CN114714158B - 一种pcd微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法。所述方法包括以下步骤：根据所需加工的微槽阵列的角度α，利用放电成型精度补偿模型获取砂轮所需尖端角度α₀并对砂轮进行修整；将修整后尖端角度为α₀的砂轮和电极分别固定在机床的砂轮轴和工作台上，并以正极性方式构成放电回路，设置开路电压V和限制电流I；进行脉冲放电辅助磨削，以循环进给的方式在PCD工件表面加工微槽阵列。本发明实现了对PCD微槽阵列的脉冲放电辅助磨削加工，降低生产成本，提高了加工质量和效率。

Description

一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法

技术领域

本发明涉及PCD脉冲放电辅助磨削加工、微结构成型技术领域，具体涉及一种PCD微脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法。

背景技术

微结构表面以其独特的功能特性如超疏水、减阻、耐摩等给材料带来更高的附加值，而PCD以其优异的材料特性常被应用于抛光磨料和镀膜材料，因此，带有功能结构表面的PCD可以应用于模压成型和精密加工刀具镀层等多领域，具有很大的实际应用价值。但是，常规的机械加工主要是磨削加工，可以通过修整砂轮角度实现微槽阵列加工，但是砂轮磨损严重，需要频繁修整，加工精度不足、加工效率低和加工成本高。此外，PCD的电火花加工和激光加工技术可以实现高效率加工。但是激光加工技术在尺寸精度和重复精度等方面存在不足，而电火花磨削加工以整个电极为刀具，在进行微结构加工时，电极损耗严重，极大影响了加工精度。

为解决上述问题，现有技术中公开了一种PCD复合片的铁粉辅助电火花磨平加工装置及方法。然而，该专利所述电极为空心紫铜棒电极，在加工微沟槽等三维结构时，需要对电极进行修整，加工过程中损耗严重，精度无法保证，此外，需要加工液混入500-700目铁粉以40g/L增加导电率，增加了成本。

发明内容

本发明的目的在于克服PCD表面微结构加工难度大、电极磨损严重和加工需求高的缺点，首先采用弹性石墨刷+砂轮的干放电磨削方式避免了电极磨损严重和加工液的使用，并采用补偿的思维，提出一种放电成型精度补偿模型，计算出脉冲放电辅助磨削微结构的实际成型角度，对砂轮角度进行对应修整，实现PCD表面微结构的加工，从而较大幅度的降低生产成本和设备需求，提高加工质量和效率。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，包括以下步骤：

S1、根据所需加工的微槽阵列的角度α，利用放电成型精度补偿模型获取砂轮所需尖端角度α₀并对砂轮进行修整；

S2、将修整后尖端角度为α₀的砂轮和电极分别固定在机床的砂轮轴和工作台上，并以正极性方式构成放电回路，设置开路电压V和限制电流I；

S3、进行脉冲放电辅助磨削，以循环进给的方式在PCD工件表面加工微槽阵列。

进一步地，脉冲放电辅助磨削过程中，砂轮尖端会随累计磨削深度的增加而出现磨损发生钝化，尖端圆弧半径增大，而微槽侧面材料的放电去除量相应增加，导致复刻在PCD工件上的微槽角度出现偏差，因此需要对砂轮角度进行补偿计算来实现所需要尺寸的微槽加工。步骤S1中，放电成型精度角度补偿模型具体如下：

α₀＝α-0.351×V^1.4942×I^0.1767×α^-0.6504×c_f×k_f

式中，α为PCD工件表面上需要加工的微槽阵列的角度；V和I分别是PCD工件负极与砂轮正极间的开路电压和电源模式恒压模式转化为恒流模式的限制电流阈值；α₀为修整后的砂轮的尖端角度；c_f为砂轮的目数的补偿系数；k_f为当前实际加工条件与求得放电成型精度补偿模型的实验条件不符时的修正系数。

