專利名稱：高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密切削加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著超精密加工技術(shù)的應(yīng)用與推廣，在幾十年的時(shí)間里，機(jī)械加工精度被提高了1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，并正向更高精度的納米級(jí)精度發(fā)展。超精密切削加工技術(shù)作為超精密加工技術(shù)的重要組成部分，是二十世紀(jì)60年代專門針對(duì)現(xiàn)代化高技術(shù)需要而發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)，是一種向傳統(tǒng)加工方法不易突破的高精度極限挑戰(zhàn)的機(jī)械加工新工藝。超精密切削加工技術(shù)集成了電子、傳感、光學(xué)、控制和測(cè)量等領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是高科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)，它不但是精密民用產(chǎn)品制造的關(guān)鍵技術(shù)，更是尖端軍需武器制造的核心技術(shù)，其在國(guó)防武器型號(hào)的研制生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用。
在民用方面，如X射線望遠(yuǎn)鏡中掠射鏡面的鋁基襯底要求超精密切削加工同時(shí)滿足0.2μm軸向形狀精度，2μm/1.5m徑向圓弧精度和5nm表面粗糙度RMS；同步輻射X線光刻技術(shù)中的高導(dǎo)無(wú)氧銅橢圓柱面，在幾百毫米軸向長(zhǎng)度范圍內(nèi)，切削加工精度需達(dá)到0.13μm的形狀精度和0.043μm表面粗糙度RMS；又如計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)器的鋁盤片，其超精密切削加工的表面粗糙度質(zhì)量不但決定了存儲(chǔ)容量，同時(shí)也是制約磁頭讀盤速率的重要因素；另外，CCD、數(shù)碼相機(jī)、激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)等裝有光學(xué)系統(tǒng)的儀器設(shè)備，其平面、球面和非球面的反射鏡與透鏡、菲涅耳透鏡及其他光學(xué)零件表面的加工精度會(huì)直接影響光線反射率、透射率和成像誤差；再如生物實(shí)驗(yàn)中的金剛石切片刀，其刃口鋒利度必須小于50nm才能保證完好的精切效果。
對(duì)于超精密切削加工工藝來(lái)說(shuō)，要獲得零件形狀尺寸的高精度和加工表面的超光滑，除了必須擁有超精密的車床、高分辨率的檢測(cè)儀器和超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件以外，還必須具備進(jìn)行切削加工的高精度金剛石刀具，尤其是高精度的圓弧刃金剛石刀具。因?yàn)閳A弧刃金剛石刀具圓弧刃口上的各點(diǎn)都可參與切削，而且各切削點(diǎn)的曲率保持不變，這對(duì)于加工高精度球面或非球曲面零件至關(guān)重要。
據(jù)國(guó)外有關(guān)超精密切削極限的文獻(xiàn)報(bào)道，在1986年，日本大阪大學(xué)和美國(guó)LLL(Lawrence Livermore National Laboratory)實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行有色金屬超精密切削加工的最小切削厚度研究，在超精密切削機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了切削厚度為1nm的單晶金剛石切削，并通過(guò)理論計(jì)算指出，要實(shí)現(xiàn)切削厚度為1nm的連續(xù)切削，金剛石刀具的刃口鈍圓半徑必須保持在3～5nm。這項(xiàng)超精密切削極限的研究不但把超精密切削的加工水平推向了極限，同時(shí)也充分顯示出了國(guó)外在高精度金剛石刀具制備方面已處于絕對(duì)領(lǐng)先的水平。
目前已有的金剛石刀具刃磨工藝方法包括機(jī)械刃磨法、離子束濺蝕法、熱化學(xué)拋光法、無(wú)損傷機(jī)械化學(xué)拋光法、真空等離子化學(xué)拋光法、化學(xué)輔助機(jī)械拋光與光整法和激光燒蝕法等。
