CN115890355A - 碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，该方法包括如下步骤：采用水溶性磨削液，并采用树脂砂轮对工件进行预设磨削参数及磨削路径下的半精密磨削加工；采用油性磨削液，并采用细陶瓷砂轮对工件进行预设磨削参数及磨削路径下的精密磨削加工；对精密磨削加工后的工件进行超精密磨削加工，通过轮廓仪测试工件面型精度PV≤0.2μm，通过干涉仪测量工件表面粗糙度Ra≤5nm，中频≤35nm，使用显微镜观察工件表面磨削纹路呈现规则均匀的网格状。本发明采用半精密磨削‑精密磨削‑超精密磨削加工流程，在工件磨削加工过程中降低砂轮磨损，工件表面均匀性好，无凹坑凸起微裂纹等加工缺陷，可广泛应用在超精密磨削加工领域。

Description

碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法

技术领域

本发明属于超精密磨削技术领域，尤其涉及一种碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法。

背景技术

自由曲面透镜的特点是曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。采用自由曲面技术设计的光学系统，可消除球差、慧差、像散、场曲，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性，可广泛应用于各种军用产品、现代光电子产品、数码影像产品、安防监控、车载镜头、智能手机、激光显示、光通讯等行业；而用于批量非球面透镜模压生产的超精密磨削加工技术是当今世界光学领域一项用途十分广泛的、快速发展的高新技术。

由于玻璃模压环境温度高达700°，为保证产品的精度，只能采用耐高温热变形极小的碳化钨或碳化硅等超硬合金模具，而这种模具超精密加工的难点在于：材料是硬质合金，形状是非球面，尺度很小，在几十微米到几毫米之间，工精度要求很高，面形精度要求PV做到200nm以下，表面粗糙度要求达到纳米级；所用设备为具备纳米级分辨率的磨床，加工环境要求恒温恒湿净化；加工空间十分狭小，散热条件差；砂轮直径很小，刚度低，容易引起变形进而影响加工精度，要达到一定的线速度要求，必须使砂轮高速旋转，转速达到40000-10000r/min。就磨削发展的方向而言，精度是从普通到精密再到超精密再到纳米级精度发展，效率是从普通到高效率发展，形状是从规则的圆柱面、平面到球面、非球面、自由曲面发展，尺度是从常规尺度到极小极大制造方向发展，材料是从金属材料到硬脆材料方向发展。小口径非球面模具磨削集中了这些发展方向的所有特点：高精度、高速、非球面、极小制造及硬脆材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，该方法包括如下步骤：

1)磨削加工前的准备工作：将力学性能符合使用要求的烧结碳化钨或碳化硅加工至毛坯形状，经过轮廓仪测量面型误差PV要求小于20um；确保超精密加工磨床工作特性正常，并置于预设恒温、恒湿、十万级洁净室及防震地基要求的超精密磨削加工实验室内，开机空运行至机床达到热稳定；将碳化钨或碳化硅工件安装在0.0005μm平面度及平行度要求的工装夹具上，再将夹具安装在超精密加工磨床主轴的真空吸盘上，调整碳化钨或碳化硅工件的同心度误差使其达到0.5um以内；将砂轮安装在超精密加工磨床磨削轴上，调整高精度磨削轴的动平衡达到10nm以内，在满足加工条件下完成对刀；

上述超精密磨削加工实验室的温度控制在22±0.3℃，水温控制在22±0.1℃，压缩空气温度控制在22±0.1℃，压缩空气含油量控制在0.01mg/m³，湿度控制在45±10％，振动加速度水平方向控制在0.005m/s2，振动加速度垂直方向控制在0.01m/s2，震动频率10Hz以下振幅＜1μm；

