專利名稱：金剛石微刀具陣列的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金剛石刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種金剛石微刀具陣列的制造工藝。
背景技術(shù)：
如圖1所示，對(duì)于通常的單層電鍍鎳基大磨粒金剛石砂輪磨具和釬焊合金金剛石砂輪磨具，首先因?yàn)槠浠w的制作誤差和結(jié)合劑材料的厚度不一會(huì)導(dǎo)致砂輪磨具的回轉(zhuǎn)誤差及非動(dòng)平衡，這會(huì)引發(fā)砂輪磨具在工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，從而會(huì)對(duì)被加工表面產(chǎn)生振動(dòng)沖擊；再者，砂輪磨具上的金剛石磨粒在沿軸向和圓周方向上會(huì)以不同的突出結(jié)合劑高度分布，從而會(huì)導(dǎo)致不同的磨粒切削深度，那么在加工脆性材料時(shí)有些磨粒會(huì)超過(guò)脆塑轉(zhuǎn)變極限值，因此導(dǎo)致被加工表面的脆性破壞。

發(fā)明內(nèi)容
為解決砂輪磨具在工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，以及在加工脆性材料時(shí)有些磨粒會(huì)超過(guò)脆塑轉(zhuǎn)變極限值，因此會(huì)導(dǎo)致被加工表面的脆性破壞的問(wèn)題，一個(gè)面向于單層電鍍鎳基大磨粒金剛石砂輪磨具和釬焊合金金剛石砂輪磨具的精密修整過(guò)程應(yīng)達(dá)到以下目的減小或消除砂輪磨具圓周表面的波紋度誤差以達(dá)到良好的回轉(zhuǎn)精度，同時(shí)切除金剛石磨粒的突出部分以得到平整的磨粒外表面并擁有恒定的圓周包跡和磨粒突出刃高度Δh，為此本發(fā)明提供一種金剛石微刀具陣列的制造方法，具體步驟如下控制修整輪和被修整輪在接觸點(diǎn)的線速度方向相反，修整輪的回轉(zhuǎn)速度為300～500r·min-1，被修整輪的回轉(zhuǎn)速度為3000～5000r·min-1；沿z方向的切深在1～3μm范圍內(nèi)變化；沿x方向的進(jìn)給速度在4～10mm/min的范圍變化；當(dāng)被修整輪的回轉(zhuǎn)誤差被減小至1～2μm范圍，同時(shí)砂輪上所有金剛石磨粒被修整出平坦表面并擁有恒定的圓周包跡和磨粒突出刃高度Δh，此時(shí)形成金剛石微刀具陣列。
其工作原理如圖2和圖3所示在精密機(jī)床上應(yīng)用樹(shù)脂基或者金屬基金剛石杯形砂輪結(jié)合ELID(電解在線修銳技術(shù))對(duì)大磨粒單層電鍍鎳基金剛石砂輪磨具或者釬焊合金大磨粒金剛石砂輪磨具進(jìn)行精密修整，以獲得良好的砂輪回轉(zhuǎn)精度和擁有平坦表面及恒定圓周包跡的凸出刃金剛石磨粒，最后形成無(wú)序(電鍍金剛石砂輪)或者有序(釬焊金剛石砂輪)排列的金剛石微刀具陣列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料和難加工材料的金剛石切削和磨削的多點(diǎn)復(fù)合超精密加工。
按照本發(fā)明方法獲得的金剛石微刀具陣列具有如下性能特征1、單層電鍍鎳基結(jié)合劑以及釬焊合金都可以對(duì)金剛石微刀具陣列形成極為牢固的把持力，因此在加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生脫落的磨粒，使得刀具陣列能保持極高的耐磨性，而良好的耐磨性會(huì)使微刀具陣列保持很高的尺寸和形位精度以及持久的動(dòng)平衡性，不會(huì)出現(xiàn)象傳統(tǒng)細(xì)磨粒金剛石砂輪那樣的隨加工過(guò)程而產(chǎn)生的持續(xù)砂輪回縮，這種特征在加工大尺寸的脆性和難加工材料時(shí)更是突現(xiàn)其加工效率高和面形精度好等優(yōu)勢(shì)；2、金剛石微刀具陣列會(huì)在加工過(guò)程中形成很高的重疊率(overlapping rate)，并由此減小表面的粗糙度和有效地抑制波紋度問(wèn)題的產(chǎn)生；3、由于在加工過(guò)程中不需要對(duì)金剛石微刀具陣列進(jìn)行反復(fù)修銳，因此可以簡(jiǎn)化工藝過(guò)程；4、試驗(yàn)結(jié)果表明，金剛石微刀具陣列能夠?qū)K7進(jìn)行完全的延展性加工；磨削表面亞表層損傷的測(cè)量結(jié)果也驗(yàn)證了這種微刀具陣列能夠加工具有良好亞表層完整度的光學(xué)玻璃，同時(shí)以其優(yōu)異的抗磨損性能也預(yù)示這種超硬金剛石微刀具陣列是能夠?qū)鈱W(xué)玻璃、其他脆性材料和難加工材料進(jìn)行高面形精度的精密和超精密復(fù)合加工。


