CN117601016A - 一种微细磨削工具及超微细孔加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微细磨削工具及超微细孔加工方法，该微细磨削工具包括磨削工具主体，所述磨削工具主体的一端为圆柱状磨柄，所述磨削工具主体的另一端为磨头，所述磨头靠近所述磨柄的端部为锥形，所述磨头总长为30到50毫米，且所述磨头加工区直径为30到200微米。该超微细孔加工方法，通过超声辅助加工系统对微细磨削工具施加超声波振动，使磨削刀具作竖向超声振动，再与数控机床主轴的圆周进给运动复合，实现超声辅助铣磨加工，同时对工件进行多次啄钻，以在工件上加工出大深径比超微细孔，可提高大深径比超微细孔内壁加工质量与加工效率，降低大深径比超微细孔的加工难度，并提高磨削工具的加工寿命，以降低加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及超微细孔加工领域，具体涉及一种微细磨削工具及超微细孔加工方法。
背景技术
超微细孔尤其是大深径比超微细孔由于其特殊的结构特性，被广泛应用于各种领域中，例如，在生物医学领域，大深径比超微细孔可用于制造微型药物传送系统和生物传感器，进行精确的药物输送和、组织采样和生物分析；在微流控领域中，用于制造微型通道、微型阀门等，控制微流体的精确运动，从而进行传输和融合等；在航空航天领域中，超微细孔被用于提高航空发动机叶片的硬度和冷却效率等。其中，行业内将深径比值大于10且孔径小于0.3mm的孔定义为大深径比超微细孔。
目前，行业内大深径比超微细孔加工方法主要为激光束加工、离子束加工、电火花加工以及微细机械加工等。激光束加工和离子束加工能够实现亚微米级精度的大深径比超微细孔加工，但该加工方式加工的大深径比超微细孔锥度较大，且孔内壁表面质量较低，难以加工盲孔，不利于实现大深径比超微细孔功能，且加工成本较高，加工效率较低。对于电火花加工，由于工件与磨削工具间的间隔会影响放电效果，导致加工稳定性较差，加工质量较低，使大深径比超微细孔的加工难度较高。微细机械加工受制于磨削工具尺寸，若使用微细磨削工具(其中，行业内将直径小于200微米的磨削工具定义为微细磨削工具)加工易出现折断现象，并且接触式加工会产生较大的切削力与切削热，降低加工质量，存在磨削工具磨损较多等问题，加工成本较高，难以实现高表面质量和高形状精度的加工要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种微细磨削工具，其可提高大深径比超微细孔内壁加工质量与加工效率。
本发明的目的之二在于提供一种超微细孔加工方法，其能够减少大深径比超微细孔边缘崩边损伤，提高大深径比超微细孔内壁加工质量与加工效率，减少接触式加工产生的切屑力和切屑热，降低大深径比超微细孔的加工难度，并可减少磨削工具磨损，提高磨削工具的加工寿命，以降低加工成本。
本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
一种微细磨削工具，包括磨削工具主体，所述磨削工具主体的一端为圆柱状磨柄，所述磨削工具主体的另一端为磨头，所述磨头靠近所述磨柄的端部为锥形，所述磨头总长为30到50毫米，且所述磨头加工区直径为30到200微米，加工区长度为1到5毫米。
所述磨头上固定有磨粒，所述磨头上的磨粒的计量单位目粒度为800到3000目；所述磨粒的材质为金刚石或立方氮化硼，所述磨粒通过烧结固定在磨头上。
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
超微细孔加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：将如权利要求1所述微细磨削工具安装在数控机床的超声辅助加工系统上，并将工件装夹固定于数控机床的工作台上；