进一步地，步骤S2中，所设定的开路电压V和限制电流I生成的放电能量需要击穿放电间隙并产生电火花，原因在于使PCD表面金刚石颗粒发生石墨化，加速其与金属材料的砂轮机械去除。

实验发现低于60V的电压不足以击穿放电间隙产生火花，进行脉冲放电辅助加工。高于80V的电压会导致砂轮结合剂的快速去除并破坏微槽的成型，在此加工条件下，微槽表面同样被严重破坏。以正极性方式构成放电回路，具体如下：

从电源正极开始，依次接入电压传感器正极、电流传感器正极、石墨刷和砂轮；电源负极依次接入电压传感器负极、电流传感器负极和PCD工件，PCD工件与工作台作绝缘处理后构成放电回路；同时将电压传感器、电流传感器接入示波器；

设置开路电压V和限制电流I并分别稳定在60V-80V和0.01A-0.1A范围内。

进一步地，步骤S3中，以循环进给的方式在PCD工件表面加工微槽阵列，具体如下：

微槽阵列包括多条微槽，以第一条微槽的加工起点为原点，以微槽长度方向为X轴正方向，以微槽深度方向为Y轴负方向，以微槽加工间隔方向为Z轴正方向，在PCD工件表面建立坐标轴。

对于第一条微槽，将砂轮置于加工当前微槽的起点，以逆磨方式沿X轴作正方向进给，当完成本次进给后，砂轮返回加工当前微槽的起点，沿Y轴作负方向进给，进行下一次进给加工，直至完成当前微槽的深度h的加工后，返回加工当前微槽的起点并沿Z轴正向移动加工间隔w后继续加工下一条微槽，依次循环完成PCD工件表面上的微槽阵列中全部微槽的加工，最终在PCD工件表面获得微槽阵列。

砂轮反转原因在于降低砂轮尖端磨损并减少刀具振动，并设计单向径向进给运动，保证磨削深度由小变大，并使产生的电火花和切屑远离已加工表面，避免影响加工质量。

进一步地，微槽的加工间隔w具体如下：

w＝2htan(α/2)

其中，h为PCD工件表面上的微槽阵列中的微槽的深度，h的取值为30-300μm，α的取值为60-150°。

进一步地，砂轮为金属基金刚石砂轮，当砂轮的目数为140#～600#，砂轮转速n为1000～5000rpm，进给速度v_f为100-800μm/s，进给量f为0.001mm～0.01mm；

当砂轮的目数为140#～269#时，c_f＝0.9；

当砂轮的目数为270#～324#时，c_f＝1；

当砂轮的目数为325#～600#时，c_f＝1.05。

进一步地，步骤S1中，修整后砂轮尖端的圆弧半径为1.5-2.5μm。

进一步地，进行磨削加工时，当PCD工件的材料理论去除量达到0.02-0.03mm³时，需要重新对砂轮的尖端进行修整至尖端角度为α₀。

进一步地，PCD工件的材料为粒度范围为10-50μm的混合粒度PCD。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

选用金刚石砂轮作为加工工具，石墨作为损耗电极，相比采用工具电极需要进行修型和加工间隙填充导电性粉末等过程，简化加工工艺，降低加工要求。

实现整块而非复合片的聚晶金刚石表面微槽阵列的放电辅助加工，对于加工精度给出工艺参数的优化参考。

附图说明

图1为本发明实施例中脉冲放电辅助磨削加工PCD表面的装置示意图。

图2为本发明实施例中脉冲放电辅助磨削角度去除对微槽成型尺寸影响的示意图。

图3为本发明实施例中脉冲放电辅助磨削角度去除对微槽成型尺寸影响的示意图的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于此。

实施例1：

本实施例中，目标为获取在开路电压为60V、限制电流为0.01A的条件下，在PCD表面放电辅助磨削加工出123°和0.150mm的微槽，表1为本实施例所需砂轮1的技术指标。

