專利名稱：一種適合于金剛石刀具制造的熱-機耦合刃磨工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合于金剛石刀具制造的刃磨工藝，屬于超精密切削加工 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超精密制造技術(shù)是發(fā)展國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和重大科技工程的重要支撐和 保障。例如，為了尋找永不枯竭的潔凈新能源，緩解二十一世紀能源危機的壓 力，西方發(fā)達國家都提出了各自的"先進能源發(fā)展計劃"，其典型代表是美國的
"慣性約束核聚變(Inertial Confinerment Fusion,簡稱ICF)工程"。在ICF工 程的192束激光光路構(gòu)建過程中，需要高效超精密加工7518件口徑為 410mmx410mm的高質(zhì)量抗激光損傷的各種激光光學元器件，20000萬余件其 它口徑的高精度光學元器件。在上述眾多光學元器件中，高表面質(zhì)量的特殊光 學晶體零件KDP (Potassium Dihydrogen Phosphate簡寫為KH2P04，簡稱 KDP)的加工則最為困難。
對于KDP晶體的光學加工表面，必須滿足如下基本要求口徑大于300mm 下，表面粗糙度S5nmRms，切削殘留痕跡^10nmP-V。
分析超精密切削的加工機理可知，金剛石刀具進行微切削過程中，最小切 削厚度受刃口鋒利度制約，而最小切削厚度又與己加工表面質(zhì)量直接相關(guān)，如 微小毛刺的產(chǎn)生和切削表面殘留痕跡高度的形成。 一般情況下，最小切削厚度 與刃口鋒銳度的比值為1/5~1/3。為了滿足KDP晶體光學表面的加工要求，若 排除機床的穩(wěn)定性問題，金剛石刀具的刃口鋒銳度要優(yōu)于30nm。
為了實現(xiàn)上述目標，日本學者Miyamoto等人提出了離子束拋光加工金剛 石刀具的方法，即采用高能氬離子轟擊金剛石刀具表面的碳原子，達到刀具碳 原子逐個去除的微細加工方法。根據(jù)他們的研究成果，采用該工藝金剛石刀具 的刃口鋒利度可達到20 30nm。
隨后不久，美國學者Frederick等人又提出了采用化學拋光的方法制備金 剛石刀具。該方法就是采用真空等離子物理氣相沉積工藝在鋼制研磨盤表面制 得的氧化硅鍍層，然后利用氧化硅鍍層對金剛石刀具表面活化碳原子進行氧化 作用，生成CO或C02后由真空泵抽出，刃磨所得的鋒利度可達30nm左右，
3在掃描電子顯微鏡下放大10000倍都不產(chǎn)生模糊圖像。
日本學者Haisma則提出了無損傷機械化學拋光法。此方法采用NaOH溶 液中加入適量的微細金剛石磨粒和更細的硅粉，通過強靜電作用使硅粉吸附在 金剛石磨粒上，然后把它們涂覆在多孔質(zhì)鑄鐵鋼制研磨盤上后對金剛石刀具進 行研磨，其實質(zhì)是微細硅粉和金剛石刀具表面碳原子發(fā)生化學反應，然后通過 硅微粉的微磨削作用把反應層刮掉。該刃磨方法的主要優(yōu)勢在于減少甚至消除 金剛石刀具的亞表層損傷，提高刃口的微觀機械強度。
德國學者Kiihnle和Weis共同提出了采用化學輔助機械拋光法對金剛石 晶體進行超光滑加工。采用該方法時，先對金剛石晶體進行機械研磨，得到比 較粗糙的表面，然后把熔融的KN03液體倒入旋轉(zhuǎn)的Al203鋼制研磨盤上，再 把金剛石晶體具體研磨部分浸入熔融的KN03液體中進行研磨。高溫液體中的 金剛石表面碳原子發(fā)生活化，與高氧化性的KN03進行氧化反應，生成CO或 C02氣體排出。該過程的氧化作用在金剛石晶體與磨盤接觸表面的波峰處比較 激烈，即波峰處材料去除率高，以此達到化學拋光、光整的目的，所以可得到 質(zhì)量很高的金剛石表面，表面粗糙度Ra可達0.2nm。對于刃磨納米級鋒銳度 的金剛石刀具，該方法的應用潛力巨大。
此外，Zaitsev等人提出用熱化學方法拋光加工金剛石晶體，隨后該方法 被Wdma等人用于金剛石刀具的刃磨。熱化學拋光法一般采用在流動氫氣(或 4XH2+96c/。Ar)氛圍中、750-1050"C高溫下，金剛石刀具表面與低碳鋼(或純 鐵)鋼制研磨盤接觸并滑移，金剛石刀具表面活化碳原子擴散到低碳鋼(或純鐵) 晶體中而達到刀具材^4去除目的。擴散到低碳鋼(或純鐵)中的碳原子與周圍的 氫氣反應生成甲垸并隨氣流被排出。根據(jù)Weima等人的研究成果，該方法可 使CVD金剛石刀具的刃口鋒利度達到50nm，而對于天然金剛石刀具其刃口 鋒利度將會被刃磨的更小。
