CN1915597A

CN1915597A - 金刚石微刀具阵列的制造方法

Info

Publication number: CN1915597A
Application number: CN 200610010488
Authority: CN
Inventors: 赵清亮; 于光; 谢大纲; 孙涛; 董申
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: CN1915597B

Abstract

金刚石微刀具阵列的制造方法，属于金刚石刀具制造技术领域。为解决砂轮磨具在工作时产生严重的动力学及运动学问题，以及在加工脆性材料时有些磨粒会超过脆塑转变极限值，因此会导致被加工表面的脆性破坏的问题，本发明结合砂轮在线电解修锐技术进行修整，修整轮和被修整轮以逆时针方向旋转，修整轮回转速度为300～500r·min^－1，被修整轮回转速度为3000～5000r·min^－1；沿z方向的切深在1～3μm范围内；沿x方向的进给速度在4～10mm/min的范围；当被修整轮的回转误差被减小至1～2μm范围。本方法可以减小表面的粗糙度和有效地抑制波纹度问题的产生，并简化了工艺过程。

Description

金刚石微刀具阵列的制造方法

技术领域

本发明属于金刚石刀具制造技术领域，具体涉及的是一种金刚石微刀具阵列的制造工艺。

背景技术

如图1所示，对于通常的单层电镀镍基大磨粒金刚石砂轮磨具和钎焊合金金刚石砂轮磨具，首先因为其基体的制作误差和结合剂材料的厚度不一会导致砂轮磨具的回转误差及非动平衡，这会引发砂轮磨具在工作时产生严重的动力学及运动学问题，从而会对被加工表面产生振动冲击；再者，砂轮磨具上的金刚石磨粒在沿轴向和圆周方向上会以不同的突出结合剂高度分布，从而会导致不同的磨粒切削深度，那么在加工脆性材料时有些磨粒会超过脆塑转变极限值，因此导致被加工表面的脆性破坏。

发明内容

为解决砂轮磨具在工作时产生严重的动力学及运动学问题，以及在加工脆性材料时有些磨粒会超过脆塑转变极限值，因此会导致被加工表面的脆性破坏的问题，一个面向于单层电镀镍基大磨粒金刚石砂轮磨具和钎焊合金金刚石砂轮磨具的精密修整过程应达到以下目的：减小或消除砂轮磨具圆周表面的波纹度误差以达到良好的回转精度，同时切除金刚石磨粒的突出部分以得到平整的磨粒外表面并拥有恒定的圆周包迹和磨粒突出刃高度Δh，为此本发明提供一种金刚石微刀具阵列的制造方法，具体步骤如下：控制修整轮和被修整轮在接触点的线速度方向相反，修整轮的回转速度为300～500r·min^-1，被修整轮的回转速度为3000～5000r·min^-1；沿z方向的切深在1～3μm范围内变化；沿x方向的进给速度在4～10mm/min的范围变化；当被修整轮的回转误差被减小至1～2μm范围，同时砂轮上所有金刚石磨粒被修整出平坦表面并拥有恒定的圆周包迹和磨粒突出刃高度Δh，此时形成金刚石微刀具阵列。

其工作原理如图2和图3所示：在精密机床上应用树脂基或者金属基金刚石杯形砂轮结合ELID(电解在线修锐技术)对大磨粒单层电镀镍基金刚石砂轮磨具或者钎焊合金大磨粒金刚石砂轮磨具进行精密修整，以获得良好的砂轮回转精度和拥有平坦表面及恒定圆周包迹的凸出刃金刚石磨粒，最后形成无序(电镀金刚石砂轮)或者有序(钎焊金刚石砂轮)排列的金刚石微刀具阵列，以实现对脆性材料和难加工材料的金刚石切削和磨削的多点复合超精密加工。

按照本发明方法获得的金刚石微刀具阵列具有如下性能特征：

1、单层电镀镍基结合剂以及钎焊合金都可以对金刚石微刀具阵列形成极为牢固的把持力，因此在加工过程中不会产生脱落的磨粒，使得刀具阵列能保持极高的耐磨性，而良好的耐磨性会使微刀具阵列保持很高的尺寸和形位精度以及持久的动平衡性，不会出现象传统细磨粒金刚石砂轮那样的随加工过程而产生的持续砂轮回缩，这种特征在加工大尺寸的脆性和难加工材料时更是突现其加工效率高和面形精度好等优势；