1)機(jī)械刃磨方法是傳統(tǒng)的工藝方法，其本質(zhì)就是金剛石與金剛石的對(duì)研。從工業(yè)應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，機(jī)械刃磨方法工藝最簡(jiǎn)單，設(shè)備也比較低廉。金剛石刀具在傳統(tǒng)的機(jī)械刃磨過(guò)程中，研磨盤轉(zhuǎn)速高，研磨壓力和研磨接觸面的摩擦力大，故刀具刃磨效率高。但由于這種刃磨方法具有不連續(xù)的沖擊作用，要得到刃口鈍圓半徑小于70～80nm的金剛石刀具比較困難。國(guó)外一般都采用此方法進(jìn)行金剛石刀具的粗加工。
2)離子束濺蝕法是采用高能氬離子轟擊金剛石刀具表面的碳原子，利用高能離子的撞擊作用達(dá)到刀具碳原子逐個(gè)去除的微細(xì)加工方法。離子束濺蝕法適用于加工微小型金剛石刀具，并且所得到的金剛石刀具刃口鈍圓半徑為20～30nm。但該工藝方法需要較昂貴的設(shè)備，而且加工效率較低。
3)熱化學(xué)拋光法一般采用在流動(dòng)氫氣或4％H2+96％Ar混合氣體氛圍中和在750～1050℃高溫下，金剛石刀具表面與低碳鋼(或純鐵)研磨盤直接接觸并相對(duì)滑移，金剛石刀具表面碳原子層發(fā)生活化而產(chǎn)生活化碳原子，活化碳原子擴(kuò)散到低碳鋼(或純鐵)研磨盤中而達(dá)到刀具材料的去除。擴(kuò)散到低碳鋼(或純鐵)中的碳原子又與周圍氫氣反應(yīng)生成甲烷并隨氣流被排出。熱化學(xué)拋光效率取決于碳原子的擴(kuò)散速率，影響因素有溫度、研磨壓力、磨盤轉(zhuǎn)速等。該方法工藝復(fù)雜，需要外圍輔助設(shè)備，加工效率也一般。
4)無(wú)損傷機(jī)械化學(xué)拋光方法采用NaOH溶液中加入適量的微細(xì)金剛石磨粒和更細(xì)的硅粉，通過(guò)強(qiáng)靜電作用使硅粉吸附在金剛石磨粒之上，然后把它們涂覆在多孔制鑄鐵研磨盤上后對(duì)金剛石刀具進(jìn)行研磨。其實(shí)質(zhì)是微細(xì)硅粉和金剛石刀具表面碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后通過(guò)硅微粉的微磨削作用把反應(yīng)層刮掉。該方法的加工效率極低，約每分鐘一個(gè)原子層。
5)在真空等離子化學(xué)拋光工藝中，旋轉(zhuǎn)的研磨盤被中間的高真空區(qū)劃分為兩部分，一部分為沉淀區(qū)，它的表面是采用真空等離子物理氣相沉積(PhysicalVapor Deposition，簡(jiǎn)稱PVD)法制得的氧化硅鍍層，另一部分為金剛石刀具刃磨區(qū)。刀具材料的去除過(guò)程就是金剛石刀具表面活化碳原子在研磨區(qū)被氧化硅氧化，生成CO或CO2后由真空泵抽出。該方法刃磨得到的金剛石刀具刃口質(zhì)量非常高，一般刃口鈍圓半徑優(yōu)于50nm，但刀具刃磨效率比較低，約為每秒0.25～750個(gè)原子層。
6)化學(xué)輔助機(jī)械拋光與光整法先采用傳統(tǒng)的機(jī)械刃磨法對(duì)金剛石刀具進(jìn)行粗磨，得到表面比較粗糙(Ra＜1μm)和尺寸精度不太高的刀具原形后再對(duì)其進(jìn)行化學(xué)拋光和光整。該工藝方法可得到質(zhì)量很高的金剛石刀具，但所需設(shè)備昂貴，且工藝復(fù)雜。
7)激光燒蝕法采用1～100Hz的單束或多束Nd-YAG激光照射金剛石刀具表面使照射表面在局部高溫作用下發(fā)生燒蝕?？紤]到多晶金剛石晶體的晶界對(duì)加工精度有影響，所以本方法只適合對(duì)單晶體金剛石刀具表面進(jìn)行粗加工，且經(jīng)過(guò)燒蝕后的金剛石表面粗糙度值Ra也比較高。但由于該方法加工效率較高，目前各金剛石刀具生產(chǎn)商基本都采用此方法對(duì)定向后的金剛石晶體毛坯進(jìn)行切割和刀具圓弧雛形的粗加工。
