专利名称：一种适合于金刚石刀具制造的热-机耦合刃磨工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适合于金刚石刀具制造的刃磨工艺，属于超精密切削加工 技术领域。
背景技术：
超精密制造技术是发展国家高新技术产业和重大科技工程的重要支撑和 保障。例如，为了寻找永不枯竭的洁净新能源，缓解二十一世纪能源危机的压 力，西方发达国家都提出了各自的"先进能源发展计划"，其典型代表是美国的
"惯性约束核聚变(Inertial Confinerment Fusion,简称ICF)工程"。在ICF工 程的192束激光光路构建过程中，需要高效超精密加工7518件口径为 410mmx410mm的高质量抗激光损伤的各种激光光学元器件，20000万余件其 它口径的高精度光学元器件。在上述众多光学元器件中，高表面质量的特殊光 学晶体零件KDP (Potassium Dihydrogen Phosphate简写为KH2P04，简称 KDP)的加工则最为困难。
对于KDP晶体的光学加工表面，必须满足如下基本要求口径大于300mm 下，表面粗糙度S5nmRms，切削残留痕迹^10nmP-V。
分析超精密切削的加工机理可知，金刚石刀具进行微切削过程中，最小切 削厚度受刃口锋利度制约，而最小切削厚度又与己加工表面质量直接相关，如 微小毛刺的产生和切削表面残留痕迹高度的形成。 一般情况下，最小切削厚度 与刃口锋锐度的比值为1/5~1/3。为了满足KDP晶体光学表面的加工要求，若 排除机床的稳定性问题，金刚石刀具的刃口锋锐度要优于30nm。
为了实现上述目标，日本学者Miyamoto等人提出了离子束抛光加工金刚 石刀具的方法，即采用高能氩离子轰击金刚石刀具表面的碳原子，达到刀具碳 原子逐个去除的微细加工方法。根据他们的研究成果，采用该工艺金刚石刀具 的刃口锋利度可达到20 30nm。
随后不久，美国学者Frederick等人又提出了采用化学抛光的方法制备金 刚石刀具。该方法就是采用真空等离子物理气相沉积工艺在钢制研磨盘表面制 得的氧化硅镀层，然后利用氧化硅镀层对金刚石刀具表面活化碳原子进行氧化 作用，生成CO或C02后由真空泵抽出，刃磨所得的锋利度可达30nm左右，
3在扫描电子显微镜下放大10000倍都不产生模糊图像。
日本学者Haisma则提出了无损伤机械化学抛光法。此方法采用NaOH溶 液中加入适量的微细金刚石磨粒和更细的硅粉，通过强静电作用使硅粉吸附在 金刚石磨粒上，然后把它们涂覆在多孔质铸铁钢制研磨盘上后对金刚石刀具进 行研磨，其实质是微细硅粉和金刚石刀具表面碳原子发生化学反应，然后通过 硅微粉的微磨削作用把反应层刮掉。该刃磨方法的主要优势在于减少甚至消除 金刚石刀具的亚表层损伤，提高刃口的微观机械强度。
德国学者Kiihnle和Weis共同提出了采用化学辅助机械抛光法对金刚石 晶体进行超光滑加工。采用该方法时，先对金刚石晶体进行机械研磨，得到比 较粗糙的表面，然后把熔融的KN03液体倒入旋转的Al203钢制研磨盘上，再 把金刚石晶体具体研磨部分浸入熔融的KN03液体中进行研磨。高温液体中的 金刚石表面碳原子发生活化，与高氧化性的KN03进行氧化反应，生成CO或 C02气体排出。该过程的氧化作用在金刚石晶体与磨盘接触表面的波峰处比较 激烈，即波峰处材料去除率高，以此达到化学抛光、光整的目的，所以可得到 质量很高的金刚石表面，表面粗糙度Ra可达0.2nm。对于刃磨纳米级锋锐度 的金刚石刀具，该方法的应用潜力巨大。