2、金刚石微刀具阵列会在加工过程中形成很高的重叠率(overlapping rate)，并由此减小表面的粗糙度和有效地抑制波纹度问题的产生；

3、由于在加工过程中不需要对金刚石微刀具阵列进行反复修锐，因此可以简化工艺过程；

4、试验结果表明，金刚石微刀具阵列能够对BK7进行完全的延展性加工；磨削表面亚表层损伤的测量结果也验证了这种微刀具阵列能够加工具有良好亚表层完整度的光学玻璃，同时以其优异的抗磨损性能也预示这种超硬金刚石微刀具阵列是能够对光学玻璃、其他脆性材料和难加工材料进行高面形精度的精密和超精密复合加工。

附图说明

图1为在大磨粒金刚石砂轮磨具上制作金刚石微刀具阵列的原理图，1：修整前大磨粒金刚石砂轮磨具的初始外圆轮廓，2：修整后理想的金刚石砂轮磨具的回转精度(最小回转误差)，3：修整后砂轮磨具上金刚石微刀具阵列上表面拥有恒定的圆周包迹，4：修整后砂轮磨具上的金刚石微刀具阵列拥有一定的出刃高度Δh，5：被修整前的砂轮磨具上金刚石磨粒拥有无规则的几何形状，6：修整后的砂轮磨具上金刚石磨粒表面被磨平以形成微刀具阵列，7：非电解镍砂轮磨具结合剂或者钎焊合金结合剂；图2为金刚石微刀具阵列的制造工艺原理图，8：砂轮主轴，9：工件主轴沿z方向进给，10：修整砂轮，11：被修整砂轮，12：Kistler9254测力仪，13：ELID电源，14：光学传感器；图3为图2的局部放大图；图4为具体实施方式二金刚石微刀具阵列的制造工艺原理图；图5为具体实施方式三金刚石微刀具阵列的制造工艺原理图；图6为具体实施方式四金刚石微刀具阵列的制造工艺原理图；图7为具体实施方式五金刚石微刀具阵列的制造工艺原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式按照如下方法制造金刚石微刀具阵列：以15～91μm磨粒尺寸杯形树脂基或者金属基金刚石砂轮作为修整轮并结合砂轮在线电解修锐技术(ELID，Electrolytic in-process dressing)对46～151μm磨粒尺寸电镀镍基单层金刚石砂轮或者钎焊合金金刚石被修整轮进行精密高效的修整。为了达到较高的材料去除率，修整轮和被修整轮在接触点的线速度方向相反，即同时以逆时针方向旋转。修整轮采用300～500r·min^-1的回转速度，而被修整轮则采用3000～5000r·min^-1的回转速度。沿z方向的切深在1～3μm范围内变化；沿x方向的进给速度在4～10mm/min的范围变化。

在修整过程中，采用共轴光学位移测试系统对被修整轮的表面状态进行在位监测。沿z向累积40μm的进给量进行一次测试，测试区域为沿砂轮圆周方向的左、中、右三个周圆。在修整过程中被修整砂轮的同一区域表面形貌用一种压印材料来复制，以检测金刚石磨粒的变化情况。一台Kistler 9254力测试仪被安装在B轴和磨削砂轮主轴之间，以监测修整过程中的力变化情况。应用原子力显微镜(AFM)和白光形貌测试仪(WLI)测试被修整磨削砂轮表面金刚石磨粒的形貌。在修整过程中，被修整砂轮的表面金刚石磨粒连续变化情况被树脂材料复印，并用白光形貌测试仪(WLI)成像。当46～151μm被修整轮的回转误差被减小至1～2μm范围，同时砂轮上所有金刚石磨粒被修整出平坦表面并拥有恒定的圆周包迹和磨粒突出刃高度Δh，此时砂轮达到最佳工作状态，并最终形成了金刚石微刀具阵列。