綜上所述，金剛石晶體以其自身的高硬度、耐磨損、難焊接等特點(diǎn)，使得金剛石刀具的制備比較困難。就目前我國(guó)還沒(méi)有成形的圓弧刃金剛石刀具刃磨設(shè)備及相關(guān)刃口檢測(cè)設(shè)備的情況下，對(duì)圓弧刃金剛石刀具刃磨工藝和刃磨機(jī)理的研究只能停留在比較粗淺的水平。而隨著民用產(chǎn)品使用性能和國(guó)防武器型號(hào)精度、可靠性、命中率以及使用壽命指標(biāo)的不斷提高，我國(guó)在這些軍民急需的超精密切削加工領(lǐng)域所用的圓弧刃金剛石刀具全部靠國(guó)外進(jìn)口來(lái)滿足需求，進(jìn)口刀具不但價(jià)格十分昂貴，且刀具刃磨質(zhì)量并沒(méi)有達(dá)到最高水平。對(duì)于刃口鈍圓半徑小于100nm的高精度圓弧刃金剛石刀具刃磨技術(shù)，國(guó)外一直禁運(yùn)。尤其在刀具圓弧的修整、重磨方面，我國(guó)也基本上依靠國(guó)外的刃磨技術(shù)，刀具的重復(fù)利用率較低。因此，依靠自身的技術(shù)力量開發(fā)高效低廉的高精度圓弧刃金剛石刀具刃磨工藝、研究其刃磨機(jī)理和相關(guān)的刀具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)手段，對(duì)于提高我國(guó)超精密切削加工的整體水平和滿足國(guó)內(nèi)軍、民用產(chǎn)品超精密切削加工用高精度圓弧刃金剛石刀具的市場(chǎng)需求具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，它可以解決金剛石刀具制備比較困難、難以滿足精度要求的問(wèn)題。本發(fā)明的金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法按照下述步驟進(jìn)行一、空氣隔振墊充氣后調(diào)整刃磨機(jī)床平衡狀態(tài)使其保持水平；二、研磨盤工作表面經(jīng)過(guò)精車成形后進(jìn)行精細(xì)拋光，控制研磨盤工作表面光潔度≤0.8，然后涂覆最大直徑為0.1μm的金剛石磨粒；三、采用高精度動(dòng)平衡儀對(duì)2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)動(dòng)平衡，控制主軸在2800r/min工作轉(zhuǎn)速下徑向回轉(zhuǎn)精度小于0.05μm，軸向回轉(zhuǎn)精度小于0.1μm；四、研磨盤涂覆最大直徑為0.1μm的金剛石磨粒后先作預(yù)研工作，然后開始刃磨金剛石刀具，具體操作步驟為裝卡金剛石刀具，刀體卡具調(diào)水平；打開氣源，開啟金剛石刀具刃磨機(jī)床電源，調(diào)節(jié)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向?yàn)橐啄シ较颍⒄{(diào)節(jié)刀具前角；在主軸工作轉(zhuǎn)速為1800～2500r/min、研磨壓力為金剛石刀具裝卡系統(tǒng)自重的條件下刃磨刀具，控制刃口鋒利度≤60nm。
研磨壓力必須采用刀具裝卡系統(tǒng)的自重而不能附加手持壓力，這是為了盡可能使整個(gè)刀具刃口的鋒利度具有較好的一致性，同時(shí)保證金剛石刀具表層材料以塑性變形方式去除。金剛石刀具和研磨盤的接觸點(diǎn)位置應(yīng)落在研磨盤整個(gè)工作區(qū)間中部靠里一側(cè)。
在滿足上述工藝參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，主軸轉(zhuǎn)速采用優(yōu)化的2500r/min時(shí)，R(100)F(100)定向組合的金剛石刀具可刃磨得到30～4nm的刃口鋒利度，R(110)F(100)定向組合的金剛石刀具可刃磨得到35～50nm的刃口鋒利度，R(110)F(110)定向組合的金剛石刀具可刃磨得到35～55nm的刃口鋒利度。
本發(fā)明具有刃磨工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高的特點(diǎn)，可刃磨出優(yōu)于50nm刃口鋒利度的高精度金剛石刀具。


圖1為高精度金剛石刀具刃磨機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為空氣靜壓主軸結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3為刃磨機(jī)床床身水平調(diào)整示意圖；圖4為主軸系統(tǒng)動(dòng)平衡精度測(cè)量裝置圖；圖5為R(100)F(100)組合的刀具定向示意圖，其中→代表前刀面易磨方向， 代表前刀面難磨方向， 代表后刀面難磨方向；圖6為R(110)F(100)組合的刀具定向示意圖，其中→代表前刀面易磨方向， 代表前刀面難磨方向， 代表后刀面難磨方向；圖7為R(110)F(110)組合的刀具定向示意圖，其中→代表前刀面易磨方向， 代表前刀面難磨方向， 代表后刀面難磨方向；圖8為金剛石刀具刃口的原子力顯微鏡檢測(cè)原理圖，其中1為原子力顯微鏡針尖，2為金剛石刀具，3為激光束。