圆弧刃金刚石刀具刃磨中的关键技术李增强1 夏广岚2 宗文俊1 孙 涛1 董 申1 1哈尔滨工业大学 2佳木斯大学摘 要:天然圆弧刃金刚石刀具是加工球曲面、非球曲面零件的重要工具,由于金刚石各向异性,使圆弧刃刃磨技术成为金刚石刀具制造中的难点和关键。
本文针对圆弧金刚石刀具刃磨机理,设计了相应的刃磨机,并对刃磨结果进行了检测,表明这种刃磨机完全可以满足超精密球面和非球面曲面零件的加工要求。
关键词:天然金刚石刀具, 圆弧刃, 研磨工艺, 精密测量Key Technique of Grinding Circular Arc Diamond Cutting ToolLi Zengqiang Xia Guanglan Zong Wenjun et alA bstract :The natural circular arc diamond cutting tool is an important cutting tool by which the spherical or aspherical curved s urface parts can be machined .The cutter grinding technique of the circular arc edge is the key technique and a difficult problem to solve because of the anisotropism of the natural diamond .Through the analyzing of the cutter grinding mechanism ,the key technologies and related techniques in the process of the arc edge cutter grinding are investigated using the developed cutter grinding device .The grinded edges are measured .The high -quality tools that meet the requirements of the ultra -precise curved face machining have been obtained .Keywords :natural diamond cutting tool , circular arc ed ge , grinding craft , precision measurement 1 引言利用天然金刚石刀具进行超精密车削加工是获得高质量加工表面的主要方法,采用天然金刚石刀具加工球曲面、非球曲面零件,可保证切削的纹理粗糙度较小,容易安装刀具以及刀具磨损后对加工表面的影响较小。
但圆弧刃金刚石刀具制造工艺的难度(要求同时产生锋利度和圆弧精度),特别是刃磨工艺一直阻碍我国超精密曲面切削技术的发展。
圆弧刃金刚石车刀的制造包括金刚石晶体定向、刃磨、刃磨质量测试以及刀体焊接等,其刃磨设备精度和刃磨工艺技术是其制造的关键。
它包括刃口锋利度和刃口圆轮廓度两个研磨指标,参见图1。
图中,ρ为刃口半径指标(亦称为刃口锋利度);R 为圆弧半径;ΔR 为圆弧度指标。
图1 圆弧刃刀具制造中两个关键刃磨参数目前国外要求加工非球面零件(如光学透镜)用的刀具锋利度在0.1μm 以内(亦称为刃口半径),120°范围内圆度为0.1μm ,60°圆弧范围内圆度指标为0.05μm 。
目前国内刃磨直线刃最好的锋利度指标约0.2μm ,而圆弧度最好为0.5μm 左右,与国外技术水平有较大差距。
而圆轮廓度正是曲面超精密加工中的重要指标,当采用双轴数控超精密车床进行加工时,圆弧误差将直接复映到被加工件表面,产生形状误差,因此圆弧度也就成了刃磨的重要指标。
加工球曲面的例子参见图2。
当双轴数控位移量为常值时,R 变化时(即由R 1～R 2时)将引起被加工件表面产生形状误差。
图2 圆弧刃的圆度轮廓对加工表面的影响刃磨方法有多种,机械研磨是最传统的方法,此方法工艺简单,费用低廉,经过精细研磨的金刚石晶体能获得高质量的表面。
因此,针对目前国内圆弧刃金刚石刀具制造的低水平以及针对刃磨技术中的关键问题,进行了有针对性的关键技术研究。
获得了质量较好的合格刀具。
2 刃磨机理主要机理问题包括金刚石与金刚石对研中的去除规律,不同晶向对研时去除量是不同的;产生什么1052004年第38卷№9样的研磨运动才能得到高质量的圆弧刃。
经检测发现,在研磨过程中,金刚石晶体(110)晶面和(100)晶面的易磨和难磨方向都存在着塑性沟槽,这就说明在研磨过程中表层材料必定经历了塑性变形。
不同的是易磨方向塑性变形容易些,沟槽的数目少,但宽而深,而难磨方向的塑性变形相对较难,沟槽数目多,但窄且浅。
这就说明金刚石晶体进行机械研磨时,表层材料去除的主要方式是塑性变形方式[1]。
研究工作表明,单晶金刚石晶体进行机械研磨时,其研磨效率有明显的各向异性[2]。
图3是对金刚石晶体以不同的研磨方向及相同的研磨条件研磨后,用原子力显微镜观察得到的研磨表面沟槽深度变换曲线。
由图可知,各研磨方向的最大沟槽深度存在显著的各向异性。