具体实施方式二：结合图4，本实施方式的步骤是：一、以15～91μm磨粒尺寸杯形树脂基金刚石砂轮作为修整轮，对46～151μm磨粒尺寸电镀镍基单层金刚石砂轮或者真空钎焊合金金刚石砂轮磨具进行修整；二、修整轮和被修整轮在接触点的线速度方向相反，即同时以逆时针方向旋转；三、修整轮采用300～500r·min^-1的回转速度，而被修整砂轮则采用3000～5000r·min^-1的回转速度；四、沿z方向的切深在1～3μm范围内变化；沿x方向的进给速度在4～10mm/min的范围内变化。

具体实施方式三：结合图5，本实施方式的步骤是：一、以15～91μm磨粒尺寸杯形金属基金刚石砂轮作为修整器，结合砂轮在线电解修锐装置(ELID，Electrolytic in-process dressing)，此方法是应用ELID电源的负极以一定的间隙100～200μm固定在修整砂轮的工作面上，而正极则连接在修整砂轮的金属基体上，然后在工作状态时施加一定的电压从而实现对金属基修整砂轮的在线修锐)，对46～151μm磨粒尺寸电镀镍基单层金刚石砂轮或者钎焊合金大磨粒金刚石砂轮磨具进行修整；二、修整轮和被修整轮在接触点的线速度方向相反，即同时以逆时针方向旋转；三、修整轮采用300～500r·min^-1的回转速度，而被修整的砂轮磨具则采用3000～5000r·min^-1的回转速度；四、沿z方向的切深在1～3μm范围内变化；沿x方向的进给速度在4～10mm/min的范围内变化。

具体实施方式四：结合图6，本实施方式在具体实施方式二的基础上，增加有光学共焦位移测试系统，此方式是以光学测头放置在被修整轮的上方，在工作状态时在位监测被修整轮的回转误差，以验证被修整轮是否达到理想状态，即回转误差是否被减小到1～2μm。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：结合图7，本实施方式在具体实施方式三的基础上，增加有在线电解修锐技术(ELID，Electrolytic in-process dressing)，此方法是应用ELID电源的负极以一定的间隙100～200μm固定在修整砂轮的工作面上，而正极则连接在修整砂轮的金属基体上，然后在工作状态时施加一定的电压从而实现对金属基修整砂轮的在线修锐；以及增加有光学共焦位移测试系统，此方式是以光学测头放置在被修整轮的上方，在工作状态时在位监测被修整轮的回转误差，以验证被修整轮是否达到理想状态，即回转误差被减小到1～2μm。其它步骤与

具体实施方式三相同。

Claims

1、金刚石微刀具阵列的制造方法，其特征在于所述方法为：控制修整轮和被修整轮在接触点的线速度方向相反，修整轮的回转速度为300～500r·min^-1，被修整轮的回转速度为3000～5000r·min^-1；沿z方向的切深在1～3μm范围内变化；沿x方向的进给速度在4～10mm/min的范围变化；当被修整轮的回转误差被减小至1～2μm范围，同时砂轮上所有金刚石磨粒被修整出平坦表面并拥有恒定的圆周包迹和磨粒突出刃高度Δh，此时形成金刚石微刀具阵列。

2、根据权利要求1所述的金刚石微刀具阵列的制造方法，其特征在于所述修整轮为树脂基或者金属基金刚石砂轮。

3、根据权利要求1或2所述的金刚石微刀具阵列的制造方法，其特征在于所述修整轮的磨粒尺寸为15～91μm。

4、根据权利要求1所述的金刚石微刀具阵列的制造方法，其特征在于所述被修整轮为电镀镍基单层金刚石砂轮或者钎焊合金大磨粒金刚石砂轮。

5、根据权利要求1或4所述的金刚石微刀具阵列的制造方法，其特征在于所述被修整轮的磨粒尺寸为46～151μm。

6、根据权利要求1所述的金刚石微刀具阵列的制造方法，其特征在于采用砂轮在线电解修锐技术对修整轮进行修锐。

7、根据权利要求1所述的金刚石微刀具阵列的制造方法，其特征在于采用光学共焦位移测试系统对被修整轮的圆度误差进行在位检测。