CN104669075A - 金刚石刀具光催化辅助刃磨方法及装置 - Google Patents

金刚石刀具光催化辅助刃磨方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于超精密切削加工领域，公开了一种金刚石刀具光催化辅助刃磨方法及装置。其特征是采用纳米二氧化钛作为主要成分，加入适量的电子捕获剂和磨粒配制抛光液。当紫外线照射抛光盘表面的抛光液时，抛光液中的二氧化钛颗粒表面生成具有强氧化性的羟基自由基，在抛光盘的机械摩擦协同作用下实现金刚石表面材料的微量去除。通过改变紫外线发生器的输入电压调节抛光液的化学氧化作用。本发明的效果和益处是可实现刀具100纳米以下的钝圆半径、纳米和亚纳米级的表面粗糙度和超低损伤的表面质量，有助于提高刀具寿命和工件加工质量。此外，由于采用二氧化钛和高铁酸钾为抛光液的主要成分，不会对人体和环境造成危害，在一定程度上会改善环境污染。

Description

金刚石刀具光催化辅助刃磨方法及装置
技术领域
本发明属于超精密切削加工领域。特别涉及到金刚石刀具光催化辅助刃磨方法及装置。
背景技术
随着超精密切削加工技术的应用与推广，超精密切削的加工精度逐渐向纳米尺度及其极限精度发展。在超精密切削加工中，为了使加工零件获得纳米、亚纳米特征的加工精度，除了需要超精密机床、高分辨率的检测仪器和超稳定的加工环境外，高精度、低损伤的金刚石刀具是必须具备的条件，尤其是圆弧刃金刚石刀具。例如，在光学反射镜和光学模具超精密加工中，不仅要求金刚石刀具切削刃圆钝圆半径小于100nm，而且要求刀尖圆弧轮廓精度小于50nm，刀具表面粗糙度Ra小于10nm，刀具亚表面损伤小于2nm。可见金刚石切削刀具的刃磨技术严重制约了其在超精密加工中的应用。
目前最常使用的金刚石刀具刃磨方法是机械刃磨方法。机械刃磨法一般采用直径为300~400mm的铸铁研磨盘，在盘面涂敷含1~50μm金刚石磨粒的研磨膏后，对其进行预研使金刚石磨粒嵌入铸铁研磨盘面的微孔，然后以常用转速3000r/min对金刚石刀具进行刃磨。或者采用粒度为0.5~10um金刚石砂轮以磨削的方式机械去除金刚石以达到刃磨金刚石刀具的目的。虽然该方法可以使金刚石表面粗糙度达到纳米级，但刃磨时间较长。并且，由于该方法对刀具刀口具有不连续的冲击，要使切削刃钝圆半径低于70~80nm比较困难。另外,刃磨过程中接触压力较大，金刚石刀具存在一定的亚表面损伤。这些亚表面损伤会降低刀具表层金刚石原子的稳定性，使刀具的耐磨性下降。随着刀具表面的磨损，刀刃表面粗糙度增大，进而又加剧刀具的磨损。最终加剧降低刀具的寿命和工件的表面质量。
增加刃磨过程的化学作用，减少机械作用，将有利于低损伤和纳米级钝圆半径刀具的刃磨。因此，本发明针对机械刃磨方法存在无法实现纳米级钝圆半径、表面粗糙度高、亚表面损伤大、刃磨时间长等问题，提出光催化辅助刃磨金刚石刀具的方法。该方法以碳化硼、碳化硅或氧化铝陶瓷盘为抛光盘，并滴加具有光催化作用的抛光液，增加刃磨过程中的化学作用，降低机械去除所带来的损伤，优先去除金刚石刀具表面具有损伤的材料，大大减小刀具表面的亚表面损伤。
发明内容
本发明的目的是针对现有金刚石刃磨时，无法实现纳米级钝圆半径、表面粗糙度高、亚表面损伤大、刃磨时间长等技术问题，提供一种超光滑、低损伤、高效率的金刚石刀具刃磨方法及一种机构简单、刃磨质量好、刃磨效率高、生产成本低、无污染的光催化刃磨装置。
技术方案：一种金刚石刀具光催化辅助刃磨方法，其特征在于：首先将金刚石刀具通过夹具压在抛光盘上，抛光盘转速为30~500r/min；夹具摆动速度为6~10次/min；抛光盘采用碳化硼或氧化铝盘；抛光时不需要任何气体保护；在抛光过程中，滴料器将抛光液滴在抛光盘上，并随抛光盘旋转分散均匀；紫外线发生器发出的紫外光通过凸透镜聚焦后经光源传输装置照射在分散有抛光液的抛光盘上，抛光液中二氧化钛颗粒受到紫外光照射后，表面生成具有强氧化性的羟基自由基·OH，随着抛光盘的转动，进入刃磨界面，氧化去除金刚石刀具的表层材料，以实现金刚石刀具的刃磨。
使用的抛光液组成为光催化剂、电子捕获剂、磨料、酸碱调节剂和去离子水，各原料所占质量百分比为：
光催化剂：2～12％；电子捕获剂：2～10％；磨料：0.5～6％；酸碱调节剂：0.5～2％；去离子水：70～95％；
所述的光催化剂为粒径为20nm~5μm的TiO2、SnO、Fe2O3粉末中的一种；所述的电子捕获剂为H2O2、K2FeO4或Na2FeO4中的一种；
所述的磨料为粒径为0.5~5μm的金刚石、碳化硼、氧化铝磨料中的一种；
所述的酸碱调节剂为NaOH和KOH。
抛光液中的光催化剂是以获得化学氧化作用而添加的。
通过改变紫外线发生器的输入电压调节刃磨过程抛光液的氧化性强弱。
一种如上所述的金刚石刀具光催化辅助刃磨装置，其特征在于：抛光盘为碳化硼或氧化铝盘，设置在抛光机的大盘上，金刚石刀具压在抛光盘上，并通过夹具和摆动电机相连；在抛光盘上设有防护罩，防护罩内设有滴料器；紫外线发生器与一个凸透镜位置相对，并通过光源传输装置连到防护罩内。