上述超精密加工磨床是具有Z轴、X轴、B轴、磨削轴、Y轴和主轴的超精密机床；

上述碳化钨或碳化硅工件是口径在100mm以内的自由曲面模具；

2)碳化钨或碳化硅工件的半精密磨削加工：磨削过程持续开启磨削液，采用水溶性磨削液，并采用直径为1-20mm、粒度为800#的圆柱形树脂砂轮对碳化钨或碳化硅工件进行预设磨削参数及磨削路径下的半精密磨削加工，所述预设磨削参数包括磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度及磨削次数，所述磨削路径通过综合考虑所述轮廓仪测量结果、磨削参数和砂轮参数生成，所述半精密磨削加工包括加工自由曲面表面、定位回转中心(定位基准点)、轮廓仪离线测量和面型补偿；加工完成后关闭磨削轴及超精密加工磨床，卸下工装夹具并通过轮廓仪测量碳化钨或碳化硅工件面型精度PV达到1um以下，若不满足则重复步骤2)；

上述半精密磨削加工采用非球面磨削，磨削轨迹为近螺旋轨迹；

上述半精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝2-10um，F＝1-5mm/min，L＝5-20，其中D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数；

3)对超精密加工磨床砥石震动进行调试使其动平衡控制到10nm以内，对超精密加工的主轴转速进行调整，磨削轴的当前转速为定量，通过计算主轴和磨削轴旋转产生的痕迹进行预加工，然后观察预加工工件表面磨削痕迹，当磨削痕迹呈现交叉形状后达到要求，此步骤主要是降低工件表面中频；

4)碳化钨或碳化硅工件的精密磨削加工：磨削过程持续开启磨削液，采用油性磨削液，并采用直径为1-20mm、粒度为12000#的圆柱形细陶瓷砂轮，砂轮接触点修整为R≈20μm的圆弧，将磨削轴震动调到10nm以内，对半精密磨削加工后的工件进行预设磨削参数及磨削路径下的精密磨削加工，显微镜观察磨削后的工件刀痕，计算线速度调整主轴转速，所述预设磨削参数包括磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度、工件转速及磨削次数，所述磨削路径考虑砂轮接触点圆弧半径、砂轮非线性磨损数据和磨削后表面纹路，所述精密磨削加工包括修整砂轮、自由曲面表面磨削、离线精度检测、装夹同心度(定位精度)和面型补偿；

上述精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝1-5um，F＝0.5-2mm/min，L＝1-10，其中D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数；

5)测量后进行超精密磨削加工：磨削轴及超精密磨床持续空运转，卸下工装夹具，通过轮廓仪测试工件面型精度PV，通过干涉仪测量工件表面粗糙度Ra，根据面型精度PV对加工程序进行砂轮的补偿修正，根据表面粗糙度Ra对进给量和进给速度进行修正；磨削过程持续开启磨削液，采用油性磨削液，并采用直径为1-20mm、粒度为12000#的圆柱形细陶瓷砂轮，对精密磨削加工后的工件进行超精密磨削加工，如超精密磨削加工后通过轮廓仪测试工件面型精度PV≤0.2μm，通过干涉仪测量工件表面粗糙度Ra≤5nm，中频≤35nm，使用显微镜观察工件表面磨削纹路呈现规则均匀的网格状，则合格，如不满足，则重复进行超精密磨削加工，直到满足要求为止。

上述超精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝0.1-1um，F＝0.1-1mm/min，L＝1-5，其中D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数。

本发明的有益效果是：采用半精密磨削加工-精密磨削加工-超精密磨削加工流程，采用水溶性磨削液和树脂砂轮以及油性磨削液和细陶瓷砂轮，在碳化钨或碳化硅工件磨削加工过程中降低砂轮磨损，提高加工稳定性，提高工件精度，且工件表面均匀性好，无凹坑凸起微裂纹等加工缺陷；通过轮廓仪和显微镜等离线检测实现超高精度加工，在加工过程中工件表面均匀性优秀，可得到轮廓精度PV小于0.2μm，表面粗糙度Ra小于3nm，表面中频＜35nm的工件，本发明方法可广泛应用在超精密磨削加工领域。

附图说明

图1是本发明实施例的超精密加工磨床的结构示意图。

图2是本发明实施例超精密磨削加工后的面型数据图。

图3是本发明实施例超精密磨削加工后的表面粗糙度图。

图4是本发明实施例超精密磨削加工后的表面纹路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方法和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例：碳化钨自由曲面模具的超精密磨削加工

