CN103769960A - 一种具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法。该方法将球形铣刀的中心点移动到金刚石砂轮的V形尖端的正下方，金刚石砂轮沿着水平的切削方向往复运动且往下进给，不断对旋转的铣刀球面进行切削，切削出V形，球形铣刀的旋转在铣刀球面上加工出圆环形微沟槽，在相邻的位置上加工出另一个V形槽，两相邻V形槽交叉处形成微切削刃；利用金刚石砂轮的V形尖端形状及其两侧面上的微金刚石磨粒逐渐将微切削刃修锐成尖角；应用本发明的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀，可一次成型在铝合金、钛合金、铜、模具钢等工件表面上直接铣削加工出微沟槽结构表面，极大提高加工效率，降低加工成本，避免二次装夹和更换刀具等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种铣刀，具体涉及一种具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，该铣刀用于钛合金、模具钢、硬质合金等零部件的微结构表面成型加工；属于超硬工具的精密制造技术领域。
背景技术
汽车传动部件、挤压硬质模芯、航空飞行体、机械刀具等表面加工出小于1毫米的微结构阵列，可以附加出新的表面功能，例如，提高动力的传动效率、增强软钢材的挤压效率，减小飞行的阻力，延长刀具寿命等。目前，微结构制造技术主要依赖于激光刻蚀、电化学腐蚀和离子束等加工方法，但是，这些加工方法的成本高，效率低，而且形状精度难以控制。虽然将金刚石砂轮修整成V形尖端，可以在工件表面加工出高精度的微沟槽或微锥塔阵列结构，但需要分成表面光滑磨削和微沟槽加工的两个工艺完成，效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中不易直接在零部件表面加工出微沟槽结构，且加工耗时费力等缺点，提供一种可一次成型在铝合金、钛合金、铜、模具钢等工件表面上直接铣削加工出微沟槽结构表面的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将金刚石砂轮修整出V形尖端，并将金刚石砂轮安装在高速旋转的砂轮轴上，再将球形铣刀装夹在夹具上，夹具固定在水平工作台面上，球形铣刀绕球形铣刀的旋转轴心线旋转，将球形铣刀的旋转轴中心线与砂轮的轴心线保持同一个垂直于水平面的截面上，利用与夹具连接的分度器使形铣刀的旋转轴心线与砂轮轴心线成一个安装夹角β，安装夹度β为30～90度；
2）将球形铣刀的中心点移动到金刚石砂轮的V形尖端的正下方，金刚石砂轮沿着水平的切削方向往复运动且往下进给，不断对旋转的铣刀球面进行切削，利用旋转的砂轮V形尖端沿着球形铣刀球面的切点出切削出V形，球形铣刀的旋转可在铣刀球面上加工出圆环形微沟槽，再提起金刚石砂轮的V形尖端，利用分度器调整装置夹角β和水平移动，将球形铣刀绕中心旋转3～15°，然后在相邻的位置上加工出另一个V形槽，两相邻V形槽交叉处形成微切削刃；利用金刚石砂轮的V形尖端形状及其两侧面上的微金刚石磨粒逐渐将微切削刃修锐成尖角；
3）重复步骤2），逐渐在铣刀球面上加工出微切削刃阵列结构，制备具有微切削刃阵列结构的球形铣刀。
为进一步实现本发明的目的，所述金刚石砂轮V形尖端角度为30～120°，角度误差为±0.5度。所述金刚石砂轮转速为2000～10000转/分，进给速度为1～500毫米/分，进给深度为20～900微米/行程。所述铣刀转速为100～500转/分。所述球形铣刀直径2～100毫米，球形铣刀的微切削刃尖端半径修磨成0.5～10微米，高度为3～900微米，尖角为30～90度，分度为3～15度。所述球形铣刀的材料为钨钢硬质合金、CBN或PCD；所述金刚石砂轮由青铜结合剂和金刚石磨粒组成，金刚石磨粒粒度为240～3000目。所述微阵列结构的微沟槽深度为50～900微米，微沟槽角度为30～120度，微阵列间距为50～500微米。
所述铣削工件材料为钛合金、铝合金、铜、模具钢等材料。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
（1）球形铣刀为硬质及超硬材料，其表面的微加工极为困难，本微磨削技术可以在球形铣刀的工作球面上加工出整齐的微切削刃结构阵列。
（2）采用有微切削刃结构阵列的球形铣刀可以在同一工艺下将工件加工出平面或者曲面的微沟槽结构阵列，避免表面成型加工和微沟槽结构加工两工艺的二次装夹和更换刀具等技术困难，减少了多工艺加工所造成的误差。
（3）与微沟槽结构平面的微磨削技术相比，采用具有微切削刃阵列结构的球形铣刀可以实现微沟槽结构曲表面加工。