圖1為在大磨粒金剛石砂輪磨具上制作金剛石微刀具陣列的原理圖，1修整前大磨粒金剛石砂輪磨具的初始外圓輪廓，2修整后理想的金剛石砂輪磨具的回轉(zhuǎn)精度(最小回轉(zhuǎn)誤差)，3修整后砂輪磨具上金剛石微刀具陣列上表面擁有恒定的圓周包跡，4修整后砂輪磨具上的金剛石微刀具陣列擁有一定的出刃高度Δh，5被修整前的砂輪磨具上金剛石磨粒擁有無(wú)規(guī)則的幾何形狀，6修整后的砂輪磨具上金剛石磨粒表面被磨平以形成微刀具陣列，7非電解鎳砂輪磨具結(jié)合劑或者釬焊合金結(jié)合劑；圖2為金剛石微刀具陣列的制造工藝原理圖，8砂輪主軸，9工件主軸沿z方向進(jìn)給，10修整砂輪，11被修整砂輪，12Kistler9254測(cè)力儀，13ELID電源，14光學(xué)傳感器；圖3為圖2的局部放大圖；圖4為具體實(shí)施方式
二金剛石微刀具陣列的制造工藝原理圖；圖5為具體實(shí)施方式
三金剛石微刀具陣列的制造工藝原理圖；圖6為具體實(shí)施方式
四金剛石微刀具陣列的制造工藝原理圖；圖7為具體實(shí)施方式
五金剛石微刀具陣列的制造工藝原理圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式按照如下方法制造金剛石微刀具陣列以15～91μm磨粒尺寸杯形樹(shù)脂基或者金屬基金剛石砂輪作為修整輪并結(jié)合砂輪在線電解修銳技術(shù)(ELID，Electrolytic in-process dressing)對(duì)46～151μm磨粒尺寸電鍍鎳基單層金剛石砂輪或者釬焊合金金剛石被修整輪進(jìn)行精密高效的修整。為了達(dá)到較高的材料去除率，修整輪和被修整輪在接觸點(diǎn)的線速度方向相反，即同時(shí)以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。修整輪采用300～500r·min-1的回轉(zhuǎn)速度，而被修整輪則采用3000～5000r·min-1的回轉(zhuǎn)速度。沿z方向的切深在1～3μm范圍內(nèi)變化；沿x方向的進(jìn)給速度在4～10mm/min的范圍變化。
在修整過(guò)程中，采用共軸光學(xué)位移測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被修整輪的表面狀態(tài)進(jìn)行在位監(jiān)測(cè)。沿z向累積40μm的進(jìn)給量進(jìn)行一次測(cè)試，測(cè)試區(qū)域?yàn)檠厣拜唸A周方向的左、中、右三個(gè)周圓。在修整過(guò)程中被修整砂輪的同一區(qū)域表面形貌用一種壓印材料來(lái)復(fù)制，以檢測(cè)金剛石磨粒的變化情況。一臺(tái)Kistler 9254力測(cè)試儀被安裝在B軸和磨削砂輪主軸之間，以監(jiān)測(cè)修整過(guò)程中的力變化情況。應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)和白光形貌測(cè)試儀(WLI)測(cè)試被修整磨削砂輪表面金剛石磨粒的形貌。在修整過(guò)程中，被修整砂輪的表面金剛石磨粒連續(xù)變化情況被樹(shù)脂材料復(fù)印，并用白光形貌測(cè)試儀(WLI)成像。當(dāng)46～151μm被修整輪的回轉(zhuǎn)誤差被減小至1～2μm范圍，同時(shí)砂輪上所有金剛石磨粒被修整出平坦表面并擁有恒定的圓周包跡和磨粒突出刃高度Δh，此時(shí)砂輪達(dá)到最佳工作狀態(tài)，并最終形成了金剛石微刀具陣列。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖4，本實(shí)施方式的步驟是一、以15～91μm磨粒尺寸杯形樹(shù)脂基金剛石砂輪作為修整輪，對(duì)46～151μm磨粒尺寸電鍍鎳基單層金剛石砂輪或者真空釬焊合金金剛石砂輪磨具進(jìn)行修整；二、修整輪和被修整輪在接觸點(diǎn)的線速度方向相反，即同時(shí)以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；三、修整輪采用300～500r·min-1的回轉(zhuǎn)速度，而被修整砂輪則采用3000～5000r·min-1的回轉(zhuǎn)速度；四、沿z方向的切深在1～3μm范圍內(nèi)變化；沿x方向的進(jìn)給速度在4～10mm/min的范圍內(nèi)變化。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖5，本實(shí)施方式的步驟是一、以15～91μm磨粒尺寸杯形金屬基金剛石砂輪作為修整器，結(jié)合砂輪在線電解修銳裝置(ELID，Electrolytic in-process dressing)，此方法是應(yīng)用ELID電源的負(fù)極以一定的間隙100～200μm固定在修整砂輪的工作面上，而正極則連接在修整砂輪的金屬基體上，然后在工作狀態(tài)時(shí)施加一定的電壓從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬基修整砂輪的在線修銳)，對(duì)46～151μm磨粒尺寸電鍍鎳基單層金剛石砂輪或者釬焊合金大磨粒金剛石砂輪磨具進(jìn)行修整；二、修整輪和被修整輪在接觸點(diǎn)的線速度方向相反，即同時(shí)以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；三、修整輪采用300～500r·min-1的回轉(zhuǎn)速度，而被修整的砂輪磨具則采用3000～5000r·min-1的回轉(zhuǎn)速度；四、沿z方向的切深在1～3μm范圍內(nèi)變化；沿x方向的進(jìn)給速度在4～10mm/min的范圍內(nèi)變化。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖6，本實(shí)施方式在具體實(shí)施方式
