CN104128783A - 一种单刃金刚石微铣刀的制造方法 - Google Patents

一种单刃金刚石微铣刀的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，它涉及一种微铣刀的制造方法。本发明为了解决现有的制造技术主要用于钨钢微铣刀的成型加工，当加工金刚石微铣刀时存在制造精度低、和加工效率低的问题。本发明的方法是步骤一、制造刀柄：利用激光加工技术，对钨钢刀柄的端部进行微小孔加工，将小颗粒金刚石晶体放入刀柄端部的微小孔中，并放入银铜钛钎焊粉料，银铜钛钎焊粉料足以掩埋小颗粒金刚石晶体，然后把钨钢刀柄竖直放入真空热处理炉中真空钎焊；步骤二、刃磨刀头：采用机械刃磨技术，按照铣刀头的几何参数，完成金刚石微铣刀的回转半径减磨、干涉面的刃磨和单铣刀刃的成型刃磨，至此，完成单刃金刚石微铣刀的制造。本发明用于单刃金刚石微铣刀的制造。

Description

一种单刃金刚石微铣刀的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微铣刀的制造方法，具体涉及一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，属于超精密微细铣削加工技术领域。 
背景技术
现代产品在设计理念上力求减轻重量、缩小体积、降低功耗并提高稳定性，尤其是航空航天、宇航工业对许多装置设备提出微型化要求，出现了许多微小尺寸零件、特殊结构表面的加工。微小型化零件是指具有复杂结构而且精度要求较高的零件，其尺寸范围为0.1～10mm，具有0.01～1mm的几何特征尺寸。微型飞行器、卫星惯性仪表、微型卫星的应用能极大的提升国家军事实力，而微创手术采用的微型机器人可以进入人体进行检查甚至直接进行手术，微型化产品正从各方面越来越多地影响和改变着人们的生活。 
因此开发出经济可行、能够加工三维几何形状并且能适应材料多样性的针对精密三维微小零件的微细加工技术具有重要实用价值。而微细铣削技术具有效率高、柔性大、可以加工复杂的三维结构、能加工的材料种类多等特点，已成为可以满足前述需求的重要加工手段之一。作为微细铣削技术的重要组成部分之一，微铣刀的制造工艺也逐渐被人们所关注。当前微铣刀的制造技术有精密微细磨削加工，聚焦离子束加工(FIB)，线电极电火花磨削加工(WEDG)，超声振动研磨，激光束加工等技术手段。 
精密微细磨削加工是用微小型金刚石砂轮对超硬刀具材料进行磨削，从而将刀刃刃磨成型，常用的材料有钨钢和金刚石，许多商业化的钨钢微细螺旋立铣刀便是由此技术制得。 
聚焦离子束加工是利用强电场使得离子柱之间产生数十KeV的正电荷离子束，可控制离子束聚焦到加工表面亚微米级的一点上，高能离子依靠微观的机械撞击能量直接将加工表面的原子或分子剥离，从而去除材料。 
线电极电火花磨削加工(WEDG)，以电火花腐蚀机理来加工工件，由于线电极与工件间是点接触的形式，放电能量可以很小，则每次放电的去除量也很小，可控制实现对工件的精密微细加工。 
综上所述，现有的制造技术主要用于钨钢微铣刀的成型加工，当加工金刚石微铣刀时存在制造精度低、成本高或加工效率低的问题。 
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的制造技术主要用于钨钢微铣刀的成型加工，当加工金刚石微铣刀时存在制造精度低和加工效率低的问题，进而提供一种单刃金刚石微铣刀的制 造方法。 
本发明的技术方案是：一种单刃金刚石微铣刀的制造方法制造方法的具体步骤为： 
步骤一、制造刀柄： 
利用激光加工技术，对钨钢刀柄的端部进行微小孔加工，将小颗粒金刚石晶体放入刀柄端部的微小孔中，钨钢刀柄端部的微小孔竖直向上，居中摆正后在微小孔内放入银铜钛钎焊粉料，银铜钛钎焊粉料足以掩埋小颗粒金刚石晶体，然后把钨钢刀柄竖直放入真空热处理炉中，真空加热使小颗粒金刚石晶体的表面与银铜钛钎焊粉料形成稳定的碳化物过渡层，以化学键合的方式实现小颗粒金刚石晶体与钨钢刀柄的稳固连接； 
步骤二、刃磨刀头： 
采用机械刃磨技术，按照铣刀头的几何参数，完成金刚石微铣刀的回转半径减磨、干涉面的刃磨和单铣刀刃的成型刃磨，至此，完成单刃金刚石微铣刀的制造。 
本发明与现有技术相比具有以下效果： 
本发明采用激光加工技术，可快速实现超硬钨钢刀柄端部的打孔加工，进而完成小颗粒金刚石晶体与钨钢刀柄的钎焊连接。如此设置，充分地利用了当前成熟的钨钢微铣刀刀柄制造技术，可满足刀柄全长的圆柱度误差小于5μm的要求。本发明采用机械刃磨技术，可高效地完成金刚石微铣刀的回转半径减磨、干涉面刃磨和单铣刀刃的成型刃磨，且刃磨表面粗糙度可达到Ra 10nm以下，单铣刀刃在光学显微镜300×放大倍率下观察不到微崩缺陷。 