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式按照下述步驟加工金剛石刀具一、空氣隔振墊充氣后調(diào)整刃磨機(jī)床平衡狀態(tài)使其保持水平；二、研磨盤工作表面經(jīng)過(guò)精車成形后進(jìn)行精細(xì)拋光，控制研磨盤工作表面光潔度≤0.8，然后涂覆最大直徑為0.1μm的金剛石磨粒；三、采用高精度動(dòng)平衡儀對(duì)2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)動(dòng)平衡，控制主軸在2800r/min工作轉(zhuǎn)速下徑向回轉(zhuǎn)精度小于0.05μm，軸向回轉(zhuǎn)精度小于0.1μm；四、研磨盤涂覆最大直徑為0.1μm的金剛石磨粒后先作預(yù)研工作，然后開始刃磨金剛石刀具，具體操作步驟為裝卡金剛石刀具，刀體卡具調(diào)水平；打開氣源，開啟金剛石刀具刃磨機(jī)床電源，調(diào)節(jié)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向?yàn)橐啄シ较?，并調(diào)節(jié)刀具前角；在主軸工作轉(zhuǎn)速為1800～2500r/min、研磨壓力為金剛石刀具裝卡系統(tǒng)自重的條件下刃磨刀具，控制刃口鋒利度≤60nm。
如圖1～2所示，本實(shí)施方式中的金剛石刀具機(jī)械刃磨系統(tǒng)由空氣隔振墊1、鑄鐵床身2、印刷電機(jī)3、空氣靜壓主軸4、刀具裝卡系統(tǒng)5、配重6和高磷鑄鐵研磨盤8組成，空氣隔振墊1均布于鑄鐵床身2底部，空氣靜壓主軸4的下部座于鑄鐵床身2內(nèi)部，空氣靜壓主軸4的上端連接有研磨盤8，空氣靜壓主軸4的下端與印刷電機(jī)3的輸出軸連接，研磨盤8的上方安裝有刀具裝卡系統(tǒng)5，刀具裝卡系統(tǒng)5上面放有配重6。所述空氣靜壓主軸4由上聯(lián)軸節(jié)4-1、上止推板4-2、支承板4-3、基座4-4、氣浮主軸4-5、氣浮軸套4-6、下止推板4-7和下聯(lián)軸節(jié)4-9組成，上止推板4-2、氣浮主軸4-5和下止推板4-7依次通過(guò)螺釘連成一體，上止推板4-2的上端面連接有研磨盤8，研磨盤8通過(guò)上連軸節(jié)4-1與氣浮主軸4-5的上端連接，氣浮主軸4-5的外面套有氣浮軸套4-6，氣浮軸套4-6的外端面與支撐板4-3的內(nèi)端面連接，支撐板4-3的下端面通過(guò)基座4-4與鑄鐵床身2連接，氣浮軸套4-6的下部連接有電機(jī)套9，電機(jī)套9通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘4-8與下止推板4-7連接，電機(jī)套9的下端連接有印刷電機(jī)3，印刷電機(jī)3通過(guò)下連軸節(jié)4-9與氣浮主軸4-5的下端連接。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式結(jié)合圖1～8對(duì)金剛石刀具的加工方法進(jìn)行詳細(xì)介紹一、如圖1所示，本實(shí)施方式中的金剛石刀具機(jī)械刃磨系統(tǒng)由空氣隔振墊1、鑄鐵床身2、印刷電機(jī)3、空氣靜壓主軸4、刀具裝卡系統(tǒng)5、配重6和高磷鑄鐵研磨盤8組成，空氣隔振墊1均布于鑄鐵床身2底部，空氣靜壓主軸4的下部座于鑄鐵床身2內(nèi)部，空氣靜壓主軸4的上端連接有研磨盤8，空氣靜壓主軸4的末端與印刷電機(jī)3的輸出軸連接，研磨盤8的上方安裝有刀具裝卡系統(tǒng)5，刀具裝卡系統(tǒng)5上面放有配重6。本實(shí)施方式中，空氣隔振墊1與地基直接接觸，主要用于吸收空氣靜壓主軸4回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的自激振動(dòng)和隔絕外部振源對(duì)機(jī)床的影響。整個(gè)鑄鐵床身2落在四個(gè)空氣隔振墊上，而研磨盤8聯(lián)接在空氣靜壓主軸4上組成一個(gè)整體后落在鑄鐵床身2上。系統(tǒng)動(dòng)力由印刷電機(jī)3提供，通過(guò)空氣靜壓主軸4帶動(dòng)研磨盤8作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？諝忪o壓主軸4和高磷鑄鐵研磨盤8是刃磨機(jī)床的核心，其工作精度直接影響金剛石刀具的刃磨質(zhì)量。安裝后的空氣靜壓主軸4軸向回轉(zhuǎn)精度達(dá)到0.15μm，徑向回轉(zhuǎn)精度達(dá)到0.3μm。金剛石刀具7卡裝在刀具裝卡系統(tǒng)5上，刀具裝卡系統(tǒng)5用于調(diào)整刀具刃磨方向和刀具前角，配重6則用于調(diào)整研磨壓力。