本发明效果和益处是：刃磨装置结构简单、刃磨质量好；化学作用和机械作用的共同使用可以实现纳米级钝圆半径刀具的低损伤刃磨，具有较高的抛光效率；使用的二氧化钛和高铁酸钾均是高效的污水处理剂，不会对人体和环境造成危害。解决目前机械刃磨方法无法实现纳米级钝圆半径、表面粗糙度高、亚表面损伤大、刃磨时间长等问题。
附图说明
图1是本发明金刚石刀具光催化辅助刃磨方法的原理图。
图中：1紫外光、2金刚石、3CO2、4二氧化碳颗粒、5·OH、6H2O、7价带、8禁带宽度、9还原产物、10电子捕获剂、22导带。
图2是本发明金刚石刀具光催化辅助刃磨装置示意图。
图中：11滴料器、12紫外线发生器、13凸透镜、14光源传输装置、15防护罩、16配重装置、17摆动电机、18夹具、19金刚石刀具、20抛光盘、抛光机底盘21。
具体实施方式
  本发明抛光原理是：纳米二氧化钛受到波长小于387.5nm的紫外光照射时，处于价带的电子就会被激发到导带上去，在二氧化钛颗粒表面会产生电子和空穴。电子可被电子捕获剂如高铁酸钾或双氧水捕获，避免与空穴复合，降低化学作用。空穴的标准氧化还原电位为3.2V，具有很强的氧化性，可以将吸附在二氧化钛颗粒表面的OH-和H2O进行氧化，生成具有强氧化性的羟基自由基·OH（标准氧化还原电位为2.76V）。当羟基自由基与金刚石接触时就可以氧化金刚石。抛光时，金刚石刀具装在夹具上，通过电机驱动金刚石刀具旋转以实现不同表面和刃圆半径的刃磨。金刚石刀具通过夹具以一定的载荷压在旋转的抛光盘上。金刚石刀具与超硬材料的抛光盘摩擦，表面层会产生1~5nm的损伤层。同时，抛光液通过滴管滴在抛光盘上，随着抛光盘的转动进入到金刚石刀具与抛光盘的摩擦界面内。由二氧化钛等光催化纳米颗粒生成的羟基自由基·OH氧化金刚石表面的损伤层，最后实现金刚石刀具表面材料的微量低损伤去除。
本发明抛光液组成为光催化剂、电子捕获剂、磨料、酸碱调节剂和去离子水，各原料所占质量百分比为：
光催化剂：2～12％；
电子捕获剂：2～10％；
磨料：0.5～6％；
酸碱调节剂：0.5～2％；
去离子水：70～95％；
各原料质量百分比之和为100％；
所述的光催化剂为粒径为20nm~5μm的TiO2、SnO、Fe2O3粉末；
所述的电子捕获剂为H2O2、K2FeO4或Na2FeO4。
所述的磨料为粒径为0.5~5μm的金刚石、碳化硼、氧化铝磨料。
所述的酸碱调节剂为NaOH和KOH。
本发明的装置包括抛光机、抛光盘、紫外线发生器、凸透镜、光源传输装置、防护罩、配重装置、摆动电机、滴料器、夹具等。抛光盘为碳化硼或氧化铝盘，放置在抛光机的大盘上。金刚石刀具压在抛光盘上，并通过调整夹具和电机实现刀具不同表面的刃磨。紫外线发生器发出的紫外线被凸透镜聚焦后，通过光源传输装置照射在抛光盘上。通过改变紫外线发生器的输入电压调节刃磨过程抛光液的氧化性强弱。
本发明金刚石刀具光催化辅助刃磨方法是，首先金刚石刀具通过夹具压在抛光盘上，抛光盘转速为30~500r/min；夹具摆动速度为6~10次/min；抛光盘采用碳化硼或氧化铝盘；抛光时不需要任何气体保护；在抛光过程中，滴料器将抛光液滴在抛光盘上，并随抛光盘旋转分散均匀。紫外线发生器发出的紫外光通过凸透镜聚焦后经光源传输装置照射在分散有抛光液的抛光盘上。抛光液中二氧化钛颗粒受到紫外光照射后，表面生成具有强氧化性的羟基自由基·OH，随着抛光盘的转动，进入刃磨界面，氧化去除金刚石刀具的表层材料，以实现金刚石刀具的刃磨。在此过程中，抛光液中的电子捕获剂会将光催化产生的电子捕获，防止与空穴复合，避免化学作用失效。
如图2所示，结合实例进一步说明本发明的结构方案和工作过程。
一种金刚石刀具光催化辅助刃磨方法及装置，该装置包括研磨抛光机、抛光盘10、夹具8、摆动电机7，抛光盘10装在抛光机底盘21上随抛光机转动。金刚石刀具19通过夹具18压在抛光盘10上，并通过配重装置16、摆动电机17调整刃磨压力和刃磨表面。紫外线发生器12发出的紫外光通过凸透镜13聚焦后，经光源传输装置14照射在抛光盘10上。经滴料器11滴出的抛光液滴在抛光盘上，吸收紫外光后，生成具有强氧化性的羟基自由基·OH，进入到刃磨界面，实现金刚石刀具的刃磨。
金刚石刀具光催化辅助刃磨的工作过程是：首先金刚石刀具19通过夹具18压在抛光盘上，抛光盘10转速为30~500r/min；金刚石刀具19摆动速度为6~10次/min；滴料器11将抛光液滴在抛光盘10上，并随抛光盘旋转分散均匀。紫外线发生器12发出的紫外光通过凸透镜13聚焦后经光源传输装置14照射在分散有抛光液的抛光盘10上。抛光液中二氧化钛颗粒受到紫外光照射后，表面生成具有强氧化性的羟基自由基·OH，随着抛光盘10的转动，进入刃磨界面，氧化去除金刚石刀具9的表层材料，以实现金刚石刀具的刃磨。在此过程中，抛光液中的电子捕获剂会将光催化产生的电子捕获，防止与空穴复合，避免化学作用失效。
通过调节紫外线发生器的电压使照射在抛光盘表面紫外线强度为50~2000μm/cm2，以改变抛光液的氧化作用强弱，适应不同的抛光要求。