1)磨削加工前的准备工作：将力学性能符合使用要求的烧结碳化钨材料加工至毛坯形状，经轮廓仪测量面型误差PV小于20um；

确保超精密加工磨床工作特性正常，并置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工实验室内48小时以上，待机预热至机床达到热稳定，本实施例的超精密加工实验室中设定恒温控制在22±0.3℃，水温控制在22±0.1℃，压缩空气温度控制在22±0.1℃，压缩空气含油量控制在0.01mg/m³，湿度控制在45±10％，振动加速度水平方向控制在0.005m/s2，振动加速度垂直方向控制在0.01m/s2，震动频率10Hz以下振幅＜1μm；确保具有X轴7、Y轴2、Z轴1、磨削轴5、主轴3、B轴6的超精密加工磨床的各个轴系工作特性正常，如图1所示；

将碳化钨工件安装在对应的工装夹具上，再将夹具安装在超精密加工磨床中主轴3的真空吸盘上，通过调整碳化钨工件的同心度误差使其到0.2um以内；将800#圆柱形树脂砂轮4安装在超精密加工磨床磨削轴5上，调整高精度磨削轴的动平衡达到10nm以内，在满足加工条件下完成对刀；

2)碳化钨工件的半精密磨削加工：磨削过程持续开启磨削液，采用水溶性磨削液，并采用直径为10mm、800#圆柱形树脂砂轮4对碳化钨工件进行预设磨削参数及磨削路径下的半精密磨削加工，半精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝2um，F＝2mm/min，L＝6，其中，D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数；

3)对超精密加工机床砥石震动进行调试使其动平衡控制到10nm以内，对超精密加工的主轴转速进行调整，根据切削轴的当前转速为定量，通过计算主轴和工件轴旋转产生的痕迹进行预加工，然后观察预加工工件表面磨削痕迹，磨削痕迹呈现交叉形状，并且加工后表面粗糙度≈3nm，可以进行精密加工；

4)碳化钨工件的精密磨削加工：磨削过程持续开启磨削液，采用油性磨削液，并采用直径为10mm、12000#的圆柱形细陶瓷砂轮，砂轮接触点修整为R≈20μm的圆弧，将磨削轴震动调到9nm，对半精密磨削加工后的工件进行预设磨削参数及磨削路径下的精密磨削加工，显微镜观察磨削后的工件刀痕，计算线速度调整主轴转速，所述磨削路径考虑砂轮接触点圆弧半径、砂轮非线性磨损数据、磨削后表面纹路，所述预设磨削参数包括磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度、工件转速及磨削次数，所述超精磨磨削加工包括修整砂轮、自由曲面表面磨削、离线精度检测、装夹同心度、面型补偿，精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝1um，F＝0.5mm/min，L＝3，其中，D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数；

5)碳化钨工件的超精密磨削加工：磨削轴及超精密磨床持续空运转，卸下工装夹具并通过轮廓仪测试工件面型精度PV，通过干涉仪测量工件表面粗糙度Ra；根据轮廓仪实测结果对加工程序进行砂轮的补偿修正，根据干涉仪的测量结果对进给量和进给速度进行修正；磨削过程持续开启磨削液，采用油性磨削液，并采用直径为10mm、粒度为12000#的圆柱形细陶瓷砂轮，进行超精密磨削加工，超精密磨削的磨削参数设置为：D＝0.5um，F＝0.3mm/min，L＝3，其中D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环次数；

取下工件通过轮廓仪、白光干涉仪离线测量，面型精度PV＝0.1μm、表面粗糙度Ra＝2.85nm、中频＝32nm，再使用显微镜观察磨削纹路呈现规则均匀的网格状，无凹坑和微裂纹等加工缺陷，如图2-4所示。

Claims (10)

1.碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)采用水溶性磨削液，并采用树脂砂轮对碳化钨或碳化硅工件进行预设磨削参数及磨削路径下的半精密磨削加工；关闭磨削轴及超精密加工磨床，卸下工装夹具并通过轮廓仪测量碳化钨或碳化硅工件面型精度PV达到1um以下，若不满足则重复步骤1)；

所述半精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝2-10um，F＝1-5mm/min,L＝5-20，其中D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数；

