一种超硬材料表面金字塔结构化制造方法与流程

本发明属于精密加工领域，涉及一种超硬材料表面金字塔结构化的制造方法。

背景技术：

微光学元件是制造小型光电子系统的关键元件，而金字塔微结构在微光学元件的表面有着广泛的应用。具有金字塔微型表面结构的微光学元件，能够实现一般的光学元件难以实现的微小阵列、集成和波面转换等功能。所以无论是在国防科技领域，还是在普通工业领域，其中包括光纤信号传输、信息综合处理、航空航天、生物医学以及激光加工技术等，金字塔微型表面结构都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。

目前，加工金字塔结构主要是利用金刚石刀具“飞刀”切削。所谓“飞刀”切削，就是将工件固定，利用单点金刚石直线进给进行切削，且每次的切割间距保持相等，同一方向上的切割完成后，将工件按要求进行旋转，再进行等间距的切割，最后得到材料表面的金字塔结构。“飞刀”切削选用的金刚石刀具，一般为圆弧刀刃、多棱刀刃和平刀刃，很少使用尖刀刃。虽然利用尖刀刃加工金字塔结构在几何学角度上最为合理，但单点尖刀刃金刚石刀具极易崩刃和磨损，导致其前后加工的表面槽很难保持一致，加工出来的金字塔结构表面无法满足光学元件的要求，传统的单点金刚石很难加工超硬材料的表面，在制备金字塔结构等微表面结构时方法十分复杂，加工表面质量难以达到要求；而利用平刀刃和圆弧刀刃加工出来的金字塔，表面结构精度有限、加工过程繁琐，且只能加工单晶硅等较软材料的表面，很难实现超硬材料表面的金字塔结构化。

技术实现要素：

发明目的：

为了解决传统“飞刀”切削中存在的磨损和崩刃问题、扩大金字塔结构可应用的材料范围、简化材料金字塔结构化的难度、提高制造效率，提出了一种超硬材料表面金字塔结构化制造方法。本发明工作原理为v型切割片刀刃等间距正交加工，相对于传统金刚石单点加工，本发明工具减轻了积屑现象，刀刃上个别金刚石颗粒的磨损不影响刀具的切割效果，本发明极大的提高了金字塔结构化的制造效率，简化了制造方法，延长了刀具的使用寿命，使大批量的超硬材料表面金字塔结构加工成为可能。

技术方案：

一种超硬材料表面金字塔结构化的制造方法，其特征在于：

1).将刀具和被加工件装配到切割机的对应位置，将切割间距、切割深度以及切割刀数等参数输入到切割机内；

2).对工件表面进行等间距切割，切割的间距不大于刀具的厚度，切割深度不大于金刚石颗粒的刃高；

3).第一刀切割工序完成后，通过切割机指令使载物盘旋转90°，切割片与步骤（2）切割路径方向垂直；

4).将切割间距与切割深度均与上一步切割设定相同，再进行同样工艺的切割；

5).切割完毕后将工件从载物盘卸下，得到被加工材料表面的金字塔结构，每个金字塔相对三角面的夹角与v型刀刃的刃面夹角相等。

表面金字塔结构化刀具，其特征在于：包括划片、钎焊层和金刚石颗粒，金刚石颗粒通过钎焊层均匀镶嵌在划片边缘处；

所述划片边缘表面呈现v型结构。

所述划片的厚度在10μm~500μm之间。

所述径向外沿金刚石颗粒的刀刃呈v型结构，其两刃间的夹角为60°~120°。

超硬材料表面金字塔结构化刀具的制造方法，其特征在于：

首先，采用钎焊的方法将金刚石颗粒均匀镶嵌在划片边缘处；然后将划片安装在旋转轴上，通过调节量角器的角度，使研磨平面与划片成一定的夹角，对其边缘进行研磨，之后将划片反向安装旋转轴上，保持研磨平面与划片之间的夹角不变，对划片另外一面进行研磨，研磨后划片边缘表面呈现v型结构；当精加工时，将研磨盘更换为抛光盘，并将划片装配到旋转轴上，保持研磨平面与划片之间的夹角不变，按要求对划片边缘v型结构一个侧面进行精抛；之后更换划片的安装方向，对划片边缘v型结构另一个侧面进行精抛，最后使用激光加工使划片v型结构表面的金刚石出刃制得刀具成品。