步骤S2：对所述微细磨削工具施加超声波振动，使微细磨削工具作竖向超声振动，再与数控机床的主轴的圆周进给运动复合，同时利用复合有竖向超声振动和圆周进给运动的微细磨削工具对工件进行多次啄钻，以在工件上加工出大深径比超微细孔。
进一步地，所述超声辅助加工系统包括超声波发生器、供电模块支架和超声刀柄；在步骤S1中，先将所述超声波发生器与供电模块支架连接，再将所述供电模块支架装夹于数控机床的主轴上，并将所述超声刀柄安装在主轴上，同时将所述供电模块支架与超声刀柄连接，再将所述微细磨削工具装夹于超声辅助加工系统的超声刀柄上。
进一步地，在步骤S1中，在将所述微细磨削工具装夹于超声辅助加工系统的超声刀柄上后，使用粘接蜡将工件粘结于玻璃垫块上，再将粘结有工件的玻璃垫块固定于所述数控机床的工作台上。
进一步地，在步骤S2中，先对微细磨削工具进行对刀，然后开启超声波发生器，以通过超声刀柄对微细磨削工具施加超声波振动。
进一步地，在步骤S2中，复合有竖向超声振动和圆周进给运动的微细磨削工具每次对工件进行啄钻加工后，均退刀至初始加工位置，然后再从初始加工位置下刀进行下一次的啄钻加工，以此方式对工件进行多次啄钻。
进一步地，从首次啄钻加工至末次啄钻加工，所述多次啄钻加工的深度呈递增设置；任意相邻两次啄钻加工深度的差值为2～10μm。
进一步地，超声辅助加工系统对微细磨削工具施加振幅为0～2.76μm的超低振幅超声波振动。
进一步地，在步骤S1中，若工件采用硬脆材料制成，选用金刚石制成的微细磨削工具安装于数控机床的超声辅助加工系统中；若工件采用金属材料制成，选用氮化硼制成或涂覆有涂层的微细磨削工具安装于数控机床的超声辅助加工系统中。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种微细磨削工具，其通过合理设置磨削工具主体的结构，可提高大深径比超微细孔内壁加工质量与加工效率。
本发明提供的一种超微细孔加工方法，其在采用微细磨削工具的基础上，并通过采用步骤S1-步骤S2的结合，同时在步骤S2中，利用超声辅助加工系统对微细磨削工具施加超声波振动，与数控机床给定的圆周进给运动复合，并利用复合有竖向超声波振动和圆周进给运动的微细磨削工具对工件进行多次啄钻加工，以制得大深径比超微细孔，可减少切削力对材料造成的内部损伤，具有裂纹抑制作用，降低裂纹的扩展程度，并且能够改变微细磨削工具磨粒的运动轨迹和材料的去除机理，使微细磨削工具的磨粒对工件表面的连续切削变成断续冲击，能够减少大深径比超微细孔边缘崩边损伤，减小大深径比超微细孔边缘崩边与孔壁裂纹、孔径和锥度变化，提高大深径比超微细孔内壁加工质量与加工效率，降低大深径比超微细孔的加工难度；而且，通过啄钻的加工方式，能够有效排除切屑，降低加工温度，并可减少微细磨削工具磨损，提高微细磨削工具的工作寿命，以降低加工成本。
附图说明
图1为本发明的一种微细磨削工具的示意图；
图2为本发明的超微细孔加工方法工艺流程图；
图3为复合电机主轴圆周进给运动和竖向超声振动的微细磨削工具对工件进行超声辅助铣磨加工的示意图；
图4为步骤S3中微细磨削工具在工件上加工大深径比超微细孔的流程示意图；
图5为超声辅助加工系统与数控机床的组装示意图；
其中，1、超声波发生器；2、供电模块支架；3、主轴；4、磨削液喷管；5、工件；6、玻璃垫块；7、工作台；8、微细磨削工具；9、超声刀柄；11、磨柄；12、磨头。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本发明公开了一种微细磨削工具，请参阅图1，所述微细磨削工具8是用于微细磨削加工，包括磨削工具主体，所述磨削工具主体的一端为圆柱状磨柄11，所述磨削工具主体的另一端为磨头12，所述磨头12靠近所述磨柄11的端部为锥形，磨头12总长为50毫米，所述磨头12加工区直径为30到200微米，加工区长度为1到5毫米；所述磨头12上固定有磨粒，所述磨粒的材质为金刚石或立方氮化硼，所述磨粒通过烧结固定在磨头12上；所述磨头12磨粒的计量单位目粒度为800到3000目。根据公知常识，所述磨头12可用于对工件加工的区域即为磨头12加工区。