上述工藝技術(shù)雖然在提高金剛石刀具刃口鋒銳度質(zhì)量方面效果顯著，但基 于金剛石刀具的工業(yè)化生產(chǎn)考慮，更應注重其生產(chǎn)過程的高效化和低成本。因 此，對于金剛石刀具的高效刃磨要求，離子束和化學拋光的低效率是致命的缺 陷。而對于熱化學拋光、無損傷機械化學拋光和化學輔助機械拋光，昂貴的生 產(chǎn)設(shè)備和復雜的工藝環(huán)境使生產(chǎn)成本居高不下，更是和金剛石刀具的低成本生 產(chǎn)要求背道而馳。從金剛石刀具生產(chǎn)行業(yè)的實際情況來看，應用最普遍的工藝 還是傳統(tǒng)的機械刃磨法，因為該方法工藝簡單、設(shè)備低廉、效率高(對于金剛
4石刀具的較小刃磨表面而言)。但遺憾的是，機械刃磨工藝一直被業(yè)界人士看作是金剛石刀具制備的粗磨方法，其加工的刀具刃口鋒利度最好也只能達到
70~80nm。
為了從技術(shù)上突破金剛石刀具70~80nm的刃口鋒銳度極限，哈爾濱工業(yè)大學宗文俊等人對金剛石刀具的機械刃磨工藝進行了深入研究，提出了金剛石晶體的脆塑轉(zhuǎn)變?nèi)コ龣C理學說，并推導出了適合于金剛石刀具刃磨的臨界條件，以此為基礎(chǔ)對刃磨工藝進行了優(yōu)化，最后刃磨出了 30 50nm刃口鋒利度的金剛石刀具。
而對于刃口鋒利度優(yōu)于30nm的高效低成本的金剛石刀具刃磨工藝，目前國際上還未有報道。
因此，具有自主創(chuàng)新的金剛石刀具的新原理刃磨工藝可為我國發(fā)展重大科技工程提供重要的技術(shù)支撐。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的金剛石刀具的機械刃磨工藝無法解決金剛石刀具刃口鋒利度優(yōu)于lOnm的問題，進而提供一種適合于金剛石刀具制造的熱-機耦合刃磨工藝。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是 一種適合于金剛石刀具制
造的熱-機耦合刃磨工藝的步驟為
步驟一空氣隔振墊充氣后調(diào)整刃磨機床平衡狀態(tài)使其保持水平；步驟二鋼制研磨盤工作表面經(jīng)過精車成形后進行熱處理和精細拋光，控
制鋼制研磨工作表面達到鏡面效果，且硬度HRC263，然后直接安裝在金剛石
刀具刃磨機床上；
步驟三采用高精度動平衡儀對2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機床主軸系統(tǒng)進行精細動平衡，控制主軸在2800r/min工作轉(zhuǎn)速下徑向回轉(zhuǎn)精度小于0.05)nm，軸向回轉(zhuǎn)精度小于O.lpm;
步驟四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床電源，調(diào)節(jié)機床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向為易磨方向，并調(diào)節(jié)刀具前角；在研磨速度為33.96m/s、研磨壓力為5.95N、研磨時間為5min條件下刃磨刀具，控制金剛石刀具刃口鋒利度〈10nm。
5本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果釆用本發(fā)明的刃磨工藝進行刃磨時，金剛石刀具表面材料去除過程耦合了機械摩擦與熱化學反應作用，即金剛石刀具與鋼制研磨盤表面劇烈摩擦生熱，導致接觸區(qū)域達到高溫狀態(tài)，促使碳原子發(fā)生擴散、石墨化以及碳原子與鐵原子、氧原子發(fā)生化學反應。由于耦合了機械摩擦作用和熱化學反應，且金剛石碳原子以原子為單位去除，因此刃
磨出優(yōu)于10nm刃口鋒利度的金剛石刀具。本發(fā)明采用的是金剛石刀具與鋼制研磨盤表面的熱-機耦合原子去除機理與現(xiàn)有的機械刃磨工藝提出的是金剛石晶體的脆塑轉(zhuǎn)變?nèi)コ龣C理截然不同。本發(fā)明還具有刃磨工藝簡單、成本低和效率高的優(yōu)點。


圖1為金剛石刀具熱-機耦合刃磨工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的一種適合于金剛石刀具制造的熱-機耦合刃磨工藝的步驟為
步驟一空氣隔振墊充氣后調(diào)整刃磨機床平衡狀態(tài)使其保持水平；
步驟二鋼制研磨盤工作表面經(jīng)過精車成形后進行熱處理和精細拋光，控制鋼制研磨工作表面達到鏡面效果，且硬度HRC263，然后直接安裝在金剛石刀具刃磨機床上，無需涂覆金剛石磨粒；
