CN104972406A - 切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具，包括利用单晶金刚石制成的固定在刀柄上的刃磨刀头，所述刃磨刀头的前角为5°～10°，后角为5°～12°，刀倾角为10°～20°，主偏角为10°～35°，后刀面的粗糙度≤15nm，刀刃钝圆半径≤1μm。本发明切削抛光出来的光学有机玻璃的极小残留切削厚度H_min≤(0.05～0.08)μm，表面粗糙度为R_a≤5～15nm，透光度达到≥95%以上，使光学有机玻璃达到镜面要求，达到透、光、亮的效果。

Description

切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具

技术领域

本发明涉及单晶金刚石刀具领域，特别涉及一种切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具。

背景技术

有机玻璃又称亚克力（Acrylic）是一种长链的高分子化合物，属聚丙烯酸甲类，英文名称Polymethylmethacrylate简称PMMA。能做光学材料的有机玻璃它的物理力学性能是透光率特高(可达≥95%)，但是导热系数小（0.19w/cmk）,线膨胀系数大（130×10^-6/℃），熔点(180℃)低，表面硬度不高须硬化处理，因此它具有良好的热加工变形和较小的切削变形，以及晶莹透亮的特性，适合做大型光学用的透镜。根据它的物理力学性能，使有机玻璃加工后仍然保持透、光、亮的属性，只有挤亮（例如亚克力以前的抛光工艺就是用“布轮抛光”，但粉尘大影响员工身体健康和环境）和用锋利的刀刃切亮（例如用本专利的单晶金刚石刀具切削抛光）。但它的切削性能具有二重性，从切削力较小来看是一种易切削材料。但从加工表面质量分析来看由于热膨胀系数大尺寸较难控制，加工表面的粗糙度较差，刀具磨损较快，因此又是一种较难切削的材料。基于光学有机玻璃在车削时切屑呈带状连续不断应该属于切削原理意义中的非金属塑性材料。

光学有机玻璃是具有一定特性的塑性材料，它遵循一般切削原理的同时，还应该有它固有的、特殊的切削规律。研究和应用这些规律，在此基础上发明光学有机玻璃切削抛光的单晶金刚石刀具就有了可靠的理论根据，是本发明专利的重要组成部分。

1、刀刃钝圆半径ρ的数学模型

参见图1a和图1b，用单晶金刚石刀具切削抛光光学有机玻璃实质上是一种微细切削加工中的微量分离技术。由于精密切削抛光光学有机玻璃时是采用极锋利的单晶金刚石刀具的刃口，能够得到极小残留切削厚度H_min，由此透光度可以达到95%以上。也就是说极小残留切削厚度H_min的大小是影响光学有机玻璃透光度的主要原因。本发明专利研究表明：极小残留切削厚度H_min的大小与单晶金刚石刀具的切薄能力有关，即与单晶金刚石刀具的刀刃钝圆半径ρ的大小以及光学有机玻璃的物理力学性能有关。

工件上O点处受切削力Fc及其垂直力Fx的作用，形成合力Fr(也可分解成O点处法向力Fn和摩擦力F_f,其中F_f=μFn，μ为光学有机玻璃的摩擦系数、Fn为正压力)，合力Fr的方向即为O点处所受正应力的方向。当O点的正应力方向与切削速度V_f方向的夹角约为38°～45°时，O点以上的光学有机玻璃材料经剪切、滑移、卷曲形成切屑，而O点以下材料经后刀面摩擦、挤压，以及弹性变形和塑性变形后形成已加工表面。此时，O点即为残留切削厚度的临界点。极限极小残留切削厚度H_min可用下式求得：

H_min=ρ(1-cosθ)     (1)

式中：ρ为刀刃钝圆半径

而θ+ω+β=90°

θ=90°-(ω+β)     (2)

式中β为刀具与工件材料的摩擦角关系：tgβ=μ,单晶金刚石刀具切削光学有机玻璃时，光学有机玻璃的摩擦系数μ约为0.5～0.6，并随着切削深度增大而增大；

ω为正应力方向与切削速度方向的夹角，一般为38°～45°将（2）式代入（1）式得：

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sin \mathrm{\ω}+\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\ω}}{\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(3\right)$

当ω=45°时，（3）式可简化为：

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sqrt{2}(1+\mathrm{\μ})}{2\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(4\right)$