Claims (5)

1.一种金刚石刀具光催化辅助刃磨方法，其特征在于：首先将金刚石刀具通过夹具压在抛光盘上，抛光盘转速为30~500r/min；夹具摆动速度为6~10次/min；抛光盘采用碳化硼或氧化铝盘；抛光时不需要任何气体保护；在抛光过程中，滴料器将抛光液滴在抛光盘上，并随抛光盘旋转分散均匀；紫外线发生器发出的紫外光通过凸透镜聚焦后经光源传输装置照射在分散有抛光液的抛光盘上，抛光液中二氧化钛颗粒受到紫外光照射后，表面生成具有强氧化性的羟基自由基·OH，随着抛光盘的转动，进入刃磨界面，氧化去除金刚石刀具的表层材料，以实现金刚石刀具的刃磨。
2.根据权利要求1所述的金刚石刀具光催化辅助刃磨方法，其特征在于：使用的抛光液组成为光催化剂、电子捕获剂、磨料、酸碱调节剂和去离子水，各原料所占质量百分比为：
光催化剂：2～12％；电子捕获剂：2～10％；磨料：0.5～6％；酸碱调节剂：0.5～2％；去离子水：70～95％；
所述的光催化剂为粒径为20nm~5μm的TiO2、SnO、Fe2O3粉末中的一种；所述的电子捕获剂为H2O2、K2FeO4或Na2FeO4中的一种；
所述的磨料为粒径为0.5~5μm的金刚石、碳化硼、氧化铝磨料中的一种；
所述的酸碱调节剂为NaOH和KOH。
3.根据权利要求2所述的金刚石刀具光催化辅助刃磨方法，其特征在于：抛光液中的光催化剂是以获得化学氧化作用而添加的。
4.根据权利要求1所述的金刚石刀具光催化辅助刃磨方法，其特征在于：通过改变紫外线发生器的输入电压调节刃磨过程抛光液的氧化性强弱。
5.一种如权利要求1所述的金刚石刀具光催化辅助刃磨装置，其特征在于：抛光盘为碳化硼或氧化铝盘，设置在抛光机的大盘上，金刚石刀具压在抛光盘上，并通过夹具和摆动电机相连；在抛光盘上设有防护罩，防护罩内设有滴料器；紫外线发生器与一个凸透镜位置相对，并通过光源传输装置连到防护罩内。
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