轴向方向，金刚石砂轮刀具的V形尖角对工件表面进行磨削，将砂轮轴水平转动，对工件表面再次磨削，由此将工件表面加工成微结构阵列表面；加工工件装夹位置不变，更换金刚石砂轮，金刚石砂轮沿相同的交叉直线行进，对微结构阵列表面进行镜面加工。该方法可以加工硅、玻璃、陶瓷、硬质钢等难加工材料，加工微结构无毛刺、表面粗糙度可达纳米级。
Description
技术领域
本发明涉及微细加工、精密加工和镜面加工，具体涉及一种微结构阵列表面的微细磨削、精密磨削和镜面磨削一体化加工方法；该方法属于微细制造技术领域。
背景技术
在零部件表面加工出微结构阵列，可以产生多种新的功能特性，使得工作系统性能更高、结构更小、能耗更低。目前，微结构功能表面主要依赖光、化学等蚀刻加工，但是，其效率极低、成本过高，且有难处理的腐蚀液体。因此，机械加工开始用于微结构表面加工，但加工表面有毛刺、微结构形状精度难控制、结构表面很难抛光成镜面。例如，用铣削加工微结构后还要采用高速射流等其他加工方法去除毛刺，这会增加工成本，而且很难加工硬脆性材料部件。此外，硅、石英玻璃、陶瓷等硬脆性工件表面微结构可以采用金刚石砂轮V形尖端加工，若要加工成镜面还需游离磨料抛光方式，效率极低，且成本过高，还有难回收的抛光液。虽然ELID(ElectroLytic In process Dressing)磨削可以将结构表面加工成镜面，但是，其修整装置复杂，电极形状精度要求较高，仍然无法解决效率低和成本高的问题，而且，其电解液有污染，且回收困难。
发明内容
本发明的目的在于对微结构阵列表面提供微细、精密和镜面一体化磨削方法。传统抛光方法可以将平面工件加工成镜面，但无法用于微结构阵列表面的镜面加工。本发明是在工件表面加工出高形状精度的微结构阵列表面，同时也将其表面加工成镜面，工件可以为陶瓷、玻璃、硅、硬质模具钢等硬脆性材料，微结构阵列表面可表现为微沟槽阵列、微四面锥塔阵列和微三面锥塔阵列等。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种微结构阵表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石砂轮刀具固定在机床的砂轮轴上，待加工工件固定在水平面上；
(2)成型加工：金刚石砂轮刀具随砂轮轴高速旋转，砂轮行进方向垂直于砂轮轴轴向方向，金刚石砂轮刀具的V形尖角对工件表面进行磨削，完成间距相等平行分布的第一沟槽加工；将砂轮轴水平转动，对工件表面再次磨削，完成间距相等平行分布的第二沟槽加工；由此将工件表面加工成微结构阵列表面；微结构阵列高度为10～800微米，微结构面夹角为30～120度；金刚石砂轮每次进给深度为10～50微米，累计进给深度10～800微米，进给速度为1～3米/分；上述砂轮轴2水平转动角度可视实际情况而定，从而将工件表面加工成不同的微结构阵列表面。当转动角度为0度、60度和90度时，可以分别形成微沟槽阵列表面、微三面锥塔阵列和微四面锥塔阵列表面；
(3)镜面加工：步骤(2)中加工工件装夹位置不变，金刚石砂轮沿第一沟槽、第二沟槽行进，对微结构阵列表面进行镜面加工；进给速度为0.1～0.6米/分，开始，砂轮每次进给深度为5～15微米，累计进给深度150微米，然后，砂轮每次进给深度为1～3微米，累计进给深度3～10微米，零磨削4～7次。
所述步骤(1)中的金刚石砂轮为金属基细金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为600～1500目，结合剂为青铜。
所述步骤(2)中的金刚石砂轮为树脂基超细金刚石砂轮，金刚石粒度为3000-8000目，结合剂为树脂。
所述金刚石砂轮直径为80～300毫米，宽度0.2～10毫米，浓度为100～120％，V形尖角的角度α为30～120度，尖角圆弧半径为3～50微米。
加工中金刚石砂轮转速为1500～3000转/分，采用水和水溶性磨削液作为冷却液。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)与光、化学等蚀刻微细加工相比，效率高、成本低且不采用对环境有污染的化学腐蚀液。
(2)在同一工位上一次将工件表面加工出高精度且镜面的微结构阵列表面，不需要效率低且有研磨液污染问题的抛光工艺。
(3)该微细镜面成型磨削方法可以加工硅、玻璃、陶瓷、硬质钢等难加工材料，加工微结构无毛刺、表面粗糙度可达纳米级。
附图说明
图1为本发明微结构阵列表面的成型磨削示意图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
将金刚石砂轮刀具1固定在机床的砂轮轴2上，待加工工件4固定在水平面上；
在成型加工中，金刚石砂轮刀具1采用金属基细金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为600～1500目，结合剂为青铜；金刚石砂轮刀具1随砂轮轴2高速旋转，砂轮1行进方向垂直于砂轮轴2轴向方向，金刚石砂轮刀具1的V形尖角3对工件4表面进行磨削，完成间距相等平行分布的第一沟槽加工；将砂轮轴2水平转动，对工件4表面再次磨削，完成间距相等平行分布的第二沟槽加工；由此将工件4表面加工成微结构阵列表面7；微结构阵列高度为10～800微米，微结构面夹角为30～120度；金刚石砂轮1每次进给深度为10～50微米，累计进给深度10～800微米，进给速度为1～3米/分；上述砂轮轴2水平转动角度可视实际情况而定，从而将工件4表面加工成不同的微结构阵列表面7。当转动角度为0度、60度和90度时，可以分别形成微沟槽阵列表面、微三面锥塔阵列和微四面锥塔阵列表面；