表1

如图2和图3所示，接下来将相关参数代入放电成型精度补偿模型中，

α₀＝α-0.351×V^1.4942×I^0.1767×α^-0.6504×c_f×k_f

由于砂轮1的目数为320#，所以取c_f＝1.05.k_f与加工的工作状况有关，取k_f＝1。计算在该条件下，脉冲放电辅助磨削加工PCD表面微槽的砂轮1角度为119.759°。

接着，按照所需加工的微槽阵列3的角度α和深度h，计算加工间隔w：

w＝2htan(α/2)

计算加工间隔为w为0.553mm。

实际加工中，一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法包括以下步骤：

步骤1、通过上述各项参数计算出该微槽尺寸下的砂轮尖端角度，确定砂轮尖端角度α₀＝119.759°；

步骤2、编制尖端角度为α₀的砂轮修整程序后，利用80#油石对320#砂轮1进行粗加工修形，然后用600#油石进行尖端角度的精加工修整；

步骤3、如图1所示，利用夹具将待加工的10mm×10mm×3mm的长方体PCD工件4装夹，程序绝缘膜以磁吸的方式放置于CNC精密磨床(SMART B818)上，连接放电回路，将石墨刷2作为正电极装夹在砂轮1上，导线接夹具作负电极，接着电压传感器6并联接电源5正负极，电流传感器8串联接入回路，并将电压传感器6和电流传感器8与示波器7连接，在开启各装置后，将电源5和示波器7与电脑控制软件进行通信。

步骤4、设定开路电压值为60V，限制电流值为0.01A后，使用实施例1所述砂轮对PCD工件4进行加工，砂轮转速n＝1500rpm，进给速度v_f＝100mm/min，进给量为0.001mm，Y方向进给量每达到0.05mm后，进行砂轮1修整操作。

在完成上述脉冲放电辅助磨削加工后，得到表面带有微槽的PCD工件4。表2为本实施例中目标微槽加工的技术指标。

表2

本实施例中，预先设计了一个PCD表面微槽的角度，通过经验公式的计算，计算出在参数下脉冲放电辅助磨削加工所需要的砂轮1尖端角度，利用油石对砂轮1进行修整。利用修正后的砂轮1对PCD工件4进行脉冲放电辅助磨削加工，最后通过白光干涉仪对PCD工件4进行轮廓检测，其表面微槽阵列3中的微槽角度为123.2°，深度为0.144mm，对比实际尺寸检测结果与设计尺寸发现该加工方法是正确和可行的。

实施例2：

本实施例中，目标为获取在开路电压为70V、限制电流为0.1A的条件下，在PCD表面放电辅助磨削加工出126°和0.150mm的微槽，表3为本实施例所需砂轮1的技术指标。

表3

接下来将相关参数代入权利要求2所述的放电成型精度补偿模型中，

α₀＝α-0.351×V^1.4942×I^0.1767×α^-0.6504×c_f×k_f

由于砂轮1的目数为270#，所以取c_f＝1.k_f与加工的工作状况有关，取k_f＝1。计算在该条件下，脉冲放电辅助磨削加工PCD表面微槽的砂轮角度为120.253°。

接着，按照所需加工的微槽阵列3的角度α和深度h，计算加工间隔w：

w＝2htan(α/2)

计算加工间隔为w为0.589mm。

实际加工中，包括步骤：

步骤1、通过上述各项参数计算出该微槽尺寸下的砂轮1尖端角度，确定砂轮1尖端角度α₀＝120.253°。

步骤2、编制尖端角度为α₀的砂轮1修整程序后，利用80#油石对270#砂轮1进行粗加工修形，然后用600#油石进行尖端角度的精加工修整。

步骤3、利用夹具将待加工的10mm×10mm×3mm的长方体PCD工件4装夹，程序绝缘膜以磁吸的方式放置于CNC精密磨床(SMART B818)上，连接放电回路，将石墨刷2作为正电极装夹在砂轮1上，导线接夹具作负电极，接着电压传感器6并联接电源5正负极，电流传感器8串联接入回路，并将电压传感器6和电流传感器8与示波器7连接，在开启各装置后，将电源5和示波器7与电脑控制软件进行通信。