本发明采用激光加工原理：将具有极高的功率密度的聚焦激光束与工件相对运动，靠光热效应使工件材料不断被蚀除，从而获得需要的工件形状。激光加工过程包括如下几个阶段：1)激光束照射工件材料表面，此时光的辐射能部分被反射，部分被吸收并对材料加热，部分因热传导而损失；2)工件材料吸收光能；3)光能转变成热能，由于激光进入工件材料的深度极浅，所以受激光光斑中心点辐照的工件材料表面，温度迅速升高；4)表面温度超过工件材料熔点后，工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏；5)作用结束，加工区冷却至室温。由于本申请的钨钢刀柄表面硬度高，存在机械钻孔难度大的工艺问题，因此本发明采用激光加工的方式在钨钢刀柄端部进行打孔，不但操作简单，而且加工效率提高64-72％，有效的保证打孔精度。 
本发明采用金刚石晶体的真空钎焊原理：金刚石晶体与钎料紧密接触，真空加热环境下，钎料熔化并润湿金刚石晶体表面，此时钎料中的活性元素与金刚石晶体表面碳原子发生化学反应，形成强键合的稳定碳化物过渡层，由此实现金刚石晶体和金属基体间的稳固连接。本发明选用银铜钛钎料，该钎料的熔化温度为860～910℃，与金刚石晶体表面的润湿性好， 通过真空环境保护钎料不被氧化，同时使活性钛元素与金刚石碳原子形成化学键结合。选用线膨胀系数与金刚石相近的钨钢圆棒作为刀柄，并在真空环境下与金刚石晶体进行钎焊。这是因为金刚石晶体在真空中，800～1700℃时仅在晶体表面薄层出现石墨化现象，晶体内部无变化，从而可设定900℃钎焊温度，此温度可使钎料熔化而不影响金刚石晶体和刀柄(钨钢圆棒的熔点在2000℃以上)，从而保证焊接质量，焊接面剪切强度达到300Mpa以上。 
附图说明
图1为小颗粒金刚石晶体钎焊固定示意图；图2为铣刀头加工竖直台阶面时的示意图；图3为在铣刀头加工平面时的示意图；图4为设计的铣刀头几何参数示意图。 
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法的具体步骤为： 
步骤一、制造刀柄1： 
利用激光加工技术，对钨钢刀柄1的端部进行微小孔2加工，将小颗粒金刚石晶体3放入刀柄1端部的微小孔2中，钨钢刀柄1端部的微小孔2竖直向上，居中摆正后在微小孔2内放入银铜钛钎焊粉料4，银铜钛钎焊粉料4足以掩埋小颗粒金刚石晶体3，然后把钨钢刀柄1竖直放入真空热处理炉中，真空加热使小颗粒金刚石晶体3的表面与银铜钛钎焊粉料4形成稳定的碳化物过渡层，以化学键合的方式实现小颗粒金刚石晶体3与钨钢刀柄1的稳固连接； 
步骤二、刃磨刀头： 
采用机械刃磨技术，按照铣刀头的几何参数，完成金刚石微铣刀的回转半径减磨、干涉面的刃磨和单铣刀刃的成型刃磨，至此，完成单刃金刚石微铣刀的制造。 
本实施方式的小颗粒金刚石晶体3为立方体晶形，边长1mm左右。选择此类型天然金刚石晶体毛坯，不仅可以方便地把(100)晶面定向为微铣刀的前后刀面，而且可以缩短金刚石微铣刀的回转半径减磨时间，提高加工效率。 
具体实施方式二：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的钨钢刀柄1选用钨钢圆棒，钨钢刀柄1的直径为3mm或4mm，钨钢刀柄1的长度为30mm或40mm。如此设置，通过加工和刃磨，有效的保证了铣刀加工尺寸，其加工后的刀径为0.5-1mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 
具体实施方式三：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中加工微小孔2后，采用金刚石磨棒清理钨钢刀柄1端部的微小孔2内表面的烧蚀残渣，露出光亮碳化钨金属，然后用丙酮把钨钢刀柄1端部清洗干净。如此设置，主要为了清除微小孔2的 残渣、油渍等污染物，提高小颗粒金刚石晶体3和钨钢刀柄1的焊接强度。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。 
具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的所述步骤一中把钨钢刀柄1竖直放入真空热处理炉中，进行小颗粒金刚石晶体3与钨钢刀柄1的真空钎焊，真空热处理炉的工作真空度为5×(10-3-10-2)Pa，真空加热到900℃后保载10分钟，然后随炉自然冷却至室温，炉温高于150℃时保持炉内工作真空度，钎焊完成后，打开炉门，取出焊上金刚石刀头的钨钢刀柄1。如此设置，可保证焊上金刚石刀头的钨钢刀柄1清洁美观。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。 
具体实施方式五：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的所述步骤二中的刃磨刀头在刃磨过程中按以下顺序进行： 