此外，Zaitsev等人提出用热化学方法抛光加工金刚石晶体，随后该方法 被Wdma等人用于金刚石刀具的刃磨。热化学抛光法一般采用在流动氢气(或 4XH2+96c/。Ar)氛围中、750-1050"C高温下，金刚石刀具表面与低碳钢(或纯 铁)钢制研磨盘接触并滑移，金刚石刀具表面活化碳原子扩散到低碳钢(或纯铁) 晶体中而达到刀具材^4去除目的。扩散到低碳钢(或纯铁)中的碳原子与周围的 氢气反应生成甲垸并随气流被排出。根据Weima等人的研究成果，该方法可 使CVD金刚石刀具的刃口锋利度达到50nm，而对于天然金刚石刀具其刃口 锋利度将会被刃磨的更小。
上述工艺技术虽然在提高金刚石刀具刃口锋锐度质量方面效果显著，但基 于金刚石刀具的工业化生产考虑，更应注重其生产过程的高效化和低成本。因 此，对于金刚石刀具的高效刃磨要求，离子束和化学抛光的低效率是致命的缺 陷。而对于热化学抛光、无损伤机械化学抛光和化学辅助机械抛光，昂贵的生 产设备和复杂的工艺环境使生产成本居高不下，更是和金刚石刀具的低成本生 产要求背道而驰。从金刚石刀具生产行业的实际情况来看，应用最普遍的工艺 还是传统的机械刃磨法，因为该方法工艺简单、设备低廉、效率高(对于金刚
4石刀具的较小刃磨表面而言)。但遗憾的是，机械刃磨工艺一直被业界人士看作是金刚石刀具制备的粗磨方法，其加工的刀具刃口锋利度最好也只能达到
70~80nm。
为了从技术上突破金刚石刀具70~80nm的刃口锋锐度极限，哈尔滨工业大学宗文俊等人对金刚石刀具的机械刃磨工艺进行了深入研究，提出了金刚石晶体的脆塑转变去除机理学说，并推导出了适合于金刚石刀具刃磨的临界条件，以此为基础对刃磨工艺进行了优化，最后刃磨出了 30 50nm刃口锋利度的金刚石刀具。
而对于刃口锋利度优于30nm的高效低成本的金刚石刀具刃磨工艺，目前国际上还未有报道。
因此，具有自主创新的金刚石刀具的新原理刃磨工艺可为我国发展重大科技工程提供重要的技术支撑。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的金刚石刀具的机械刃磨工艺无法解决金刚石刀具刃口锋利度优于lOnm的问题，进而提供一种适合于金刚石刀具制造的热-机耦合刃磨工艺。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是 一种适合于金刚石刀具制
造的热-机耦合刃磨工艺的步骤为
步骤一空气隔振垫充气后调整刃磨机床平衡状态使其保持水平；步骤二钢制研磨盘工作表面经过精车成形后进行热处理和精细抛光，控
制钢制研磨工作表面达到镜面效果，且硬度HRC263，然后直接安装在金刚石
刀具刃磨机床上；
步骤三采用高精度动平衡仪对2800r/min转速下的研磨机床主轴系统进行精细动平衡，控制主轴在2800r/min工作转速下径向回转精度小于0.05)nm，轴向回转精度小于O.lpm;
步骤四开始刃磨金刚石刀具，具体操作步骤为装卡金刚石刀具，刀体卡具调水平；打开气源，开启金刚石刀具刃磨机床电源，调节机床主轴转速；调整前刀面刃磨方向为易磨方向，并调节刀具前角；在研磨速度为33.96m/s、研磨压力为5.95N、研磨时间为5min条件下刃磨刀具，控制金刚石刀具刃口锋利度〈10nm。
5本发明与现有技术相比具有以下有益效果釆用本发明的刃磨工艺进行刃磨时，金刚石刀具表面材料去除过程耦合了机械摩擦与热化学反应作用，即金刚石刀具与钢制研磨盘表面剧烈摩擦生热，导致接触区域达到高温状态，促使碳原子发生扩散、石墨化以及碳原子与铁原子、氧原子发生化学反应。由于耦合了机械摩擦作用和热化学反应，且金刚石碳原子以原子为单位去除，因此刃
磨出优于10nm刃口锋利度的金刚石刀具。本发明采用的是金刚石刀具与钢制研磨盘表面的热-机耦合原子去除机理与现有的机械刃磨工艺提出的是金刚石晶体的脆塑转变去除机理截然不同。本发明还具有刃磨工艺简单、成本低和效率高的优点。