附图说明
图1为有微切削刃结构的球形铣刀加工装置图。
图2为球形铣刀球面的微切削刃结构阵列加工原理图。
图3为微沟槽结构平面的铣削成型加工示意图。
图4为微沟槽结构曲面的铣削成型加工示意图。
图5为球形铣刀的微切削刃结构阵列的扫描显微电镜图。
图6为微沟槽结构曲面的白光干涉检测的微轮廓图。
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的说明，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。
如图1、2所示，一种具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，包括如下步骤：
1）将金刚石砂轮1修整出V形尖端2，并将金刚石砂轮1安装在高速旋转的砂轮轴4上，再将球形铣刀3装夹在夹具5上，夹具5固定在水平工作台面上，球形铣刀3绕球形铣刀的旋转轴心线6旋转，将球形铣刀的旋转轴中心线6与砂轮的轴心线7保持同一个垂直于水平面的截面上，利用与夹具5连接的分度器8使形铣刀的旋转轴心线6与砂轮轴心线7成一个安装夹角β，安装夹度β可为30～90度；
2）将球形铣刀3的中心点9移动到金刚石砂轮1的V形尖端2的正下方，金刚石砂轮沿着水平的切削方向，即垂直于砂轮轴心线的水平方向，往复运动且往下进给，不断对旋转的铣刀球面进行切削，利用旋转的砂轮V形尖端2沿着球形铣刀球面的切点出切削出V形，球形铣刀的旋转可在铣刀球面上加工出圆环形微沟槽，再提起金刚石砂轮的V形尖端2，利用分度器调整装置夹角β和水平移动，将球形铣刀绕中心9旋转3～15度，然后在相邻的位置上加工出另一个V形槽，两相邻V形槽交叉处形成微切削刃；利用金刚石砂轮的V形尖端形状及其两侧面上的微金刚石磨粒逐渐将微切削刃修锐成尖角
3）重复步骤2），逐渐在铣刀球面上加工出微切削刃阵列结构11，制备具有微切削刃阵列结构的球形铣刀。
在球形铣刀的微切削刃阵列结构制作中，金刚石砂轮粒度为240～3000目，其V形尖端角度为30～90度，角度误差为±0.5度，砂轮转速为2000～10000转/分，进给速度为1～500毫米/分，进给深度为20～900微米/行程，铣刀转速为100～500转/分；球形铣刀直径2～100毫米，其球形铣刀的微切削刃尖端半径可修磨成0.5～10微米，高度为3～900微米，尖角为30～90度，分度为3～15度。
实施例1
如图1所示，将金刚石砂轮1（直径160mm，厚4mm）通过微细精密修整成V形尖端2，并将其安装在CNC精密磨床(SMART‐B818)的砂轮轴4上。再将分度器8(MCL‐C3×4)放置在水平工作台上，然后将夹具（米其林三爪研磨器MCL‐550）5放置在分度器8上，将双刃球形铣刀3（球头半径6mm，铣刀直径12mm，铣刀长度75mm）夹持在夹具5上，使得球形铣刀轴心线6与砂轮轴心线7成夹角β为45度。V尖端金刚石砂轮粒度为600目，由金刚石磨料和青铜结合剂组成，砂轮V尖端夹角为60度。球形铣刀材料为硬度为70～80HRC的钨钢硬质合金。
如图2所示，金刚石砂轮V形尖端2沿着砂轮水平切削方向作直线往复运动，利用旋转的砂轮V形尖端2在铣刀球面顶点处逐渐加工出一条环形微V槽，再提起金刚石砂轮的V形尖端2，球形铣刀绕中心9旋转一个角度15度，用同样的方式加工出相邻的微V槽，形成微切削刃，然后在临近位置再加工出另一个微切削刃，逐渐在铣刀球面上加工出微切削刃阵列结构11。在铣刀切削刃微阵列结构加工过程中，砂轮转速N1=3000转/分，进给速度vf=20微米/分，累积切削深度为250微米；三爪研磨器转速N2=200转/分；微切削刃阵列沿着球形铣刀的圆弧刀刃的分度为15度，微切削刃的顶角为61度，微切削刃的刃端半径为2微米，微切削刃上无毛刺，制作球形铣刀的微切削刃的扫描显微照片如图5所示。
如图3所示，将加工出具有微切削刃阵列结构的球形铣刀3安装在三轴数控铣床（G‐VM5型立式铣床）上，球形铣刀3的旋转轴6垂直于水平面，然后将铝合金的工件12（75mm×60mm×30mm）安装在水平工作台上，工件12表面被设计成水平平面13，水平平面13的法向14与球形铣刀的旋转轴心线6形成一个60°的锐角α。铣刀沿着水平直线的刀轨迹13行走，刀轨迹13是通过切点方向的球形铣刀半径处的坐标点，待加工的平面的法向14与球形铣刀的旋转轴心线7成60°锐角，然后对工件进行铣削加工，球形铣刀沿加工切点法向的半径为r处的刀轨迹15对工件12的表面13进行铣削加工，其铣刀球面的微切削刃形状在铣削加工中复制到工件表面上，形成一条微沟槽结构；再沿着已加工的微沟槽方向的法向切线方向移动一个间距2毫米，进行下一次铣削加工，逐渐将工件12加工出微沟槽结构阵列16。在铣削加工过程中，铣刀转速为3000转/分，进给速度为200毫米/分，进给深度为20微米。加工的微沟槽结构深度为60微米，沟槽角度为62.5度，沟槽底部尖端半径为11微米，微沟槽间距600微米，微沟槽表面光滑，无毛刺。目前的微沟槽结构加工主要需要激光加工方法，但是加工的微沟槽结构表面粗糙，边沿破损且不规则，加工精度无法控制。
