CN108890000A - 一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法与装置，属于微细加工和金刚石刀具制造与应用领域。本发明提供一个局部全密闭的加工环境，在该试验平台上，通过在可控的密闭环境中通入富碳气体，如CO₂或非富碳气体，如N₂，进行金刚石微铣刀的微铣削试验，然后对金刚石微铣刀的刃口进行观察测试。在气氛可控条件下，金刚石和工件材料发生化学反应的速率都明显降低，从而减缓刀具磨损并达到保持刃口锋利度的目的。本发明适用于金刚石微铣刀可加工的金属材料，如黑色金属、硬质合金、铜等或非金属固体材料，如陶瓷、普通玻璃等的任意形状微结构的加工，可有效地控制金刚石微铣刀的刃口锋利度，并提高微结构的加工表面质量。

Description

一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法与装置

技术领域

本发明涉及微细加工和金刚石刀具制造与应用领域，特别涉及一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法与装置。

背景技术

近年来微小型技术发展迅猛，精密仪器、航空航天、生物医疗以及数码摄影等领域对微小型产品的需求量逐年增加。微细铣削加工技术基于高效率、高柔性、可加工复杂三维形状与多种材料等特点，已成为这类微小结构和零件的主要加工方式。通过微细铣削尺寸效应和工艺的分析，发现硬质合金微铣刀在使用过程中刃口强度不足，难以保持应用初期的锋利刃口，刃口钝圆半径会迅速变大并与切削厚度相接近，微细铣削工作在严重的尺寸效应区，从而导致表面质量差、刀具易断裂等问题；且硬质合金微细铣刀不适用于难加工材料（如硬质合金、陶瓷等）的切削加工。而金刚石微铣刀具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量和低热膨胀系数等优点，在加工常见金属材料以及难加工材料方面都表现出极好的切削效果和刀具耐磨性。但研究发现金刚石刀具的磨损仍然无法避免，由于金刚石微铣刀直径较小（≤0.5 mm）在加工过程中同样会发生快速刃口磨钝现象，导致刃口钝圆半径增大、加工质量变差等问题。因此迫切需要减缓金刚石微铣刀快速磨损、保持其刃口锋利度的新技术，以提高刀具的耐用度和使用寿命，进而保证良好的切削加工效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法与装置，以解决金刚石微铣刀刃口易磨损、磨钝的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，其包括如下步骤：

步骤一：工件的预处理，首先对工件进行表面抛光处理，随后对所述工件进行清洗，去除所述工件表面的杂质及有机污渍；

步骤二：所述工件的装夹，将所述工件固定并装夹在精密微细铣床的工作台上，调节待加工工件的表面至其基本处于水平状态；

步骤三：金刚石微铣刀的装夹，根据所述金刚石微铣刀刀柄直径选用合适的弹簧夹头，将所述金刚石微铣刀安装到精密微细铣床的主轴上，并保证所述金刚石微铣刀处于悬伸状态，以确保金刚石微铣刀的刚度并减小加工振动；

步骤四：调节金刚石微铣刀和工件的相对位置，完成对刀，然后移动工作台使金刚石微铣刀处于工件表面上待加工区域的入口位置，并使金刚石微铣刀和工件处于局部密闭空间中；

步骤五：向局部密闭空间中充入保护气体，并控制保护气体的浓度；

步骤六：设置所述金刚石微铣刀微铣削加工工艺参数进行铣削实验，完成所需微结构完整加工。

进一步地，所述工件包括金属材料和非金属固体材料。

进一步地，所述金属材料为黑色金属、硬质合金或铜；所述非金属固体材料为陶瓷或普通玻璃。

进一步地，所述保护气体为富碳气体或非富碳气体；所述保护气体的浓度为0.0457~0.0478 mol/L。。

进一步地，所述富碳气体为CO₂或CH₄；所述非富碳气体为N₂或He。

进一步地，所述金刚石微铣刀的材料为聚晶金刚石或单晶金刚石，刀具直径为1mm及以下。

另一方面，本发明提供一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的装置，包括主轴、测力仪、精密微细铣床工作台、伸缩管套、透明窗和密封圈；