步骤4、设定开路电压值为70V，限制电流值为0.1A后，使用对PCD工件4进行加工，砂轮转速n＝1500rpm，进给速度v_f＝100mm/min，进给量为0.001mm，Y方向进给量每达到0.05mm后，进行砂轮1修整操作。

在完成上述脉冲放电辅助磨削加工后，得到表面带有微槽的PCD工件4。表4为本实施例中目标微槽加工的技术指标。

表4

上述实施例中，预先设计了一个PCD表面微槽的角度，通过经验公式的计算，计算出在参数下脉冲放电辅助磨削加工所需要的砂轮1尖端角度，利用油石对砂轮1进行修整。利用修正后的砂轮1对PCD工件4进行脉冲放电辅助磨削加工，最后通过白光干涉仪对PCD工件4进行轮廓检测，其表面微槽阵列3中的微槽角度为126.3°，深度为0.147mm，对比实际尺寸检测结果与设计尺寸发现该加工方法是正确和可行的。

实施例3：

本实施例中，目标为获取在开路电压为60V、限制电流为0.05A的条件下，在PCD表面放电辅助磨削加工出126°和0.150mm的微槽，表5为本实施例所需砂轮的技术指标。

表5

接下来将相关参数代入权利要求2所述的放电成型精度补偿模型中，

α₀＝α-0.351×V^1.4942×I^0.1767×α^-0.6504×c_f×k_f

由于砂轮1的目数为140#，所以取c_f＝0.9。k_f与加工的工作状况有关，取k_f＝1。计算在该条件下，脉冲放电辅助磨削加工PCD面微槽的砂轮1角度为122.365°。

接着，按照所需加工的微槽阵列3角度α₀和深度h₀，计算加工间隔w：

w＝2htan(α/2)

计算加工间隔为w为0.589mm。

实际加工中，包括步骤：

步骤1、通过上述各项参数计算出该微槽尺寸下的砂轮1尖端角度，确定砂轮1尖端角度α₀＝122.365°。

步骤2、编制尖端角度为α₀的砂轮1修整程序后，利用80#油石对140#砂轮1进行粗加工修形，然后用320#油石进行尖端角度的精加工修整。

步骤3、利用夹具将待加工的10mm×10mm×3mm的长方体PCD工件4装夹，程序绝缘膜以磁吸的方式放置于CNC精密磨床(SMART B818)上，连接放电回路，将石墨刷2作为正电极装夹在砂轮上，导线接夹具作负电极，接着电压传感器6并联接电源5正负极，电流传感器8串联接入回路，并将压传感器6和电流传感器8与示波器7连接，在开启各装置后，将电源5和示波器7与电脑控制软件进行通信。

步骤4、设定开路电压值为60V，限制电流值为0.05A后，使用砂轮1对PCD工件4进行加工，砂轮转速n＝1500rpm，进给速度v_f＝100mm/min，进给量为0.001mm，Y方向进给量每达到0.05mm后，进行砂轮1修整操作。

在完成上述脉冲放电辅助磨削加工后，得到表面带有微槽的PCD工件4。表6为本实施例中目标微槽加工的技术指标。

表6

本实施例中，预先设计了一个PCD表面微槽的角度，通过经验公式的计算，计算出在参数下脉冲放电辅助磨削加工所需要的砂轮1尖端角度，利用油石对砂轮1进行修整。利用修正后的砂轮1对PCD工件4进行脉冲放电辅助磨削加工，最后通过白光干涉仪对PCD工件4进行轮廓检测，其表面微槽阵列3中的微槽角度为126.1°，深度为0.145mm，对比实际尺寸检测结果与设计尺寸发现该加工方法是正确和可行的。