本发明提供的一种微细磨削工具，其通过合理设置磨削工具主体的结构，可提高大深径比超微细孔内壁加工质量与加工效率。
请参阅图2-图5，本发明还公开了一种超微细孔加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：将上述的微细磨削工具8安装于数控机床的超声辅助加工系统中，并将工件5装夹固定于数控机床的工作台7上；
步骤S2：对微细磨削工具8施加超声波振动，使微细磨削工具8作竖向超声振动，再与数控机床的主轴3的圆周进给运动复合，同时利用复合有竖向超声振动和圆周进给运动的微细磨削工具8对工件5进行多次啄钻加工，以在工件5上加工出大深径比超微细孔。
本发明提供的一种超微细孔加工方法，其在采用上述的微细磨削工具8的基础上，并通过采用步骤S1-步骤S2的结合，同时在步骤S2中，利用超声辅助加工系统对微细磨削工具8施加超声波振动，与数控机床给定的圆周进给运动复合，并利用复合有竖向超声波振动和圆周进给运动的微细磨削工具8对工件5进行多次啄钻加工，以制得大深径比超微细孔，可减少切削力对材料造成的内部损伤，具有裂纹抑制作用，降低裂纹的扩展程度，并且能够改变微细磨削工具8磨粒的运动轨迹和材料的去除机理，使微细磨削工具8的磨粒对工件5表面的连续切削变成断续冲击，能够减少大深径比超微细孔边缘崩边损伤，减小大深径比超微细孔边缘崩边与孔壁裂纹、孔径和锥度变化，提高大深径比超微细孔内壁加工质量与加工效率，降低大深径比超微细孔的加工难度；而且，通过啄钻的加工方式，能够有效排除切屑，降低加工温度，并可减少微细磨削工具8磨损，提高微细磨削工具8的工作寿命，以降低加工成本。
其中，所述数控机床可为磨削数控机床等。
如图5所示，在步骤S1中，所述超声辅助加工系统包括超声波发生器1、供电模块支架2和超声刀柄9；在步骤S1中，先将超声波发生器1连接供电模块支架2，再将供电模块支架2装夹于数控机床的主轴3上，并将超声刀柄9安装在主轴3上，同时将供电模块支架2与超声刀柄9连接，再将微细磨削工具8装夹于超声刀柄9上。
在步骤S1中，在将所述微细磨削工具8装夹于超声辅助加工系统的超声刀柄9上后，利用粘接蜡将工件5粘结在玻璃垫块6上，再将粘结有工件5的玻璃垫块6固定于数控机床的工作台7上，以此方式将工件5装夹固定在数控机床上。而通过采用上述设置，可方便于工件5在数控机床上的固定。
在步骤S2中，复合有竖向超声振动和圆周进给运动的微细磨削工具8的磨粒在与工件5接触时进行轴向往复振动，以使得微细磨削工具8的磨粒沿轴向做高频往复运动，磨粒的挤压与锤击能够减少磨粒与工件5的实际作用时间，减小接触过程中的切削力，能够有效提高微孔内壁质量。
优选的，结合图3，在步骤S2中，对微细磨削工具8施加超声波振动后，复合圆周进给运动和竖向超声波振动的微细磨削工具8的单颗磨粒的运动轨迹为：
其中，sx、sy、sz分别为单颗磨粒在x、y、z轴上的运动路径，r为磨削工具直径，n为电机主轴3转速，t为时间，θ0为初始相位，vf为进给速度，A为超声振幅，f为超声振动频率，θ1为振动初始相位。
通过合理设置微细磨削工具8的单颗磨粒的运动轨迹，可进一步优化磨粒的挤压与锤击作用，能够有效提高大深径比超微细孔内壁质量。
在步骤S2中，先对微细磨削工具8进行对刀，然后开启超声波发生器1，以通过超声刀柄9对微细磨削工具8施加超声波振动。优选的，在步骤S2中，对机床的微细磨削工具8施加振幅为0～2.76μm的超低振幅超声波振动。具体的，在步骤S2中，超声波发生器1产生51.96kHz的高频电振动信号，经过转换变成为变化范围为0～2.76μm的机械振动，再通过超声刀柄9传输给旋转中的微细磨削工具8，从而可对对微细磨削工具8施加竖向超声波振动，以利用复合圆周进给运动和竖向超声波振动的微细磨削工具8对工件5进行超声辅助磨削加工，在加工过程中通过调节超声功率的百分比实现对微细磨削工具8的振动幅度。