由（4）式可知，极限极小残留切削厚度H_min与刀具刃口钝圆半径ρ、光学有机玻璃的物理力学性能，以及刀具—工件之间的光学有机玻璃的摩擦系数μ有关。单晶金刚石刀具切削抛光光学有机玻璃时，极小残留切削厚度H_min值与刃口钝圆半径ρ值的关系见下表1：

表1刃口钝圆半径ρ值与刀刃钝圆半径ρ的关系

根据单晶金刚石刀具切削抛光光学有机玻璃的经验，可取ω=41°，当μ=0.5～0.6时，H_min=(0.08～0.05)ρ。由此可见，单晶金刚石刀具的极小残留切削厚度H_min对刃口钝圆半径ρ影响极大。切削抛光光学有机玻璃要达到镜面，必须要使极小残留切削厚度H_min≤(0.05～0.08)μm，透光度达到≥95%以上。如果切削抛光光学有机玻璃不能达到镜面要求，光学有机玻璃表面就会有一层“雾”，影响光学有机玻璃的清晰度。

2、刀具后刀面的刃磨质量对镜面抛光的影响

由图1a知道，O点为切削层的分流点，由于刀刃钝圆半径ρ的作用，O点以下的光学有机玻璃材料被迫在很大压力下绕过刀刃钝圆而延后刀面流出，此时由于后刀面熨压作用产生的弹性变形和塑性变形比刀具的切削作用更为重要，并直接影响到已加工表面的粗糙度、波纹度和透光度。因此，单晶金刚石刀具的刃磨质量、后角大小和后刀面的粗糙度都会直接影响后刀面对光学有机玻璃抛光表面的熨压效果。

后刀面刃磨纹理是指刀具研磨时磨粒在后刀面上留下的一系列沟槽。刃磨方向与刀具修光刃的夹角称为后刀面研磨纹理角，又称刃磨角λ，见图2。

参见图3所示，图中实线表示后刀面1的刃磨纹理，虚线表示平行于修光刃的后刀面粗糙度的测量方向，Δ为测量间距。由图2可见，由于刃磨纹理的影响，使得两条相邻的具有较小间距的平行轮廓之间存在着相对位移τ，相对位移τ值可通过测量相邻轮廓峰值的位移得到，也可以用互相关函数进行计算。若相邻断面廓形函数分别为Fi(X)和Fj(X)，其中：i=1、2、3…；j=1、2、3…；则两者的相关函数Rij(τ)为：

$\mathrm{Rij}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}\mathrm{Fi}\left(x\right)\mathrm{Fj}(x+\mathrm{\τ})\mathrm{dx}---\left(5\right)$

当相关函数Rij(τ)取得峰值时，表明相邻断面廓形具有最大程度的相似性，此时的相对位移τ值即为相邻断面廓形位移的大小。由图3可得：

tgλ=Δ/τ     (6)

（6）式表明，当测量间距Δ为定值时，刃磨角λ值越小，相对位移τ值越大，即相邻断面廓形间的相对位移越大，错位越强烈。

由于后刀面相邻断面廓形间错位的存在，使得后刀面对光学有机玻璃表面的熨压过程相当于后刀面上平行于修光刃的不同断面交错滑过工件表面的过程，因此单晶金刚石刀具后刀面熨压光学有机玻璃表面的实质是错位熨压。由此可见，单晶金刚石刀具后刀面的表面粗糙度大小将直接影响到光学有机玻璃表面的抛光效果。

综上所述，刀具的前角、后角、刃倾角、主偏角、刃口钝圆半径、后刀面的表面粗糙度大小等参数均对光学有机玻璃的切削抛光有着重要的影响，但是目前的刀具的前角、后角、刃倾角、主偏角、刃口钝圆半径、后刀面的表面粗糙度大小等参数的设置均不合理，所以难以对光学有机玻璃进行高质量的切削抛光处理。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的刀具的前角、后角、刃倾角、主偏角、刃口钝圆半径、后刀面的表面粗糙度大小等参数的设置不合理的问题和缺陷，通过一种结构合理可以解决上述问题的切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具，包括利用单晶金刚石制成的固定在刀柄上的刃磨刀头，所述刃磨刀头的前角为5°～10°，后角为5°～12°，刀倾角为10°～20°，主偏角为10°～35°，后刀面的粗糙度≤15nm，刀刃钝圆半径≤1μm。