2)采用油性磨削液，并采用细陶瓷砂轮对半精密磨削加工后的工件进行预设磨削参数及磨削路径下的精密磨削加工；

所述精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝1-5um，F＝0.5-2mm/min，L＝1-10，其中D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数；

3)通过轮廓仪测试工件面型精度PV，通过干涉仪测量工件表面粗糙度Ra，根据面型精度PV对加工程序进行砂轮的补偿修正，根据表面粗糙度Ra对进给量和进给速度进行修正；采用油性磨削液，并采用细陶瓷砂轮对精密磨削加工后的工件进行超精密磨削加工，如超精密磨削加工后通过轮廓仪测试工件面型精度PV≤0.2μm，通过干涉仪测量工件表面粗糙度Ra≤5nm，中频≤35nm，使用显微镜观察工件表面磨削纹路呈现规则均匀的网格状，则合格，若不满足则重复步骤3)，直到满足要求为止。

2.如权利要求1所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，所述步骤1)前还有步骤：将力学性能符合使用要求的烧结碳化钨或碳化硅加工至毛坯形状，经过轮廓仪测量面型误差PV要求小于20um；将超精密加工磨床工作置于预设恒温、恒湿、十万级洁净室及防震地基要求的超精密磨削加工实验室内，开机空运行至机床达到热稳定；将碳化钨或碳化硅工件安装在工装夹具上，再将夹具安装在超精密加工磨床主轴(3)的真空吸盘上，调整碳化钨或碳化硅工件的同心度误差使其达到0.5um以内；将砂轮安装在超精密加工磨床磨削轴(5)上，调整高精度磨削轴的动平衡达到10nm以内，在满足加工条件下完成对刀。

3.如权利要求2所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，所述超精密磨削加工实验室的温度控制在22±0.3℃，水温控制在22±0.1℃，压缩空气温度控制在22±0.1℃，压缩空气含油量控制在0.01mg/m³，湿度控制在45±10％，振动加速度水平方向控制在0.005m/s²，振动加速度垂直方向控制在0.01m/s²，震动频率10Hz以下振幅＜1μm；所述超精密加工磨床具有Z轴(1)、X轴(7)、B轴(6)、磨削轴(5)、Y轴(2)和主轴(3)。

4.如权利要求2所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，所述碳化钨或碳化硅工件是口径在100mm以内的自由曲面模具。

5.如权利要求1所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，步骤1)所述半精密磨削加工采用非球面磨削，磨削轨迹为近螺旋轨迹；所述树脂砂轮采用直径为1-20mm、粒度为800#的圆柱形树脂砂轮。

6.如权利要求1所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，步骤1)所述预设磨削参数包括磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度及磨削次数，所述磨削路径通过轮廓仪测量结果、磨削参数和砂轮参数生成，所述半精密磨削加工包括加工自由曲面表面、定位回转中心、轮廓仪离线测量和面型补偿。

7.如权利要求1所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，所述步骤1)后还有步骤：对超精密加工磨床砥石震动进行调试使其动平衡控制到10nm以内，对主轴转速进行调整，磨削轴的当前转速为定量，通过计算主轴和磨削轴旋转产生的痕迹进行预加工，然后观察工件表面磨削痕迹，当磨削痕迹呈现交叉形状后达到要求。

8.如权利要求1所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，所述步骤2)砂轮接触点修整为R≈20μm的圆弧，将磨削轴震动调到10nm以内，显微镜观察磨削后的工件刀痕，计算线速度调整主轴转速，所述预设磨削参数包括磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度、工件转速及磨削次数，所述磨削路径考虑砂轮接触点圆弧半径、砂轮非线性磨损数据和磨削后表面纹路，所述精磨磨削加工包括修整砂轮、自由曲面表面磨削、离线精度检测、装夹同心度和面型补偿。

9.如权利要求1所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，步骤2)和步骤3)所述细陶瓷砂轮采用直径为1-20mm、粒度为12000#的圆柱形细陶瓷砂轮。

10.如权利要求1所述的碳化钨或碳化硅工件表面的超精密磨削方法，其特征在于，步骤3)所述超精密磨削加工的磨削参数设置为：D＝0.1-1um，F＝0.1-1mm/min，L＝1-5，其中D为磨削深度，F为工件进给速度，L为循环圈数。

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