所述精密微细铣床工作台上由下向上依次设置有密封圈和透明窗；

所述主轴和透明窗之间设置有伸缩管套；

所述精密微细铣床工作台、透明窗、密封圈、伸缩管套和主轴之间围成局部密闭空间；

所述局部密闭空间中充有保护气体；

所述测力仪固定于精密微细铣床工作台上。

进一步的，所述局部密闭空间连接有气体流量计、压力表和溢流阀；

所述气体流量计连接有储气罐；

所述局部密闭空间的外部设置有CCD电子显微镜。

进一步的，所述保护气体为富碳气体或非富碳气体。

进一步的，所述富碳气体为CO₂或CH₄；所述非富碳气体为N₂或He。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明提供的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，该方法使金刚石微铣刀和工件处于局部密闭空间中，并向密闭空间中充入保护气体， 如果保护气体是富碳气体时，则富碳气体中的碳原子与金刚石微铣刀中的碳原子相比活性更高，易先与工件材料发生化学反应，增加了工件切削层中碳原子浓度，从而降低了金刚石微铣刀中的碳原子与工件的化学反应速率；如果保护气体是非富碳气体时，由于非富碳气体隔绝了金刚石微铣刀与周围环境中的氧气，从而达到减缓刀具磨损和保持刃口锋利度的目的；通过上述方法本发明可以有效降低金刚石微铣刀的刀刃磨损，在气氛可控条件下，使微小刃口能够较长时间的保持其初期原有的锋利度，延长金刚石微铣刀的寿命并降低生产成本；

（2）本发明提供的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，能够在一定程度上扩大加工时工艺参数的选择范围，并有效地减缓多种金属或非金属材料微细铣削中尺寸效应的发生，从而改善表面质量差、毛刺严重等现象，实现任意形状微结构的高质量、高性能的稳定加工；

（3）本发明提供的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的装置，可拆卸、易安装并能够循环使用，而且经济性较好、耗材和耗气量都较少，且局部全封闭空间密闭性强，能够实现密闭空间内部气体浓度的有效控制与调节，同时通过本发明提供的透明窗能够对加工过程进行实时观测。

附图说明

图1为本发明提供的金刚石微铣刀刃口锋利度保持装置示意图；

附图标记：1-储气罐，2-气体流量计，3-压力表，4-溢流阀，5-主轴，6-金刚石微铣刀，7-工件，8-测力仪，9-精密微细铣床工作台，10-伸缩管套，11-透明窗，12-密封圈，13-CCD电子显微镜。

具体实施方式

本发明提供一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法与装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解，此处所描述的具体实施方式是示例性的，仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面通过实施例，结合附图对本发明的具体技术方案作进一步的说明。

如图1所示，一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的装置，包括主轴5、测力仪8、精密微细铣床工作台9、伸缩管套10、透明窗11和密封圈12；

精密微细铣床工作台9由下向上依次设置有密封圈12和透明窗11；

主轴5和透明窗11之间设置有伸缩管套10；

精密微细铣床工作台9、密封圈12、透明窗11、伸缩管套10和主轴5之间围成局部密闭空间；

局部密闭空间中充有保护气体；

测力仪8固定于精密微细铣床工作台9上。

该装置还包括储气罐1、气体流量计2、压力表3、溢流阀4、和CCD电子显微镜13；

局部密闭空间连接有气体流量计2、压力表3和溢流阀4；

气体流量计2连接储气罐1；

局部密闭空间的外部设置有CCD电子显微镜13。

保护气体为富碳气体或非富碳气体。

富碳气体为CO₂或CH₄；所述非富碳气体为N₂或He。

该装置使用方法为：

将需要加工的工件7装夹在测力仪8上后，用平面度测量仪将工件7待加工表面调节至水平状态，然后将加工所需的金刚石微铣刀6装夹在主轴5上，通过CCD电子显微镜13来调整金刚石微铣刀6与工件7之间的位置关系，完成之后通过机床控制软件将工件7移至待加工微结构的起始位置；然后将CCD电子显微镜13移至其他位置，并安装其他装置，使金刚石微铣刀6和工件7处于局部密闭空间中，完成后，打开气体储气罐1开关，调节压力表3使局部密闭空间内气体的压力稳定在一定数值，设置微铣削加工工艺参数，完成蛇形槽微结构的加工。

为达到上述目的，本发明的实施例以TU1无氧铜为例，其氧和杂质含量极低。金刚石微铣刀直径为0.2mm，借助三轴精密微细铣床，采用CO₂气体保持金刚石微铣刀刃口锋利度的方法，具体地：

步骤一：工件的预处理，将工件表面先后用320#～2000#的水砂纸打磨，随后用1µm粒度的高效金刚石抛光剂抛光处理，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中进行超声清洗，去除工件表面的杂质及有机污渍；