实施例2
本实施例加工方式同实施例1。不同之处在采用具有微切削刃结构阵列的球形铣刀对G‐STAR模具钢（HRC40‐50）进行微沟槽结构表面铣削加工时，铣刀转速为3000转/分，进给速度为100毫米/分，进给深度为10微米。加工的微沟槽结构深度为90微米，沟槽角度为63.5度，沟槽底部尖端半径为15微米，微沟槽间距600毫米，微沟槽表面光滑，无毛刺。
实施例3
如图4所示，若将工件12的表面设计曲面13时，先用无微切削刃结构阵列的球形铣刀将铝合金工件加工成曲表面，曲面加工参数：背吃刀量最大处8mm，侧吃刀量0.5mm，刀具半径6mm，转速5000rpm，进给速度1000mm/min。然后，采用具有微切削刃结构阵列的球形铣刀在已经加工的曲面上出微沟槽阵列，切槽加工参数，背吃刀量0.1mm，转速5000rpm，进给速度800mm/mim。具体在铣削加工中，使得铣刀的球面与工件的任意曲面的切点的法向14始终保持一个固定角度α=45°，球形铣刀沿着沿曲面加工切点的法向半径为r处的刀轨迹15做曲线行走，α的选择范围为30～70°。加工后，然后沿着垂直于前一刀轨迹15且为加工点的切线方向10‐300微米间距出的刀轨迹再进行铣刀加工，逐渐在工件12的任意曲面13上复制出微沟槽结构阵列16。微沟槽结构曲面轮廓如图6所示，微沟槽结构深度约为50μm，沟槽底部尖端半径约为5μm，间距约400μm。
Claims (7)
1.一种具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将金刚石砂轮修整出V形尖端，并将金刚石砂轮安装在高速旋转的砂轮轴上，再将球形铣刀装夹在夹具上，夹具固定在水平工作台面上，球形铣刀绕球形铣刀的旋转轴心线旋转，将球形铣刀的旋转轴中心线与砂轮的轴心线保持同一个垂直于水平面的截面上，利用与夹具连接的分度器使形铣刀的旋转轴心线与砂轮轴心线成一个安装夹角β，安装夹度β为30～90度；
2）将球形铣刀的中心点移动到金刚石砂轮的V形尖端的正下方，金刚石砂轮沿着水平的切削方向往复运动且往下进给，不断对旋转的铣刀球面进行切削，利用旋转的砂轮V形尖端沿着球形铣刀球面的切点出切削出V形，球形铣刀的旋转在铣刀球面上加工出圆环形微沟槽，再提起金刚石砂轮的V形尖端，利用分度器调整装置夹角β和水平移动，将球形铣刀绕中心旋转3～15°，然后在相邻的位置上加工出另一个V形槽，两相邻V形槽交叉处形成微切削刃；利用金刚石砂轮的V形尖端形状及其两侧面上的微金刚石磨粒逐渐将微切削刃修锐成尖角；
3）重复步骤2），逐渐在铣刀球面上加工出微切削刃阵列结构，制备具有微切削刃阵列结构的球形铣刀。
2.根据权利要求1所述的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于：所述金刚石砂轮V形尖端角度为30～120°，角度误差为±0.5度。
3.根据权利要求1所述的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于：所述金刚石砂轮转速为2000～10000转/分，进给速度为1～500毫米/分，进给深度为20～900微米/行程。
4.根据权利要求1所述的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于：所述铣刀转速为100～500转/分。
5.根据权利要求1所述的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于：所述球形铣刀直径2～100毫米，球形铣刀的微切削刃尖端半径修磨成0.5～10微米，高度为3～900微米，尖角为30～90度，分度为3～15度。
6.根据权利要求1所述的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于：所述球形铣刀的材料为钨钢硬质合金、CBN或PCD；所述金刚石砂轮由青铜结合剂和金刚 石磨粒组成，金刚石磨粒粒度为240～3000目。
7.根据权利要求1所述的具有微切削刃阵列结构的球形铣刀的制造方法，其特征在于：所述微阵列结构的微沟槽深度为50～900微米，微沟槽角度为30～120度，微阵列间距为50～500微米。
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