首先，在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用800#陶瓷基金刚石砂轮对焊有小颗粒金刚石晶体毛坯的钨钢刀柄1端部进行锥形刃磨，完成铣刀回转半径的减磨工序； 
其次，在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用800#青铜基金刚石砂轮对金刚石刀头进行竖直台阶面5的加工，竖直台阶面5的加工顺序为先端刃6后侧刃7，即完成金刚石微铣刀的干涉面的刃磨； 
最后，在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用800#青铜基金刚石砂轮对金刚石刀头进行第一斜面8和第二斜面9的加工；在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用3000#青铜基金刚石砂轮对金刚石刀头进行后刀面10的精加工，形成锋利端刃，至此，完成对金刚石微铣刀的单铣刀刃的成型刃磨。 
如此设置，可使金刚石微铣刀的刃磨表面粗糙度达到Ra 10nm以下，单铣刀刃在光学显微镜300×放大倍率下观察不到微崩缺陷。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。 
具体实施方式六：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的回转半径减磨过程中，刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄自转，砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力15N，单次磨削进给量10μm，回转半径最小能减磨到0.4mm。如此设置，不但可增加回转半径减磨效率，快速完成钨钢刀柄1端部的锥形刃磨，而且可均化锥形表面的磨削痕迹，使锥形表面光洁明亮。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。 
具体实施方式七：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中干涉面的刃磨；刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄无自转，砂轮盘无往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力10N，单次磨削进给量5μm。如此设置，竖直台阶面5是为了形成微铣刀的前刀面，其中，加工侧刃7为了消除刀头自身形状对铣削加工表面的干涉破坏。其它组成及连接关 系与具体实施方式五相同。 
具体实施方式八：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中对第一斜面8和第二斜面9的刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄无自转，砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力10N，单次磨削进给量5μm。如此设置，第一斜面8和第二斜面9的微铣刀回转轴心线与砂轮盘面夹角为25°～45°。加工第一斜面8为了消除刀头自身形状对铣削加工表面的干涉破坏，加工第二斜面9为了消除端刃(零切削速度部位)对铣削加工表面的摩擦。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。 
具体实施方式九：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中后刀面10刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄无自转，砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力10N，单次磨削进给量2μm。如此设置，加工后刀面10时，微铣刀回转轴心线与砂轮盘面夹角即为微铣刀后角，微铣刀后角为6°。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。 

Claims (9)

1.一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：该制造方法的具体步骤为：
步骤一、制造刀柄(1)：