二、如圖2所示，本實(shí)施方式中的空氣靜壓主軸4由上聯(lián)軸節(jié)4-1、上止推板4-2、支承板4-3、基座44、氣浮主軸4-5、氣浮軸套4-6、下止推板4-7和下聯(lián)軸節(jié)4-9組成，上止推板4-2、氣浮主軸4-5和下止推板4-7依次通過(guò)螺釘連成一體，上止推板4-2的上端面連接有研磨盤8，研磨盤8通過(guò)上連軸節(jié)4-1與氣浮主軸4-5的上端連接，氣浮主軸4-5的外面套有氣浮軸套4-6，氣浮軸套4-6的外端面與支撐板4-3的內(nèi)端面連接，支撐板4-3的下端面通過(guò)基座4-4與鑄鐵床身2連接，氣浮軸套4-6的下部連接有電機(jī)套9，電機(jī)套9通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘4-8與下止推板4-7連接，電機(jī)套9的下端連接有印刷電機(jī)3，印刷電機(jī)3通過(guò)下連軸節(jié)4-9與氣浮主軸4-5的下端連接。
本實(shí)施方式中，研磨盤8上均布有十二個(gè)上調(diào)節(jié)螺釘10，上調(diào)節(jié)螺釘10和下調(diào)節(jié)螺釘4-8主要當(dāng)作微質(zhì)量塊，用于對(duì)主軸-研磨盤系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡。支撐板4-3主要用于支撐整個(gè)主軸和研磨盤系統(tǒng)使其平穩(wěn)落在鑄鐵床身之上。氣浮軸套4-6通過(guò)內(nèi)六角螺釘聯(lián)接在支撐板4-3上，主要用于布置氣路，向氣浮主軸4-5提供工作氣壓。電機(jī)套9通過(guò)螺釘聯(lián)接在氣浮軸套4-6上，而印刷電機(jī)3則又通過(guò)螺釘和電機(jī)套9連接。印刷電機(jī)3是系統(tǒng)的動(dòng)力源，其工作轉(zhuǎn)速可調(diào)，變動(dòng)范圍300～2800r/min。上止推板4-2、氣浮主軸4-5和下止推板4-7通過(guò)螺釘聯(lián)成一體，工作時(shí)在氣壓作用下懸浮在氣浮軸套4-6中心，高磷鑄鐵研磨盤8則通過(guò)螺釘聯(lián)接在上止推板4-2上面。印刷電機(jī)3提供的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)下聯(lián)軸節(jié)4-9傳輸?shù)接缮现雇瓢?-2、氣浮主軸4-5、下止推板4-7和高磷鑄鐵研磨盤8組成的回轉(zhuǎn)體，由研磨盤產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)金剛石刀具進(jìn)行刃磨加工。
工作原理高壓(一般4～6個(gè)大氣壓)空氣通過(guò)進(jìn)氣孔流入到氣浮軸套4-6的空氣孔道內(nèi)，再經(jīng)由節(jié)流孔流到氣浮主軸4-5與氣浮軸套4-6之間的間隙之中，然后流過(guò)軸表面、泄氣槽，由泄氣孔排出。由于氣浮主軸4-5與氣浮軸套4-6之間的間隙很小，在它們之間形成了一層高壓的空氣膜。氣浮主軸4-5由這層高壓空氣膜浮在氣浮軸套4-6(軸瓦)內(nèi)，氣浮主軸4-5的中心位置由相對(duì)的空氣靜壓壓力差維持。無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)下聯(lián)軸節(jié)4-9直接輸送到氣浮主軸4-5上，然后通過(guò)上止推板4-2把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)礁吡阻T鐵研磨盤8。電動(dòng)機(jī)的定子通過(guò)電機(jī)套9、氣浮軸套4-6和支承板4-3固定在鑄鐵床身上。
三、刃磨機(jī)床施加空氣隔振墊是該刃磨系統(tǒng)的原創(chuàng)設(shè)計(jì)?？諝飧粽駢|充氣后須先對(duì)鑄鐵床身調(diào)水平，保證隔振系統(tǒng)正常工作，實(shí)現(xiàn)鑄鐵床身吸振和空氣隔振墊隔振雙重效果。具體調(diào)節(jié)步驟如下1、先給四個(gè)空氣隔振墊充氣，把整個(gè)機(jī)床浮起；2、開氣源使主軸和研磨盤系統(tǒng)懸?。?、以研磨盤的工作面為基準(zhǔn)，把高精度水平儀11放在其上，選定四個(gè)不同的位置分別進(jìn)行水平測(cè)量，測(cè)量順序如圖3中a-b-c-d排序，最后根據(jù)水平儀測(cè)量數(shù)據(jù)微調(diào)空氣隔振墊氣壓。
