CN103707147B - 碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，以DMG超声波加工中心为机床，待加工工件面积在40000平方毫米以上，要求面形精度达到8微米以下，包括：第一步，选择刀刃为8-10mm宽的磨头，以小于3mm的步距和小于0.01mm的吃刀量，螺旋方式走刀；第二步，抬刀磨削加工，逐层磨削去除高出部分。本发明保持碳化硅的去除量恒定，保证了刀具轨迹的平滑过渡，减少了刀具的急速换向，减少磨耗磨损、扩散磨损和塑性磨损，提高加工面的质量和精度。

Description

碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法

技术领域

本发明属于超精密工件加工技术领域，具体是一种碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，主要针对工件面积在40000平方毫米以上，面形精度达到8微米以下。

背景技术

碳化硅（sic）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成，碳化硅又可以分为黑碳化硅和绿碳化硅；它是20世纪70年代发展出来的新型材料。碳化硅由于有较小的热膨胀系数，较高的导热系数、耐热冲击和弹性模量因而常被光学器件，尤其是空间光学遥感器所使用；但由于碳化硅的莫氏硬度达到9.25-9.5级，仅次于金刚石，所以常规的加工手段难以满足高精度加工要求，从而制约了其发展与应用；尤其加工异形件，在国内目前还是摸索状态。它的技术难点是材料本身的超硬特性，砂轮的自身损耗和作为光学件非常高的精度要求。

一般传统加工方法加工大平面时，为了获得高精度的面形都采用大步距方式以减少接刀次数和走刀量来达到较高的面形精度。但是在加工超硬材料（碳化硅）的时候，上述的传统方法将不再有效，而且会出现危险的问题。首先由于过大的步距，加工面积在40000mm²的时候，磨头在加工到大平面中间位置时主轴扭矩（ADC）突然增大，出现扎刀现象；同时碳化硅表面留下0.01-0.03mm的扎刀痕迹，严重的情形工件会由于扎刀现象而断裂，导致工件报废。

其次一般大步距方法加工超硬材料大平面工件时会出现中间高，两边低情况，因而导致平面度较差，且同时砂轮磨损也比较严重。经过大量加工证明，工件的平面度不好都表现在中间高两边低；通过表1的数据分析，刀具的实际下刀深度和理论深度存在差值，可以发现砂轮一直在少量的磨损。当刀具从外向内加工时，由于砂轮磨损，导致边缘处，也就是刚开始走刀的地方磨削得比较多，而中心位置磨削得比较少,随着下刀次数越多，平面度会越差。刀路从外向内轨迹形成一个爬坡的过程，由于碳化硅超硬，砂轮遇到的阻力会增大，当主轴克服本身的机床间隙时，扭矩无法释放时，会突然增大，刀具会短暂的原地打滑，砂轮在工件上留下0.02-0.03mm的扎痕并且迅速磨损。表1单位mm

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种碳化硅超硬材料大平面的高精度加工方法，满足碳化硅大平面的高精度加工要求，为后续抛光提供有利条件。

本发明的技术解决方案如下：

一种碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，其特点在于，以DMG超声波加工中心为机床，待加工工件面积在40000平方毫米以上，要求面形精度达到8微米以下，具体包括如下步骤：

第一步，选择刀刃为8-10mm宽的磨头，以小于3mm的步距和小于0.01mm的吃刀量，螺旋方式走刀，到达工件中心时，多磨10mm，此时平面面形呈由中心的内圈向四周的中圈、外圈的高度逐渐降低；

第二步，抬刀磨削加工，逐层磨削去除高出部分，具体是：

首先，测出平面的最高点，然后抬刀具到最高点处，再下降0.008-0.01mm，以1-2mm的步距，对内圈进行磨削；

当内圈平面的高度磨至与中圈平面的高度一样时，降低刀具深度0.005-0.008mm，以0.5-1mm的步距，对内圈和中圈进行磨削；

当中圈平面的高度磨至与外圈平面的高度一样时，再次降低刀具深度0.005mm，以0.5mm的步距，对整个面进行磨削，直至平面度满足要求。

优选的，刀具为树脂烧结金刚石碗型砂轮；树脂烧结金刚石砂轮具有一定的弹性，自锐性好，磨削时发热量小，不易堵塞。因为加工超硬材料碳化硅的刀具不仅要有足够的硬度而且需要有一定的韧性。磨削液用水溶性切削液。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