图1为金刚石刀具热-机耦合刃磨工艺系统的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式的一种适合于金刚石刀具制造的热-机耦合刃磨工艺的步骤为
步骤一空气隔振垫充气后调整刃磨机床平衡状态使其保持水平；
步骤二钢制研磨盘工作表面经过精车成形后进行热处理和精细抛光，控制钢制研磨工作表面达到镜面效果，且硬度HRC263，然后直接安装在金刚石刀具刃磨机床上，无需涂覆金刚石磨粒；
步骤三采用高精度动平衡仪对2800r/min转速下的研磨机床主轴系统进行精细动平衡，控制主轴在2800r/min工作转速下径向回转精度小于0.05pm，轴向回转精度小于0.1^im;
步骤四开始刃磨金刚石刀具，具体操作步骤为装卡金刚石刀具，刀体卡具调水平；打开气源，开启金刚石刀具刃磨机床电源，调节机床主轴转速；调整前刀面刃磨方向为易磨方向，并调节刀具前角；在研磨速度为33.96m/s、研磨压力为5.95N、研磨时间为5min条件下刃磨刀具，控制金刚石刀具刃口锋利度〈10nm。
如图1所示，本实施方式中的金刚石刀具热-机耦合刃磨工艺系统由空气隔振垫l、铸铁床身2、印刷电机3、空气静压主轴4、刀具装卡系统5、配重6和钢制研磨盘8组成，空气隔振垫1均布于铸铁床身2底部，空气静压主轴4的下部座于铸铁床身2内部，空气静压主轴4的上端连接有钢制研磨盘8，空气静压主轴4的下端与印刷电机3的输出轴连接，钢制研磨盘8的上方安装有刀具装卡系统5，刀具装卡系统5上面放有配重6。
具体实施方式
二本实施方式结合图1对金刚石刀具的加工方法进行详细
介绍
第一、本实施方式中的金刚石刀具热-机耦合刃磨工艺系统由空气隔振垫
1、铸铁床身2、印刷电机3、空气静压主轴4、刀具装卡系统5、配重6和钢制研磨盘8组成，空气隔振垫1均布于铸铁床身2底部，空气静压主轴4的下部座于铸铁床身2内部，空气静压主轴4的上端连接有钢制研磨盘8，空气静压主轴4的末端与印刷电机3的输出轴连接，钢制研磨盘8的上方安装有刀具装卡系统5，刀具装卡系统5上面放有配重6。本实施方式中，空气隔振垫l与地基直接接触，主要用于吸收空气静压主轴4回转产生的自激振动和隔绝外部振源对机床的影响。整个铸铁床身2落在四个空气隔振垫上，而钢制研磨盘8联接在空气静压主轴4上组成一个整体后落在铸铁床身2上。系统动力由印刷电机3提供，通过空气静压主轴4带动钢制研磨盘8作高速旋转运动。空气静压主轴4和钢制研磨盘8是刃磨机床的核心，其工作精度直接影响金刚石刀具的刃磨质量。安装后的空气静压主轴4轴向回转精度达到0.15pm，径向回转精度达到0.3)im。金刚石刀具7卡装在刀具装卡系统5上，刀具装卡系统5用于调整刀具刃磨方向和刀具前角，配重6则用于调整研磨压力。
第二、为了保证钢制研磨盘具有很好的耐磨性和表面质量，钢制研磨盘工作表面经过精车成形后，还需经过热处理和精细抛光，表面达到镜面效果，而且硬度HRC263，钢制研磨盘精细抛光后，工作表面的平面度达到5pm。
第三、由于钢制研磨盘存在一定的加工误差和安装误差以及盘本身内部组织的不一致性，安装后的钢制研磨盘主轴系统有可能出现重心偏离轴心而产生回转偏心，开始精磨刀具之前需用高精度动平衡仪对2800r/min转速下的研磨机床主轴系统进行精细动平衡.，以提高主轴回转精度，降低主轴回转偏心产生的钢制研磨盘端面跳动量。经过精细动平衡，要求主轴在2800r/min工作转速下径向回转精度优于0.05pm，轴向回转精度优于0.1^irn。主轴系统动平衡精度的测量装置如图4所示，其具体测量步骤如下
1) 开气源、电源，把主轴转速调整到2800r/min;