在本发明的一个优选实施例中，所述单晶金刚石刀具为机械夹固式、焊接式、机夹可转位式。

由于采用了如上的技术方案，本发明通过对刃磨刀头的前角、后角、刀倾角、主偏角、后刀面的粗糙度、刀刃钝圆半径等参数的合理设计，使得经过本发明切削抛光出来的光学有机玻璃的极小残留切削厚度H_min≤(0.05～0.08)μm，表面粗糙度为R_a≤5～15nm，透光度达到≥95%以上，使光学有机玻璃达到镜面要求，达到透、光、亮的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是目前刀刃的残留切削厚度与刀刃钝圆半径的关系图，其中，图1a是两者关系示意图，图1b是工件在工作接触点的受力分析图。

图2是目前刀刃的刃磨纹理角的示意图。

图3是目前刀刃的后刀面工作时的结构示意图。

图4是本发明切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具的实施例1的结构示意图，其中，图4a为实施例1的正视图，图4b为实施例1的左视图，图4c为实施例1的俯视图，图4d为图4c的I处放大图。

图5是本发明切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具的实施例2的结构示意图。

图6是本发明切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具的实施例3的结构示意图，其中，图6a为实施例3的正视图，图6b为实施例3的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1

参见图1和图4所示的切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具，包括利用单晶金刚石制成的固定在刀柄100上的刃磨刀头200，本实施例为机械夹固式，刀柄100上开设有若干机械安装孔110。本实施例的刃磨刀头200的前角γ_o为5°～10°，后角α_o为5°～12°，刀倾角λ_s为10°～20°，主偏角К_r为10°～35°，后刀面的粗糙度≤15nm，刀刃钝圆半径ρ≤1μm。由背景技术的分析中已经得知极小残留切削厚度H_min=(0.08～0.05)ρ，所以当ρ≤1μm时，使得经过本发明切削抛光出来的光学有机玻璃的极小残留切削厚度H_min≤(0.05～0.08)μm，表面粗糙度为R_a≤5～15nm，透光度达到≥95%以上，使光学有机玻璃达到镜面要求，达到透、光、亮的效果。

而前角γ_o的大小主要影响切削抛光时切削变形和切削力的大小、切屑的形态、刀刃的强度和刀刃的锋利程度。综合考虑光学有机玻璃的物理力学性能和切削条件后，前角γ_o为5°～10°时对光学有机玻璃的切削抛光效果更加突出。

后角α_o的大小主要影响到后刀面210对已加工表面的摩擦、挤压，以及已加工表面质量和刀具的寿命，后角α_o为5°～12°时对光学有机玻璃的摩擦、挤压效果更加突出。

刃倾角λ_s的大小主要影响到刀刃的前角大小、刀刃的锋利程度、切削的平稳性和排屑的方向，切削抛光光学有机玻璃时将刃倾角λ_s设计成零度或正的刃倾角，其切削的平稳性和排屑效果更加突出。

主偏角К_r的大小主要影响到切削力的水平分力和径向分力的比例大小，以及散热面积的大小。由于主切削刃是圆弧R，因此切削刃上每一点的切线与V_f进给方向的夹角是变化的，即圆弧主刀刃上各点的主偏角是不相等的。

而由背景技术的分析中得知后刀面210的表面粗糙度大小将直接影响到光学有机玻璃表面的抛光效果，本实施例的后刀面的粗糙度≤15nm，能够使得切削抛光出来的光学有机玻璃达到镜面要求，达到透、光、亮的效果。

实施例2

参见图5所示，本实施例的与实施例1的结构大致相同，其区别在于本实施例为焊接式。

实施例3

参见图6所示，本实施例的与实施例1的结构大致相同，其区别在于本实施例为机夹可转位式。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具，包括利用单晶金刚石制成的固定在刀柄上的刃磨刀头，其特征在于，所述刃磨刀头的前角为5°～10°，后角为5°～12°，刀倾角为10°～20°，主偏角为10°～35°，后刀面的粗糙度≤15nm，刀刃钝圆半径≤1μm。

2.如权利要求1所述的切削抛光光学有机玻璃的单晶金刚石刀具，其特征在于，所述单晶金刚石刀具为机械夹固式、焊接式、机夹可转位式。