步驟三采用高精度動平衡儀對2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機床主軸系統(tǒng)進行精細動平衡，控制主軸在2800r/min工作轉(zhuǎn)速下徑向回轉(zhuǎn)精度小于0.05pm，軸向回轉(zhuǎn)精度小于0.1^im;
步驟四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床電源，調(diào)節(jié)機床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向為易磨方向，并調(diào)節(jié)刀具前角；在研磨速度為33.96m/s、研磨壓力為5.95N、研磨時間為5min條件下刃磨刀具，控制金剛石刀具刃口鋒利度〈10nm。
如圖1所示，本實施方式中的金剛石刀具熱-機耦合刃磨工藝系統(tǒng)由空氣隔振墊l、鑄鐵床身2、印刷電機3、空氣靜壓主軸4、刀具裝卡系統(tǒng)5、配重6和鋼制研磨盤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的上端連接有鋼制研磨盤8，空氣靜壓主軸4的下端與印刷電機3的輸出軸連接，鋼制研磨盤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。
具體實施方式
二本實施方式結(jié)合圖1對金剛石刀具的加工方法進行詳細
介紹
第一、本實施方式中的金剛石刀具熱-機耦合刃磨工藝系統(tǒng)由空氣隔振墊
1、鑄鐵床身2、印刷電機3、空氣靜壓主軸4、刀具裝卡系統(tǒng)5、配重6和鋼制研磨盤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的上端連接有鋼制研磨盤8，空氣靜壓主軸4的末端與印刷電機3的輸出軸連接，鋼制研磨盤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。本實施方式中，空氣隔振墊l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)生的自激振動和隔絕外部振源對機床的影響。整個鑄鐵床身2落在四個空氣隔振墊上，而鋼制研磨盤8聯(lián)接在空氣靜壓主軸4上組成一個整體后落在鑄鐵床身2上。系統(tǒng)動力由印刷電機3提供，通過空氣靜壓主軸4帶動鋼制研磨盤8作高速旋轉(zhuǎn)運動?？諝忪o壓主軸4和鋼制研磨盤8是刃磨機床的核心，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)精度達到0.15pm，徑向回轉(zhuǎn)精度達到0.3)im。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。
第二、為了保證鋼制研磨盤具有很好的耐磨性和表面質(zhì)量，鋼制研磨盤工作表面經(jīng)過精車成形后，還需經(jīng)過熱處理和精細拋光，表面達到鏡面效果，而且硬度HRC263，鋼制研磨盤精細拋光后，工作表面的平面度達到5pm。
第三、由于鋼制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，安裝后的鋼制研磨盤主軸系統(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平衡儀對2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機床主軸系統(tǒng)進行精細動平衡.，以提高主軸回轉(zhuǎn)精度，降低主軸回轉(zhuǎn)偏心產(chǎn)生的鋼制研磨盤端面跳動量。經(jīng)過精細動平衡，要求主軸在2800r/min工作轉(zhuǎn)速下徑向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05pm，軸向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.1^irn。主軸系統(tǒng)動平衡精度的測量裝置如圖4所示，其具體測量步驟如下
1) 開氣源、電源，把主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整到2800r/min;
2) 初始測量測量鋼制研磨盤的初始振動矢量；
3) 試驗性測量通過在校正平面上施加一定的、但可任選的試驗質(zhì)量塊，打破主軸原來的動平衡使其振動狀態(tài)產(chǎn)生變化，然后測出附加試驗性質(zhì)量塊后主軸的振動矢量，試驗振動矢量和初始振動矢量間的差是試驗不平衡引起的振