优点及效果：

与传统的点接触金刚石加工超硬材料表面金字塔结构相比，本发明将切削作用从点加工改进为刀刃加工，使切削刀数大大减少，使得超硬材料金字塔结构化的大批量加工成为可能。本发明的加工工序较少，制作方便，成本低廉，适合各种加工产业和个人的使用需求。本发明直接利用几何方法加工金字塔结构，极大的简化了复杂金字塔结构的成型。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细说明：

图1为本发明所述的金字塔结构化第一刀制造方法示意图；

图2为本发明所述的金字塔结构化第二刀制造方法示意图；

图3为本发明所述的金字塔结构化制造方法立体示意图；

图4为利用激光出刃加工本发明所用切割片法向外沿示意图；

图5为本发明加工方法所用的金字塔切割片结构示意图；

图6为利用研磨机和抛光机加工出v型刀刃划片的外沿示意图；

图7为利用抛光机抛光所述金字塔结构制造工具示意图；

图8为本发明所述的金字塔结构化工具制造步骤的示意图。

所述标注为：1.划片、2.钎焊层、3.金刚石颗粒、4.载物盘、5.研磨盘、6.旋转轴、7.电机、8.量角器、9.旋转轴支架。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，超硬材料表面金字塔结构化的制造方法：

1).将刀具和被加工件装配到切割机的对应位置，将切割间距、切割深度以及切割刀数等参数输入到切割机内；

2).对工件表面进行等间距切割，切割的间距不大于刀具的厚度，切割深度不大于金刚石颗粒3的刃高；

3).第一刀切割工序完成后，通过切割机指令使载物盘旋转90°，切割片与步骤（2）切割路径方向垂直；

4).将切割间距与切割深度均与上一步切割设定相同，再进行同样工艺的切割；

5).切割完毕后将工件从载物盘卸下，得到被加工材料表面的金字塔结构，每个金字塔相对三角面的夹角与v型刀刃的刃面夹角相等。

如图4、图5和图6所示，超硬材料表面金字塔结构化的刀具包括划片1、钎焊层2和金刚石颗粒3，金刚石颗粒3通过钎焊层2均匀镶嵌在划片1边缘处；

所述划片1边缘表面呈现v型结构；

所述划片1的厚度在10μm~500μm之间；

所述金刚石颗粒3粒径在10μm~500μm之间；

所述径向外沿金刚石颗粒3的刀刃呈v型结构，其两刃间的夹角为60°~120°。

如图7所示，超硬材料表面金字塔结构化所用刀具的制造工具：

超硬材料表面金字塔结构化刀具的制造工具包含水平放置的抛光盘5，旋转轴支架9固定在抛光盘5的工作范围外，旋转轴支架9与旋转轴6铰接，其铰接孔与量角器8的外圆同心，旋转轴6的上端安装有电机7，旋转轴6的下端安装有超硬材料表面金字塔结构化的刀具。

如图8所示，超硬材料表面金字塔结构化所用刀具的制造方法：

首先，采用钎焊的方法将金刚石颗粒3均匀镶嵌在划片1边缘处；然后将划片1安装在安装在旋转轴6上，通过调节量角器8的角度，使研磨平面与划片1成一定的夹角，对其边缘进行研磨，之后将划片1反向安装旋转轴6上，保持研磨平面与划片1之间的夹角不变，对划片1另外一面进行研磨，研磨后划片1边缘表面呈现v型结构；当精加工时，将研磨盘5更换为抛光盘，并将划片1装配到旋转轴6上，保持研磨平面与划片1之间的夹角不变，按要求对划片1边缘v型结构一个侧面进行精抛；之后更换划片1的安装方向，对划片1边缘v型结构另一个侧面进行精抛，如图4所示；最后使用激光加工使划片1v型结构表面的金刚石出刃制得刀具成品；刀具由划片1、钎焊层2和金刚石颗粒3组成，其中金刚石颗粒3在加工过程中起到切割作用，利用钎焊层2将其均匀地镶嵌在划片1的外边缘。

本发明实现金字塔结构化的原理是：v型刀刃边缘切割片在超硬材料表面等间距切割时，会形成等间距的v型凹槽；将切割片的切割方向旋转90度，再进行等间距切割，新形成的v型凹槽与上一道工序中形成的v型凹槽将会拼接成金字塔结构。v型刀刃由等间距的金刚石颗粒3组成，可以提高刀具的耐磨性，减轻切割凹槽中的积屑现象。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。