上述为本发明较佳的实施方式和实施例，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据所需加工的微槽阵列(3)的角度α，利用放电成型精度补偿模型获取砂轮(1)所需尖端角度α₀并对砂轮(1)进行修整；放电成型精度角度补偿模型具体如下：

α₀＝α-0.351×V^1.4942×I^0.1767×α^-0.6504×c_f×k_f

式中，α为PCD工件(4)表面上需要加工的微槽阵列(3)的角度；V和I分别是PCD工件(4)负极与砂轮(1)正极间的开路电压和电源模式恒压模式转化为恒流模式的限制电流阈值；α₀为修整后的砂轮(1)的尖端角度；c_f为砂轮(1)的目数的补偿系数；k_f为当前实际加工条件与求得放电成型精度补偿模型的实验条件不符时的修正系数；

S2、将修整后尖端角度为α₀的砂轮(1)和电极分别固定在机床的砂轮轴和工作台上，并以正极性方式构成放电回路，设置开路电压V和限制电流I；以正极性方式构成放电回路，具体如下：

从电源(5)正极开始，依次接入电压传感器(6)正极、电流传感器(8)正极、石墨刷(2)和砂轮(1)；电源(5)负极依次接入电压传感器(6)负极、电流传感器(8)负极和PCD工件(4)，PCD工件(4)与工作台作绝缘处理后构成放电回路；同时将电压传感器(6)、电流传感器(8)接入示波器(7)；

S3、进行脉冲放电辅助磨削，以循环进给的方式在PCD工件(4)表面加工微槽阵列。

2.根据权利要求1所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，步骤S2中，设置开路电压V和限制电流I并分别稳定在60V-80V和0.01A-0.1A范围内。

3.根据权利要求1所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，步骤S3中，微槽阵列(3)包括多条微槽，以第一条微槽的加工起点为原点，以微槽长度方向为X轴正方向，以微槽深度方向为Y轴负方向，以微槽加工间隔方向为Z轴正方向，在PCD工件(4)表面建立坐标轴。

4.根据权利要求1所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，步骤S3中，以循环进给的方式在PCD工件(4)表面加工微槽阵列(3)，具体如下：

对于第一条微槽，将砂轮(1)置于加工当前微槽的起点，以逆磨方式沿X轴作正方向进给，当完成本次进给后，砂轮(1)返回加工当前微槽的起点，沿Y轴作负方向进给，进行下一次进给加工，直至完成当前微槽的深度h的加工后，返回加工当前微槽的起点并沿Z轴正向移动加工间隔w后继续加工下一条微槽，依次循环完成PCD工件(4)表面上的微槽阵列(3)中全部微槽的加工，最终在PCD工件(4)表面获得微槽阵列(3)。

5.根据权利要求4所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，微槽的加工间隔w具体如下：

w＝2htan(α/2)

其中，h为PCD工件(4)表面上的微槽阵列(3)中的微槽的深度，h的取值为30-300μm，α的取值为60-150°。

6.根据权利要求1所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，砂轮(1)为金属基金刚石砂轮，当砂轮(1)的目数为140#～600#，砂轮转速n为1000～5000rpm，进给速度v_f为100-800μm/s，进给量f为0.001mm～0.01mm；

当砂轮(1)的目数为140#～269#时，c_f＝0.9；

当砂轮(1)的目数为270#～324#时，c_f＝1；

当砂轮(1)的目数为325#～600#时，c_f＝1.05。

7.根据权利要求1所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，步骤S1中，修整后砂轮(1)尖端的圆弧半径为1.5-2.5μm。

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，进行磨削加工时，当PCD工件(4)的材料理论去除量达到0.02-0.03mm³时，需要重新对砂轮(1)的尖端进行修整至尖端角度为α₀。

9.根据权利要求8所述的一种PCD微槽脉冲放电辅助磨削角度精度控制方法，其特征在于，PCD工件(4)的材料为粒度范围为10-50μm的混合粒度PCD。

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