利用激光加工技术，对钨钢刀柄(1)的端部进行微小孔(2)加工，将小颗粒金刚石晶体(3)放入刀柄(1)端部的微小孔(2)中，钨钢刀柄(1)端部的微小孔(2)竖直向上，居中摆正后在微小孔(2)内放入银铜钛钎焊粉料(4)，银铜钛钎焊粉料(4)足以掩埋小颗粒金刚石晶体(3)，然后把钨钢刀柄(1)竖直放入真空热处理炉中，真空加热使小颗粒金刚石晶体(3)的表面与银铜钛钎焊粉料(4)形成稳定的碳化物过渡层，以化学键合的方式实现小颗粒金刚石晶体(3)与钨钢刀柄(1)的稳固连接；
步骤二、刃磨刀头：
采用机械刃磨技术，按照铣刀头的几何参数，完成金刚石微铣刀的回转半径减磨、干涉面的刃磨和单铣刀刃的成型刃磨，至此，完成单刃金刚石微铣刀的制造。
2.根据权利要求1所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：所述步骤一中的钨钢刀柄(1)选用钨钢圆棒，钨钢刀柄(1)的直径为3mm或4mm，钨钢刀柄(1)的长度为30mm或40mm。
3.根据权利要求2所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：所述步骤一中加工微小孔(2)后，采用金刚石磨棒清理钨钢刀柄(1)端部的微小孔(2)内表面的烧蚀残渣，露出光亮碳化钨金属，然后用丙酮把钨钢刀柄(1)端部清洗干净。
4.根据权利要求3所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：所述步骤一中把钨钢刀柄(1)竖直放入真空热处理炉中，进行小颗粒金刚石晶体(3)与钨钢刀柄(1)的真空钎焊，真空热处理炉的工作真空度为5×(10-3-10-2)Pa，真空加热到900℃后保载10分钟，然后随炉自然冷却至室温，炉温高于150℃时保持炉内工作真空度，钎焊完成后，打开炉门，取出焊上金刚石刀头的钨钢刀柄(1)。
5.根据权利要求1或4所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：所述步骤二中的刃磨刀头在刃磨过程中按以下顺序进行：
首先，在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用800#陶瓷基金刚石砂轮对焊有小颗粒金刚石晶体毛坯的钨钢刀柄(1)端部进行锥形刃磨，完成铣刀回转半径的减磨工序；
其次，在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用800#青铜基金刚石砂轮对金刚石刀头进行竖直台阶面(5)的加工，竖直台阶面(5)的加工顺序为先端刃(6)后侧刃(7)，即完成金刚石微铣刀的干涉面的刃磨；
最后，在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用800#青铜基金刚石砂轮对金刚石刀头进行第一斜面(8)和第二斜面(9)的加工，在单晶钻石刀具行星型研磨机上采用3000#青铜基金刚石砂轮对金刚石刀头进行后刀面(10)的精加工，形成锋利端刃，至此，完成对金刚石微铣刀的单铣刀刃的成型刃磨。
6.根据权利要求5所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：步骤二中的回转半径减磨过程中，刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄自转，砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力15N，单次磨削进给量10μm，回转半径最小能减磨到0.4mm。
7.根据权利要求6所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：步骤二中干涉面的刃磨；刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄无自转，砂轮盘无往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力10N，单次磨削进给量5μm。
8.根据权利要求7所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：步骤二中对第一斜面(8)和第二斜面(9)的刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄无自转，砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力10N，单次磨削进给量5μm。
9.根据权利要求8所述的一种单刃金刚石微铣刀的制造方法，其特征在于：步骤二中后刀面(10)刃磨工艺参数设置为：钨钢刀柄无自转，砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，磨削压力10N，单次磨削进给量2μm。
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