動矢量；
4) 計算微調(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)量和相應的安裝位置(鋼制研磨盤上有12個安裝微調(diào)質(zhì)量塊的螺釘孔)；
5) 檢測測量取出步驟3)的試驗性質(zhì)量塊，根據(jù)4)計算出的微調(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，注意保證鋼制研磨盤旋轉(zhuǎn)方向和動平衡儀指針旋轉(zhuǎn)方向一致，安裝完微調(diào)質(zhì)量塊后對主軸回轉(zhuǎn)精度進行測量，得到平衡后的不平衡剩余量；
6) 以步驟5)測得的剩余振動矢量微初始振動矢量，重復步驟2) 5)，最后使主軸徑向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05pm，軸向回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于O.lnm;
7) 關(guān)閉電源后關(guān)掉氣源。
第四、鋼制研磨盤無需涂覆金剛石磨料而直接開始刃磨加工金剛石刀具。刃磨刀具過程中，刀體卡具應附加往復運動，但往復運動的行程應小于5mm，刃磨方向應為易磨方向。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、開啟機床電源，調(diào)節(jié)機床主軸轉(zhuǎn)速；
3、 調(diào)整前刀面刃磨方向為易磨方向，并調(diào)節(jié)刀具前角；
4、 采用優(yōu)選的工藝參數(shù)刃磨刀具研磨速度為33.96m/s、研磨壓力為5.95N、研磨時間為5min;
5、 關(guān)閉機床電源，關(guān)閉氣源。
權(quán)利要求
1、一種適合于金剛石刀具制造的熱-機耦合刃磨工藝，其特征在于金剛石刀具制造的熱-機耦合刃磨工藝的步驟為步驟一空氣隔振墊充氣后調(diào)整刃磨機床平衡狀態(tài)使其保持水平；步驟二鋼制研磨盤工作表面經(jīng)過精車成形后進行熱處理和精細拋光，控制鋼制研磨工作表面達到鏡面效果，且硬度HRC≥63，然后直接安裝在金剛石刀具刃磨機床上；步驟三采用高精度動平衡儀對2800r/min轉(zhuǎn)速下的研磨機床主軸系統(tǒng)進行精細動平衡，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；步驟四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床電源，調(diào)節(jié)機床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向為易磨方向，并調(diào)節(jié)刀具前角；在研磨速度為33.96m/s、研磨壓力為5.95N、研磨時間為5min條件下刃磨刀具，控制金剛石刀具刃口鋒利度＜10nm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適合于金剛石刀具制造的熱-機耦合刃磨工藝，其特征在于所述步驟二中的鋼制研磨盤精細拋光后，工作表面的平面度達至lj 5,。
全文摘要
一種適合于金剛石刀具制造的熱-機耦合刃磨工藝，它涉及一種適合于金剛石刀具制造的刃磨工藝。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的金剛石刀具的機械刃磨工藝無法解決金剛石刀具刃口鋒利度優(yōu)于10nm的問題。本發(fā)明的方法步驟為調(diào)節(jié)金剛石刀具刃磨機床平衡；鋼制研磨盤工作表面經(jīng)過精車成形后熱處理，并精細拋光，達到鏡面效果；對研磨機床主軸系統(tǒng)進行精細動平衡；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床電源，調(diào)節(jié)機床主軸轉(zhuǎn)速；調(diào)整前刀面刃磨方向為易磨方向，調(diào)節(jié)刀具前角；在研磨速度為33.96m/s、研磨壓力為5.95N、研磨時間為5min的條件下刃磨刀具。本發(fā)明具有刃磨工藝簡單、成本低、效率高的特點，可刃磨出優(yōu)于10nm刃口鋒利度的金剛石刀具。
文檔編號B24B3/00GK101659020SQ20091007287
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者濤 孫, 宗文俊, 李增強, 申 董 申請人:哈爾濱工業(yè)大學