4、關(guān)閉氣源。
四、為了保證研磨盤具有很好的平面度，研磨盤工作表面經(jīng)過(guò)精車成形后還需經(jīng)過(guò)精細(xì)拋光，表面光潔度要求達(dá)到0.8(或以下)后才能涂覆W0.1(磨粒最大直徑為0.1μm)的金剛石磨粒。研磨盤的具體加工精度要求如下(1)基準(zhǔn)面A為研磨盤和氣浮主軸的配合面，基準(zhǔn)面B為工作表面；(2)基準(zhǔn)面B的面形精度達(dá)到0.005，光潔度要求優(yōu)于0.8；
(3)研磨盤底面的面形精度要求達(dá)到0.005，和基準(zhǔn)面A的垂直度達(dá)到0.02，和基準(zhǔn)面B的平行度要求達(dá)到0.02。
五、由于研磨盤存在一定的加工誤差和安裝誤差以及盤本身內(nèi)部組織的不一致性，安裝后的研磨盤主軸系統(tǒng)有可能出現(xiàn)重心偏離軸心而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)偏心，開始精磨刀具之前需用高精度動(dòng)平衡儀對(duì)2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)動(dòng)平衡，以提高主軸回轉(zhuǎn)精度，降低主軸回轉(zhuǎn)偏心產(chǎn)生的研磨盤端面跳動(dòng)量。經(jīng)過(guò)精細(xì)動(dòng)平衡，要求主軸在2800r/min工作轉(zhuǎn)速下徑向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05μm，軸向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.1μm。主軸系統(tǒng)動(dòng)平衡精度的測(cè)量裝置如圖4所示，其具體測(cè)量步驟如下1)開氣源、電源，把主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整到2800r/min；2)初始測(cè)量測(cè)量研磨盤的初始振動(dòng)矢量；3)試驗(yàn)性測(cè)量通過(guò)在校正平面上施加一定的、但可任選的試驗(yàn)質(zhì)量塊，打破主軸原來(lái)的動(dòng)平衡使其振動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生變化，然后測(cè)出附加試驗(yàn)性質(zhì)量塊后主軸的振動(dòng)矢量，試驗(yàn)振動(dòng)矢量和初始振動(dòng)矢量間的差是試驗(yàn)不平衡引起的振動(dòng)矢量；4)計(jì)算微調(diào)質(zhì)量和安裝位置輸入所安裝的質(zhì)量塊質(zhì)量，即可求得所需微調(diào)的質(zhì)量塊質(zhì)量和相應(yīng)的安裝位置(研磨盤上有12個(gè)安裝微調(diào)質(zhì)量塊的螺釘孔)；5)檢測(cè)測(cè)量取出步驟3)的試驗(yàn)性質(zhì)量塊，根據(jù)4)計(jì)算出的微調(diào)質(zhì)量和位置安裝微調(diào)質(zhì)量塊，安裝微調(diào)質(zhì)量塊時(shí)，注意保證研磨盤旋轉(zhuǎn)方向和動(dòng)平衡儀指針旋轉(zhuǎn)方向一致，安裝完微調(diào)質(zhì)量塊后對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行測(cè)量，得到平衡后的不平衡剩余量；6)以步驟5)測(cè)得的剩余振動(dòng)矢量微初始振動(dòng)矢量，重復(fù)步驟2)～5)，最后使主軸徑向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05μm，軸向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.1μm；7、關(guān)閉電源后關(guān)掉氣源。
六、研磨盤涂覆W0.1的金剛石磨料后需作一段時(shí)間的預(yù)研工作，這是為了讓磨粒變鈍后在研磨盤上鑲嵌地更為緊湊平整些，同時(shí)可排除附著在盤面表層的游離磨粒，減少游離磨粒對(duì)刀具刃口的沖擊。正式開始刃磨刀具過(guò)程中，刀體卡具應(yīng)附加往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行程應(yīng)小于5mm，刃磨方向應(yīng)為易磨方向。刃磨工作的具體操作步驟如下