在步骤S2中，复合圆周进给运动和竖向超声波振动的微细磨削工具8的转速N为10000～20000r/min，进给速度vf为5～20mm/min，磨削深度ap为2～10μm，以提高微细磨削工具8的加工效率。
在步骤S2中，在工件5上制得大深径比超微细孔的直径D范围为40～120μm，深度范围L为0～3000μm。
所述带有超声波系统的机床还设置有磨削液喷管4，在在步骤S2中，复合有机床进给运动和超声波振动的微细磨削工具8对工件5进行啄钻加工时，可利用磨削液喷管4对微细磨削工具8喷出磨削液，以起到冷却、清洗作用，可进一步提高刀具微细磨削工具8的使用寿命。
具体的，在步骤S2中，复合圆周进给运动和竖向超声波振动的微细磨削工具8每次对工件5进行啄钻加工后，均退刀至初始加工位置，然后再从初始加工位置下刀进行下一次的啄钻加工，以此方式对工件5进行多次啄钻加工，也就是说，在微细磨削工具8每次对工件5进行啄钻加工一定深度后再退刀至初始加工位置，然后再下刀进行下一次的啄钻加工，从而通过在同一位置上逐次进行啄钻加工以制得大深径比超微细孔，可进一步提高加工效果。
具体的，在步骤S2中，复合圆周进给运动和竖向超声波振动的微细磨削工具8在各次啄钻加工过程中均沿着相应的加工轨迹进行进给加工。其中，微细磨削工具8的各次啄钻加工过的加工轨迹、及啄钻加工次数均可依据实际需求而设置。
作为本发明的优选实施方式，在步骤S2中，从首次啄钻加工至末次啄钻加工，所述若干次啄钻加工的深度呈递增设置，以优化加工效果。具体的，微细磨削工具8第一次啄钻加工至深度a1后，微细磨削工具8返回到初始加工位置处，然后再从初始加工位置处进行第二次啄钻加工，并进给到比第一次啄钻加工深度a1增加ap的深度，然后再返回至初始加工位置处，然后继续以下一次啄钻加工深度比相邻的前一次啄钻加工的深度递增ap的方式不断重复工作，直至完成大深径比超微细孔的加工。
优选的，任意相邻两次啄钻加工深度的差值ap为2～10μm。
在步骤S1中，若工件5采用硬脆材料制成，选用金刚石制成的微细磨削工具8安装于数控机床的超声辅助加工系统中；若工件5采用金属材料制成，选用氮化硼制成或涂覆有涂层的微细磨削工具8安装于数控机床的超声辅助加工系统中，如此，通过对应不同材料的工件5的加工，可选用不同微细磨削工具8进行加工，以进一步优化加工效率和加工效果。
其中，本发明提供的一种超微细孔加工方法，根据啄钻加工次数与啄钻加工深度的设置，其可运用于在工件5上制得大深径比超大深径比超微细盲孔，还可运用于在工件5上制得大深径比超大深径比超微细通孔。
作为公知常识，行业内将直径小于200微米的磨削工具定义为微细磨削工具8，并将深径比值大于10且孔径小于0.3mm的孔定义为大深径比超微细孔。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种微细磨削工具，其特征在于：包括磨削工具主体，所述磨削工具主体的一端为圆柱状磨柄，所述磨削工具主体的另一端为磨头，所述磨头靠近所述磨柄的端部为锥形，所述磨头总长为30到50毫米，且所述磨头加工区直径为30到200微米，加工区长度为1到5毫米。
2.如权利要求1所述的微细磨削工具，其特征在于：所述磨头上固定有磨粒，所述磨头上的磨粒的计量单位目粒度为800到3000目；所述磨粒的材质为金刚石或立方氮化硼，所述磨粒通过烧结固定在磨头上。
3.超微细孔加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将如权利要求1所述微细磨削工具安装在数控机床的超声辅助加工系统上，并将工件装夹固定于数控机床的工作台上；