对其作研磨效率的定理比较后得到(110)晶面的研磨效率要高于(100)晶面,就是磨损率较高。
高的磨损率会使刀具的使用寿命在很大程度上缩短,因此我们使用(100)晶面作为刀具的前后刀面。
图3 不同研磨方向最大沟槽深度在研磨工艺诸因素中,对金刚石刀具研磨质量影响最大的是研磨方向,如果找到了最佳研磨方向,在这个方向上研磨,就可以得到很高的研磨效率和研磨质量;当研磨方向偏离最佳方向时,研磨效率和研磨质量将有所下降;如果正好选在难磨方向,就有可能出现研磨不动或崩刃现象[3]。
研磨时,一般应附加一个与研磨方向交叉的往复运动。
这样,不仅可以使研磨盘的磨损比较均匀,更重要的是可以明显改善研磨状况及金刚石刀具的粗糙度。
实践证明,表面粗糙度、研磨切向力和研磨温度,是随往复运动的减小而增大。
即当往复运动的速度为零时,它们的值达到最大。
鉴于这种情况,应给主轴加一个偏摆运动,就是主轴在回转的同时,主轴整体又绕另一轴线作回转运动,而这种回转运动对主轴来说就是一种偏摆运动。
3 刃磨设备结构及其工作原理根据研磨机理,以及需要产生的运动方式,设计了一种研磨机,结构见图4,研制后的装置参见图5。
图4 圆弧刃刀具研磨机结构图5 圆弧刃刀具研磨机外观如图4所示,机床大体由七大部件组成:①箱体;②主轴偏摆部件;③研磨盘主轴部件;④夹具部件;⑤摆动主轴部件;⑥后角调节部件;⑦导轨部件,另外还有控制系统,图中没有画出。
研磨盘由空气主轴支撑,主轴由涡流式电动机直接驱动;刀具夹持部分用摆角可调的高精度轴承支撑,以保证刀刃的圆弧精度;刀具主轴固定在三座标运动装置上,某一个方向的研磨点的速度矢量可调;刀具在垂直方向由高灵敏度滚动导轨支承,并加以配重来控制研磨压力;通过电机-皮带轮-涡轮涡杆-四连杆机构来实现主轴的偏摆,实现研磨盘的复杂运动。
4 刃磨工艺试验(1)晶面选择金刚石晶体各晶面在好磨方向上,(111)晶面的磨削率最低,(100)晶面次之,(110)晶面磨削率最高。
由于(111)晶面硬度太高,研磨加工难,而且微观强度不高,易解理,很难磨出锋利刃口,因此不宜选用(111)晶面作为刀具的工作面。
虽然(110)晶面在好磨方向上磨削率比(100)晶面高近一倍,但从金106工具技术刚石不同晶面产生破损的机率来看,(110)晶面的破损机率最大,(111)晶面次之,(100)晶面最不易破损。
因此从刀具制造角度看,虽然(100)晶面的研磨效率低于(110)晶面,但最后精磨时,由于(100)晶面微观强度高,反而更易于获得锋利的刃口[4]。
因此选用(100)作为磨削面。
(2)线速度研磨速率越大,热点温度越高,从而加剧了材料去除的各种机制(主要为机械磨损和热化学去除),提高了研磨效率。
一般来说,粗磨时以去除余量为主要目的,研磨速度一般取30m/s比较合适。
但在精磨时,为获得完美刃口,减小研磨粉对刃口的撞击程度,研磨速度降低到20～25m/s[5],而在实际研磨试验中选取25m/s。
(3)磨粒研磨粉有天然和人造两种金刚石微粉,基本要求是粒度均匀,天然金刚石粉比人造金刚石粉贵,但持久耐用,一般只在精磨时用。
粗磨时可以使用较粗的微粉(如W10～W30),以提高效率,而精磨时应选用较细的微粉(如W0.5～W1),以保证得到高质量的刃口,最小选用W0.1。
(4)动平衡控制余量高精度的主轴是研磨高精度金刚石刀具的基础,研磨盘的平面度和动平衡不好将严重影响刀具精度和刃口质量。
对现有的气浮主轴进行了动平衡,研磨机主轴的轴向跳动达到0.2μm、径向跳动也达到0.3μm。
利用动平衡机在刃磨主轴轴向、径向进行平衡控制。
(5)研磨压力增加研磨正压力P,研磨温升加大,也可以提高金刚石的磨削率。
但所加压力过大,会影响研磨金刚石的表面质量,也会使研磨盘磨损加剧,粗磨时压力一般为9～12N,精磨时则为5N左右。
(6)刃磨检测对刀具刃磨前及刃磨后的刃口锋利度进行了测量,结果见图6和图7。
图6 刃磨前刃口AFM测量图象图7 刃磨后刃口AFM测量图象参考文献1 Van B ouwelen F M,Van Enckevort W J P.A simple model to describe the anisotropy of diamond polishing.Diamond and Re-lated Materials,1999,8:840～8442 Gogots i Y G.Pressure-induced phase transformations in dia-mond.Journal of Applied Physics,1998,84(3):1299～1304 3 何雅全编译.超精密金刚石刀具的研磨.超精密加工技术译文集.航空航天部303所国防科技重点试验室, 1999.124 袁哲峻,王先逵.精密和超精密加工技术.机械工业出版社,1999.23～425 刘志平,董丽华等.超精密金刚石刀具研磨技术的研究.人工晶体学报,2001(4):413～418第一作者:李增强,博士研究生,哈尔滨工业大学精密工程研究所,150001哈尔滨市哈工大413信箱(上接第98页)小,烧结体均匀、致密,这对于制备高性能精细陶瓷具有广阔的应用前景,特别是为纳米材料的研制提供了重要的工艺手段。
(3)本法建立的烧结工艺稳定、操作方便,配合所设计的辅助保温加热装置和选择的助热材料成功地对金属陶瓷进行了烧结。