二的基礎(chǔ)上，增加有光學(xué)共焦位移測(cè)試系統(tǒng)，此方式是以光學(xué)測(cè)頭放置在被修整輪的上方，在工作狀態(tài)時(shí)在位監(jiān)測(cè)被修整輪的回轉(zhuǎn)誤差，以驗(yàn)證被修整輪是否達(dá)到理想狀態(tài)，即回轉(zhuǎn)誤差是否被減小到1～2μm。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖7，本實(shí)施方式在具體實(shí)施方式
三的基礎(chǔ)上，增加有在線電解修銳技術(shù)(ELID，Electrolytic in-process dressing)，此方法是應(yīng)用ELID電源的負(fù)極以一定的間隙100～200μm固定在修整砂輪的工作面上，而正極則連接在修整砂輪的金屬基體上，然后在工作狀態(tài)時(shí)施加一定的電壓從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬基修整砂輪的在線修銳；以及增加有光學(xué)共焦位移測(cè)試系統(tǒng)，此方式是以光學(xué)測(cè)頭放置在被修整輪的上方，在工作狀態(tài)時(shí)在位監(jiān)測(cè)被修整輪的回轉(zhuǎn)誤差，以驗(yàn)證被修整輪是否達(dá)到理想狀態(tài)，即回轉(zhuǎn)誤差被減小到1～2μm。其它步驟與
權(quán)利要求
1.金剛石微刀具陣列的制造方法，其特征在于所述方法為控制修整輪和被修整輪在接觸點(diǎn)的線速度方向相反，修整輪的回轉(zhuǎn)速度為300～500r·min-1，被修整輪的回轉(zhuǎn)速度為3000～5000r·min-1；沿z方向的切深在1～3μm范圍內(nèi)變化；沿x方向的進(jìn)給速度在4～10mm/min的范圍變化；當(dāng)被修整輪的回轉(zhuǎn)誤差被減小至1～2μm范圍，同時(shí)砂輪上所有金剛石磨粒被修整出平坦表面并擁有恒定的圓周包跡和磨粒突出刃高度Δh，此時(shí)形成金剛石微刀具陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石微刀具陣列的制造方法，其特征在于所述修整輪為樹(shù)脂基或者金屬基金剛石砂輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金剛石微刀具陣列的制造方法，其特征在于所述修整輪的磨粒尺寸為15～91μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石微刀具陣列的制造方法，其特征在于所述被修整輪為電鍍鎳基單層金剛石砂輪或者釬焊合金大磨粒金剛石砂輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的金剛石微刀具陣列的制造方法，其特征在于所述被修整輪的磨粒尺寸為46～151μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石微刀具陣列的制造方法，其特征在于采用砂輪在線電解修銳技術(shù)對(duì)修整輪進(jìn)行修銳。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石微刀具陣列的制造方法，其特征在于采用光學(xué)共焦位移測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被修整輪的圓度誤差進(jìn)行在位檢測(cè)。
全文摘要
金剛石微刀具陣列的制造方法，屬于金剛石刀具制造技術(shù)領(lǐng)域。為解決砂輪磨具在工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，以及在加工脆性材料時(shí)有些磨粒會(huì)超過(guò)脆塑轉(zhuǎn)變極限值，因此會(huì)導(dǎo)致被加工表面的脆性破壞的問(wèn)題，本發(fā)明結(jié)合砂輪在線電解修銳技術(shù)進(jìn)行修整，修整輪和被修整輪以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，修整輪回轉(zhuǎn)速度為300～500r·min
文檔編號(hào)B24D18/00GK1915597SQ200610010488
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者趙清亮, 于光, 謝大綱, 孫濤, 董申 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)