1、裝卡刀具，刀體卡具調(diào)水平；2、打開氣源、開啟機(jī)床電源，調(diào)節(jié)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速；3、調(diào)整前刀面刃磨方向?yàn)橐啄シ较?，并調(diào)節(jié)刀具前角，不同刀具定向時(shí)刃磨方向的選取如圖5～圖7所示，其中“R”代表前刀面，“F”代表后刀面，“(100)”代表金剛石晶體的(100)晶面，“(110)”代表金剛石晶體的(110)晶面；4、采用優(yōu)選的工藝參數(shù)刃磨刀具在主軸工作轉(zhuǎn)速為1800～2500r/min、研磨壓力為金剛石刀具裝卡系統(tǒng)自重的條件下刃磨刀具，控制刃口鋒利度≤60nm，研磨壓力必須采用刀具裝卡系統(tǒng)自重而不能附加手持壓力，這是為了盡可能使整個(gè)刀具刃口的鋒利度具有較好的一致性，同時(shí)保證金剛石刀具表層材料以塑性變形方式去除，金剛石刀具和研磨盤的接觸點(diǎn)位置應(yīng)落在研磨盤整個(gè)工作區(qū)間中部靠里一側(cè)；5、關(guān)閉機(jī)床電源，關(guān)閉氣源；6、刃口檢測(cè)。
七、刃磨好的金剛石刀具用丙酮清洗干凈，并裝卡到45°斜面的工作臺(tái)上，然后直接采用原子力顯微鏡對(duì)刀具刃口進(jìn)行檢測(cè)，其測(cè)量原理如圖8所示。由于整個(gè)刀具刃口上的鋒利度不可能完全一致，所以對(duì)刀具刃口的刃磨質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)需測(cè)量多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，一般在刃口上均勻地選取五個(gè)，取其最大變化范圍作為刀具的刃磨質(zhì)量。
八、在滿足上述工藝參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，主軸轉(zhuǎn)速采用優(yōu)化的2500r/min時(shí)，R(100)F(100)定向組合的金剛石刀具可刃磨得到30～40nm的刃口鋒利度，R(110)F(100)定向組合的金剛石刀具可刃磨得到35～50nm的刃口鋒利度，R(110)F(110)定向組合的金剛石刀具可刃磨得到35～55nm的刃口鋒利度。
九、在滿足上述工藝參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，主軸轉(zhuǎn)速采用優(yōu)化的1900r/min時(shí)，R(110)F(100)定向組合的金剛石刀具可刃磨得到20～30nm的刃口鋒利度。
權(quán)利要求
1.高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于所述金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法按照下述步驟進(jìn)行一、空氣隔振墊充氣后調(diào)整刃磨機(jī)床平衡狀態(tài)使其保持水平；二、研磨盤工作表面經(jīng)過(guò)精車成形后進(jìn)行精細(xì)拋光，控制研磨盤工作表面光潔度≤0.8，然后涂覆磨粒最大直徑為0.1μm的金剛石磨粒；三、采用高精度動(dòng)平衡儀對(duì)2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)動(dòng)平衡，控制主軸在2800r/min工作轉(zhuǎn)速下徑向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05μm，軸向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.1μm；四、研磨盤涂覆最大直徑為0.1μm的金剛石磨粒后先作預(yù)研工作，然后開始刃磨金剛石刀具，具體操作步驟為裝卡金剛石刀具，刀體卡具調(diào)水平，打開氣源，開啟金剛石刀具刃磨機(jī)床電源，調(diào)節(jié)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向?yàn)橐啄シ较颍⒄{(diào)節(jié)刀具前角；在主軸工作轉(zhuǎn)速為1800～2500r/min、研磨壓力為刀具裝卡系統(tǒng)自重的條件下刃磨刀具，