步骤二：将工件固定并装夹在精密微细铣床工作台上，借助平面度测量仪，调节待加工工件的表面至其处于水平状态；然后使用直径为5 mm的商用两刃硬质合金螺旋立铣刀对工件表面进行铣平，获得更加平整的待加工表面；

步骤三：选用合适的弹簧夹头，将金刚石微铣刀安装到精密微细铣床的主轴上，并保证所述金刚石微铣刀处于悬伸状态，以确保金刚石微铣刀的刚度并减小加工振动；

步骤四：开启精密微细铣床相关设备，包括室外室内气源、主轴冷却装置和控制软件等，打开CCD显微镜，调节金刚石微铣刀和工件的相对位置，完成对刀，然后移动工作台使金刚石微铣刀处于工件表面上待加工区域的入口位置，安装本发明提供的上述局部全密闭加工环境相关装置，使金刚石微铣刀和工件处于局部密闭空间中；

步骤五：开启CO₂气体储气罐，通过压力表调节局部密闭空间保护气体的浓度，使其稳定在所需浓度值0.0457~0.0478 mol/L。；

步骤六：设置金刚石刀具微铣削试验的加工参数，完成槽宽为0.2mm的蛇形槽微结构完整加工，微铣削试验加工参数主要包括主轴转速、进给速度和轴向切深，其中主轴转速为20000r/min、进给速度为1mm/s，轴向切深为4µm；

步骤七：试验结束后，关闭保护气体储气罐，拆卸相关装置；然后退刀，关闭主轴、电源和控制软件等；

步骤八：拆卸刀具和工件，并采用相关设备观测金刚石刀具刃口钝圆半径变化情况和刀具磨损情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，其特征在于,其包括如下步骤：

步骤一：工件的预处理，首先对所述工件进行表面抛光处理，随后对所述工件进行清洗，去除所述工件表面的杂质及有机污渍；

步骤二：所述工件的装夹，将所述工件固定并装夹在精密微细铣床的工作台上，调节待加工工件的表面至其处于水平状态；

步骤三：金刚石微铣刀的装夹，将所述金刚石微铣刀安装到所述精密微细铣床的主轴上，并保证所述金刚石微铣刀处于悬伸状态；

步骤四：调节所述金刚石微铣刀和工件的相对位置，完成对刀，然后移动工作台使所述金刚石微铣刀处于工件表面上待加工区域的入口位置，并使金刚石微铣刀和工件处于局部密闭空间中；

步骤五：向局部密闭空间中充入保护气体，并控制保护气体的浓度；

步骤六：设置所述金刚石微铣刀微铣削加工工艺参数进行铣削实验，完成所需微结构完整加工。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，其特征在于，所述工件包括金属材料和非金属固体材料。

3.根据权利要求2所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，其特征在于，所述金属材料为黑色金属、硬质合金或铜；所述非金属固体材料为陶瓷或普通玻璃。

4.根据权利要求3所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，其特征在于，所述保护气体为富碳气体或非富碳气体；所述保护气体的浓度为0.0457~0.0478 mol/L。

5.根据权利要求4所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，其特征在于，所述富碳气体为CO₂或CH₄；所述非富碳气体为N₂或He。

6.根据权利要求5所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的方法，其特征在于，所述金刚石微铣刀的材料为聚晶金刚石或单晶金刚石，刀具直径为1mm及以下。

7.一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的装置，其特征在于，包括主轴（5）、测力仪（8）、精密微细铣床工作台（9）、伸缩管套（10）、透明窗（11）和密封圈（12）；

所述精密微细铣床工作台（9）上由下向上依次设置有密封圈（12）和透明窗（11）；

所述主轴（5）和透明窗（11）之间设置有伸缩管套（10）；

所述精密微细铣床工作台（9）、密封圈（12）、透明窗（11）、伸缩管套（10）和主轴（5）之间围成局部密闭空间；

所述局部密闭空间中充有保护气体；

所述测力仪（8）固定于精密微细铣床工作台（9）上。

8.根据权利要求7所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的装置，其特征在于，所述局部密闭空间连接有气体流量计（2）、压力表（3）和溢流阀（4）；

所述气体流量计（2）连接有储气罐（1）；

所述局部密闭空间的外部设置有CCD电子显微镜（13）。

9.根据权利要求8所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的装置，其特征在于，所述保护气体为富碳气体或非富碳气体。

10.根据权利要求9所述的一种金刚石微铣刀刃口锋利度保持的装置，其特征在于，所述富碳气体为CO₂或CH₄；所述非富碳气体为N₂或He。