保持碳化硅的去除量恒定，保证了刀具轨迹的平滑过渡，减少了刀具的急速换向，减少磨耗磨损、扩散磨损和塑性磨损，提高加工面的质量和精度。

附图说明

图1是CarlZeiss的平面度测量报告。

图2是TaylorHobson测量报告。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

以对直径为1000mm的六分之一扇形面进行超声波磨削加工为例：

加工条件：机床为DMG超声波加工中心；利用超声加工主轴产生振动，金刚石刀具的振动频率是每秒20000-60000次，这样就把工件表面敲成粉末。其优势是效率高，可以加工任何形状，能得到较高的粗糙度（0.08um）、尺寸精度和形位精度，解决了传统加工超硬材料的无法或效率低下的难题，而加工高精度平面是比较常见的加工要求。

刀具：树脂烧结金刚石碗型砂轮；树脂烧结金刚石砂轮具有一定的弹性，自锐性好，磨削时发热量小，不易堵塞。因为加工超硬材料碳化硅的刀具不仅要有足够的硬度而且需要有一定的韧性。磨削液用水溶性切削液。

第一步，选择刀刃为8-10mm宽的磨头，以小于3mm的步距和小于0.01mm的吃刀量，螺旋方式走刀，到达工件中心时，多磨一个10mm，由于采用螺旋刀路，此时平面面形呈由中心的内圈向四周的中圈、外圈的高度逐渐降低。

小步距和小吃刀量优点是，保持碳化硅的去除量恒定，保证了刀具轨迹的平滑过渡，减少了刀具的急速换向，小步距是为了控制砂轮与工件的接触弧长和未变形磨削厚度，减少磨耗磨损、扩散磨损和塑性磨损，提高加工面的质量。

第二步，抬刀磨削加工，逐层磨削去除高出部分，具体是：

首先，测出平面的最高点，然后抬刀到最高点处，再下降0.008-0.01mm，以1-2mm的步距，对内圈进行磨削；

当内圈平面的高度与中圈平面的高度一样时，降低刀具深度0.005-0.008mm，以0.5-1mm的步距，对内圈和中圈进行磨削；

当中圈平面的高度与外圈平面的高度一样时，再次降低刀具深度0.005mm，步距为0.5mm的，对整个面进行磨削，直至平面度满足要求。

图1是CarlZeiss的平面度测量报告。如图所示，用本发明方法加工的面形平面度精度达到0.007mm。

图2是TaylorHobson测量报告，如图所示，用本发明方法加工的面形粗糙度能达到0.8um，

经实验表明，本发明解决了碳化硅大平面的高精度加工，同时也为抛光提供有利条件。

Claims (1)

1.一种碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，其特征在于，以DMG超声波加工中心为机床，待加工工件面积在40000平方毫米以上，要求平面度达到8微米以下，具体包括如下步骤：

第一步，选择刀刃为8-10mm宽的磨头，以小于3mm的步距和小于0.01mm的吃刀量，螺旋方式走刀，到达工件中心时，多磨10mm，此时平面面形呈由中心的内圈向四周的中圈、外圈的高度逐渐降低；

第二步，抬刀磨削加工，逐层磨削去除高出部分，具体是：

首先，测出平面的最高点，然后抬刀具到最高点处，再下降0.008-0.01mm，以1-2mm的步距，对内圈进行磨削；

当内圈平面的高度磨至与中圈平面的高度一样时，降低刀具深度0.005-0.008mm，以0.5-1mm的步距，对内圈和中圈进行磨削；

当中圈平面的高度磨至与外圈平面的高度一样时，再次降低刀具深度0.005mm，以0.5mm的步距，对整个面进行磨削，直至平面度满足要求。