步骤S2：对所述微细磨削工具施加超声波振动，使微细磨削工具作竖向超声振动，再与数控机床的主轴的圆周进给运动复合，同时利用复合有竖向超声振动和圆周进给运动的微细磨削工具对工件进行多次啄钻，以在工件上加工出大深径比超微细孔。
4.如权利要求3所述的超微细孔加工方法，其特征在于：所述超声辅助加工系统包括超声波发生器、供电模块支架和超声刀柄；在步骤S1中，:先将所述超声波发生器与供电模块支架连接，再将所述供电模块支架装夹于数控机床的主轴上，并将所述超声刀柄安装在主轴上，同时将所述供电模块支架与超声刀柄连接，再将所述微细磨削工具装夹于超声辅助加工系统的超声刀柄上。
5.如权利要求4所述的超微细孔加工方法，其特征在于：在步骤S1中，在将所述微细磨削工具装夹于超声辅助加工系统的超声刀柄上后，使用粘接蜡将工件粘结于玻璃垫块上，再将粘结有工件的玻璃垫块固定于所述数控机床的工作台上。
6.如权利要求4所述的超微细孔加工方法，其特征在于：在步骤S2中，先对微细磨削工具进行对刀，然后开启超声波发生器，以通过超声刀柄对微细磨削工具施加超声波振动。
7.如权利要求6所述的超微细孔加工方法，其特征在于：在步骤S2中，复合有竖向超声振动和圆周进给运动的微细磨削工具每次对工件进行啄钻加工后，均退刀至初始加工位置，然后再从初始加工位置下刀进行下一次的啄钻加工，以此方式对工件进行多次啄钻。
8.如权利要求3或7所述的超微细孔加工方法，其特征在于：从首次啄钻加工至末次啄钻加工，所述多次啄钻加工的深度呈递增设置；任意相邻两次啄钻加工深度的差值为2～10μm。
9.如权利要求3所述的超微细孔加工方法，其特征在于：超声辅助加工系统对微细磨削工具施加振幅为0～2.76μm的超低振幅超声波振动。
10.如权利要求3所述的超微细孔加工方法，其特征在于：在步骤S1中，若工件采用硬脆材料制成，选用金刚石制成的微细磨削工具安装于数控机床的超声辅助加工系统中；若工件采用金属材料制成，选用氮化硼制成或涂覆有涂层的微细磨削工具安装于数控机床的超声辅助加工系统中。
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| CN202311812614.5A CN117601016A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种微细磨削工具及超微细孔加工方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311812614.5A CN117601016A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种微细磨削工具及超微细孔加工方法 |
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| CN117601016A true CN117601016A (zh) | 2024-02-27 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311812614.5A Pending CN117601016A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种微细磨削工具及超微细孔加工方法 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-12-26 CN CN202311812614.5A patent/CN117601016A/zh active Pending
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