在精密镜面加工中采用树脂基超细金刚石砂轮，金刚石粒度为3000-8000目，结合剂为树脂。加工工件装夹位置不变，金刚石砂轮1沿第一沟槽、第二沟槽行进，对微结构阵列表面7进行镜面加工；进给速度为0.1～0.6米/分，开始，砂轮每次进给深度为5～15微米，累计进给深度150微米，然后，砂轮每次进给深度为1～3微米，累计进给深度3～10微米，零磨削4～7次。
上述金属基细金刚石砂轮和树脂基超细金刚石砂轮的参数为：直径80～300毫米，宽度0.2～10毫米，浓度为100～120％，V形尖角的角度α为30～120度，尖角圆弧半径为3～50微米。
加工中金刚石砂轮转速为1500～3000转/分，采用水和水溶性磨削液作为冷却液。
微结构阵列表面6的加工形状误差平均值可以达到数微米级，加工的结构表面可以达到纳米级粗糙度的镜面。
实施例
在CNC精密机床上，金刚石砂轮1先采用直径160毫米的金属基细金刚石砂轮，粒度为600目，结合剂为青铜，浓度为100％(金刚石的含量：4.4克拉/cm3)，金刚石砂轮V形尖角角度为60度，工件为石英材料。如图1所示，数控机床驱动金刚石砂轮1的V形尖角3在工件表面4上进行磨削，完成间距相等平行分布的第一沟槽加工；将砂轮轴2水平转动90度，对工件4表面再次磨削，完成间距相等平行分布的第二沟槽加工；由此将工件4表面加工成微四面锥塔阵列表面6；砂轮每次进给深度a为10微米，累计进给深度600微米，进给速度vf为2米/分，砂轮转速N为2000转/分，采用水作为冷却液。
然后，金刚石砂轮1换成直径150毫米的树脂基超细金刚石砂轮，粒度为3000目，结合剂为树脂，浓度为120％(金刚石的含量：4.4克拉/cm3)，金刚石砂轮V形尖角角度为60度，加工工件装夹位置不变。如图1所示，在数控机床上驱动金刚石砂轮1的V形尖角3在工件表面上沿着同样的交叉直线行走路径5进行往复运动，交叉行走路径夹角为90度，进给速度为0.4米/分，砂轮转速N为2000转/分，采用水作为冷却液，开始，砂轮每次进给深度a为5微米，累计进给深度150微米，然后，砂轮每次进给深度a为1微米，累计进给深度3微米，零磨削4次。
微四面锥塔阵列结构表面的加工形状误差平均值为12.6微米，表面粗糙度Ra为9.4纳米。
Claims (5)
1.一种微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将金刚石砂轮刀具固定在机床的砂轮轴上，待加工工件固定在水平面上；
（2）成型加工：金刚石砂轮刀具随砂轮轴高速旋转，砂轮行进方向垂直于砂轮轴轴向方向，金刚石砂轮刀具的V形尖角对工件表面进行磨削，完成间距相等平行分布的第一沟槽加工；将砂轮轴水平转动，对工件表面再次磨削，完成间距相等平行分布的第二沟槽加工；由此将工件表面加工成微结构阵列表面；微结构阵列高度为10~800微米，微结构面夹角为30~120度；金刚石砂轮每次进给深度为10~50微米，累计进给深度10~800微米，进给速度为1~3米/分；
（3）镜面加工：步骤（2）中加工工件装夹位置不变，金刚石砂轮沿第一沟槽、第二沟槽行进，对微结构阵列表面进行镜面加工；进给速度为0.1~0.6米/分，开始，砂轮每次进给深度为5~15微米，累计进给深度150微米，然后，砂轮每次进给深度为1~3微米，累计进给深度3~10微米，零磨削4~7次。
2.根据权利要求1所述微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法，其特征在于，所述步骤（1）中的金刚石砂轮为金属基细金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为600~1500目，结合剂为青铜。
3.根据权利要求1所述微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法，其特征在于，所述步骤（2）中的金刚石砂轮为树脂基超细金刚石砂轮，金刚石粒度为3000-8000目，结合剂为树脂。
4.根据权利要求1、2或3所述微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法，其特征在于，所述金刚石砂轮直径为80~300毫米，宽度0.2~10毫米，浓度为4.4克拉/cm3~5.28克拉/cm3， V形尖角的角度α为30~120度，尖角圆弧半径为3~50微米。
5.根据权利要求1所述微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法，其特征在于，加工中金刚石砂轮转速为1500~3000转/分，采用水和水溶性磨削液作为冷却液。
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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 | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120620 |