2) 初始测量测量钢制研磨盘的初始振动矢量；
3) 试验性测量通过在校正平面上施加一定的、但可任选的试验质量块，打破主轴原来的动平衡使其振动状态产生变化，然后测出附加试验性质量块后主轴的振动矢量，试验振动矢量和初始振动矢量间的差是试验不平衡引起的振
动矢量；
4) 计算微调质量和安装位置输入所安装的质量块质量，即可求得所需微调的质量块质量和相应的安装位置(钢制研磨盘上有12个安装微调质量块的螺钉孔)；
5) 检测测量取出步骤3)的试验性质量块，根据4)计算出的微调质量和位置安装微调质量块，安装微调质量块时，注意保证钢制研磨盘旋转方向和动平衡仪指针旋转方向一致，安装完微调质量块后对主轴回转精度进行测量，得到平衡后的不平衡剩余量；
6) 以步骤5)测得的剩余振动矢量微初始振动矢量，重复步骤2) 5)，最后使主轴径向回转精度优于0.05pm，轴向回转精度优于O.lnm;
7) 关闭电源后关掉气源。
第四、钢制研磨盘无需涂覆金刚石磨料而直接开始刃磨加工金刚石刀具。刃磨刀具过程中，刀体卡具应附加往复运动，但往复运动的行程应小于5mm，刃磨方向应为易磨方向。刃磨工作的具体操作步骤如下
1、 装卡刀具，刀体卡具调水平；
2、 打开气源、开启机床电源，调节机床主轴转速；
3、 调整前刀面刃磨方向为易磨方向，并调节刀具前角；
4、 采用优选的工艺参数刃磨刀具研磨速度为33.96m/s、研磨压力为5.95N、研磨时间为5min;
5、 关闭机床电源，关闭气源。
权利要求
1、一种适合于金刚石刀具制造的热-机耦合刃磨工艺，其特征在于金刚石刀具制造的热-机耦合刃磨工艺的步骤为步骤一空气隔振垫充气后调整刃磨机床平衡状态使其保持水平；步骤二钢制研磨盘工作表面经过精车成形后进行热处理和精细抛光，控制钢制研磨工作表面达到镜面效果，且硬度HRC≥63，然后直接安装在金刚石刀具刃磨机床上；步骤三采用高精度动平衡仪对2800r/min转速下的研磨机床主轴系统进行精细动平衡，控制主轴在2800r/min工作转速下径向回转精度小于0.05μm，轴向回转精度小于0.1μm；步骤四开始刃磨金刚石刀具，具体操作步骤为装卡金刚石刀具，刀体卡具调水平；打开气源，开启金刚石刀具刃磨机床电源，调节机床主轴转速；调整前刀面刃磨方向为易磨方向，并调节刀具前角；在研磨速度为33.96m/s、研磨压力为5.95N、研磨时间为5min条件下刃磨刀具，控制金刚石刀具刃口锋利度＜10nm。
2、 根据权利要求1所述一种适合于金刚石刀具制造的热-机耦合刃磨工艺，其特征在于所述步骤二中的钢制研磨盘精细抛光后，工作表面的平面度达至lj 5,。
全文摘要
一种适合于金刚石刀具制造的热-机耦合刃磨工艺，它涉及一种适合于金刚石刀具制造的刃磨工艺。本发明解决了现有的金刚石刀具的机械刃磨工艺无法解决金刚石刀具刃口锋利度优于10nm的问题。本发明的方法步骤为调节金刚石刀具刃磨机床平衡；钢制研磨盘工作表面经过精车成形后热处理，并精细抛光，达到镜面效果；对研磨机床主轴系统进行精细动平衡；装卡金刚石刀具，刀体卡具调水平；打开气源，开启金刚石刀具刃磨机床电源，调节机床主轴转速；调整前刀面刃磨方向为易磨方向，调节刀具前角；在研磨速度为33.96m/s、研磨压力为5.95N、研磨时间为5min的条件下刃磨刀具。本发明具有刃磨工艺简单、成本低、效率高的特点，可刃磨出优于10nm刃口锋利度的金刚石刀具。
文档编号B24B3/00GK101659020SQ20091007287
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月14日 优先权日2009年9月14日
发明者涛 孙, 宗文俊, 李增强, 申 董 申请人:哈尔滨工业大学