控制刃口鋒利度≤60nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于所述刃磨機(jī)床由空氣隔振墊(1)、鑄鐵床身(2)、印刷電機(jī)(3)、空氣靜壓主軸(4)、刀具裝卡系統(tǒng)(5)、配重(6)和高磷鑄鐵研磨盤(8)組成，空氣隔振墊(1)均布于鑄鐵床身(2)底部，空氣靜壓主軸(4)的下部座于鑄鐵床身(2)內(nèi)部，空氣靜壓主軸(4)的上端連接有研磨盤(8)，空氣靜壓主軸(4)的下端與印刷電機(jī)(3)的輸出軸連接，研磨盤(8)的上方安裝有刀具裝卡系統(tǒng)(5)，刀具裝卡系統(tǒng)(5)上面放有配重(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于調(diào)節(jié)刃磨機(jī)床平衡的具體操作步驟為空氣隔振墊充氣，將整個(gè)機(jī)床浮起，對(duì)鑄鐵床身調(diào)水平；開氣源使空氣靜壓主軸和研磨盤懸浮；以研磨盤的工作面為基準(zhǔn)，把高精度水平儀放在其上，選定四個(gè)不同的位置分別進(jìn)行水平測(cè)量，最后根據(jù)水平儀測(cè)量數(shù)據(jù)微調(diào)空氣隔振墊氣壓，關(guān)閉氣源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行程小于5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于為了使R(100)F(100)定向組合的金剛石刀具刃磨得到30～40nm的刃口鋒利度，控制主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于為了使R(110)F(100)定向組合的金剛石刀具刃磨得到35～50nm的刃口鋒利度，控制主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于為了使R(110)F(110)定向組合的金剛石刀具刃磨得到35～55nm的刃口鋒利度，控制主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于為了使R(110)F(100)定向組合的金剛石刀具刃磨得到20～30nm的刃口鋒利度，控制主軸轉(zhuǎn)速為1900r/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，其特征在于研磨盤的具體加工精度要求如下①基準(zhǔn)面A為研磨盤和氣浮主軸的配合面，基準(zhǔn)面B為工作表面；②基準(zhǔn)面B的面形精度達(dá)到0.005，光潔度要求優(yōu)于0.8；③研磨盤底面的面形精度要求達(dá)到0.005，和基準(zhǔn)面A的垂直度達(dá)到0.02，和基準(zhǔn)面B的平行度要求達(dá)到0.02。
全文摘要
高效低廉的高精度金剛石刀具機(jī)械刃磨加工方法，它屬于超精密切削加工技術(shù)領(lǐng)域。為解決金剛石刀具的制備比較困難的問(wèn)題，本發(fā)明按照下述步驟進(jìn)行調(diào)節(jié)金剛石刀具機(jī)械刃磨機(jī)床平衡；研磨盤工作表面經(jīng)過(guò)精車成形后進(jìn)行精細(xì)拋光，然后涂覆金剛石磨粒；對(duì)研磨機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)動(dòng)平衡；裝卡金剛石刀具，刀體卡具調(diào)水平；打開氣源，開啟金剛石刀具刃磨機(jī)床電源，調(diào)節(jié)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向?yàn)橐啄シ较颍⒄{(diào)節(jié)刀具前角；在主軸工作轉(zhuǎn)速為1800～2500r/min、研磨壓力為金剛石刀具裝卡系統(tǒng)自重的條件下刃磨刀具。本發(fā)明具有刃磨工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高的特點(diǎn)，可刃磨出優(yōu)于50nm刃口鋒利度的高精度金剛石刀具。
文檔編號(hào)B24B3/00GK1751848SQ20051001040
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者宗文俊, 孫濤, 李旦, 董申, 程凱, 李增強(qiáng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)