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CN103286700B - 金刚石刀阵磨具装置及其加工方法 - Google Patents

金刚石刀阵磨具装置及其加工方法 Download PDF

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CN103286700B CN201310198686.5A CN201310198686A CN103286700B CN 103286700 B CN103286700 B CN 103286700B CN 201310198686 A CN201310198686 A CN 201310198686A CN 103286700 B CN103286700 B CN 103286700B
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吕迅
李志鑫
应申舜
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Henan Chuangyan New Material Technology Co ltd
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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Abstract

本发明公开了一种金刚石刀阵磨具装置及其加工方法，所述装置包括盘体、刀杆、金刚石颗粒和气腔，所述盘体为圆形结构，所述盘体上开设有以所述盘体圆心为中心的多层环形排布的装配等直径所述刀杆的气腔孔以及连通压缩空气的所述气腔；所述刀杆排布安装在所述气腔孔内，所述刀杆的前端钎焊有所述金刚石颗粒，所述刀杆的尾端安装在所述气腔孔内并与所述气腔相通形成一活塞端，各刀杆的活塞端通过所述气腔相通；压缩空气对所述的刀杆活塞端施加法向气压使所述金刚石颗粒的刀刃对工件形成多向微量的等切深切削。本发明采用金刚石刀阵磨具，磨具上每一金刚石颗粒对工件进行等切削深度加工，可实现极薄切屑加工，加工表面质量好。

Description

金刚石刀阵磨具装置及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石刀阵磨具装置及其加工方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，软脆材料在现代高技术行业的诸多领域得到广泛应用，如用在室温核辐射探测器材料及高性能红外焦平面器（HgCdTe）衬底材料的碲锌镉晶体（CdZnTe,CZT），唯一可用于惯性约束核聚变的非线性光学材料的KDP晶体，宽禁带、高载流子迁移率的半导体电子材料GaAs、InP,光学玻璃FCD1、E-FSD1等。这些性能优异的软脆材料的应用正成为国际上高新技术领域的研究热点。软脆材料是一个相对的概念，是相较于其它脆性材料（硅的莫氏硬度为7）而言，如CZT的莫氏硬度仅为2.3，KDP的莫氏硬度为2.5，GaAs的莫氏硬度为4.5。软脆材料本身硬度不高，但脆性却很大。用传统的超精密加工（研磨、抛光）容易出现磨粒嵌入、塌边等缺陷，从而严重地影响了材料性能。
发明内容
为了克服传统超精密加工装置加工软脆材料时容易出现磨粒嵌入、塌边等缺陷，从而严重地影响了材料性能的缺陷，本发明提供一种低成本、高效、精密、少无损伤的软脆材料超精密加工方法，其采用一种新型的超精密研磨磨具——金刚石刀阵磨具。这种新型磨具及其加工方法还可适用于其它脆性材料的超精密加工。
本发明采用的技术方案是：
金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：包括盘体、刀杆、金刚石颗粒和气腔，所述盘体为圆形结构，所述盘体上开设有以所述盘体圆心为中心的多层环形排布的装配等直径所述刀杆的气腔孔以及连通压缩空气的所述气腔；所述刀杆排布安装在所述气腔孔内，所述刀杆的前端钎焊有所述金刚石颗粒，所述刀杆的尾端安装在所述气腔孔内并与所述气腔相通形成一活塞端，各刀杆的活塞端通过所述气腔相通；压缩空气对所述的刀杆活塞端施加法向气压使所述金刚石颗粒的刀刃对工件形成多向微量的等切深切削。
进一步，所述气腔孔之间相通，其内采用空气、水等流体介质，使其作用于各刀杆的尾端，从而在加工中各刀杆对加工工件保持相同的法向作用力。
进一步，所述气腔孔的末端位置设置有限位盘，所述限位盘与所述气腔内螺纹连接。
进一步，每层所述环形排布的气腔孔之间间距相同。
进一步，金刚石颗粒可刃磨成圆锥状、三棱锥状或四棱锥状，且其钝圆半径可刃磨至10nm-10μm。
进一步，所述金刚石颗粒为单晶金刚石或聚晶金刚石。
进一步，所述气腔孔的直径为1-10mm。
进一步，每层环形排布的所述气腔孔之间的孔距为1-20mm。
采用上述所述的金刚石刀阵磨具装置的超精密加工方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
（1）、制作金刚石刀阵磨具；
(2)、测定工件材料的临界切削深度：
将工件粘成一微小斜坡，用金刚石刀阵磨具对其加工，在工件表面形成由浅入深的微切痕，微切痕由浅入深分为三个区域，分别为：塑性切削区、塑脆性转变区和脆性切削区；在高倍率白光干涉仪下跟踪观察微切痕，在其塑脆性转变临界点上测量此处微切痕深度，即为其临界切削深度；
(3)、计算临界气压载荷Pc及工件上临界加工载荷Fsc：
测得单一刀杆压入工件至临界切削深度的临界压力Fc，根据被加工工件大小计得加工时参与切削刀杆数N，则工件上临界加工载荷Fsc应为
Fsc=Fc*N
而临界气压载荷Pc为
Pc=Fc/S
其中S为刀杆活塞端的截面积；
（4）、加工时金刚石刀阵磨具压缩空气按临界气压载荷Pc，对工件施加临界加工载荷Fsc进行加工。
本发明加工时，金刚石刀阵磨具安装在平面研磨机上，在真空吸盘的作用下绕自身轴线旋转并通预定载荷的压缩空气，压缩空气对所述的刀杆活塞端施加相同的法向气压（各刀杆活塞端通过气腔相通）。工件也被施加对应载荷并绕自身轴线旋转形成类平面研磨运动，此时每个金刚石颗粒的刀刃对工件形成多向微量的等切深切削，且容屑空间好，不易发生堵塞。
本发明中金刚石刀阵磨具加工时通压缩空气气压载荷根据要求材料去除率和表面粗糙度决定；并通过计算临界气压载荷Pc及工件上临界加工载荷Fsc，可实现脆性材料的高效塑性域加工。
本发明的有益效果体现在：
1、采用金刚石刀阵磨具，磨具上每一金刚石颗粒对工件进行等切削深度加工；
2、金刚石刀阵磨具上金刚石颗粒可刃磨至极锋利，可实现极薄切屑加工，加工表面质量好；
3、当控制合适加工载荷，使每一金刚石颗粒对工件表面切削深度都在被加工材料的临界切削深度，可实现高效的塑性域加工；
4、金刚石刀阵研磨在平面研磨机上加工，对机床精度要求不高，且对机床隔振要求不高。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明图1中A向局部示意图（移除真空吸盘和工件等）。
图3是本发明测量脆性材料临界切削深度的工件设置示意图。
图4是测量脆性材料临界切削深度的方法示意图。
具体实施方式
参照图1至图4，金刚石刀阵磨具装置，包括盘体1、刀杆2、金刚石颗粒3和气腔4，所述盘体1为圆形结构，所述盘体1上开设有以所述盘体1圆心为中心的多层环形排布的装配等直径所述刀杆2的气腔孔以及连通压缩空气6的所述气腔4；所述刀杆2排布安装在所述气腔孔内，所述刀杆2的前端钎焊有所述金刚石颗粒3，所述刀杆2的尾端安装在所述气腔孔内并与所述气腔4相通形成一活塞端，各刀杆的活塞端通过所述气腔4相通；压缩空气对所述的刀杆活塞端施加法向气压使所述金刚石颗粒的刀刃对工件形成多向微量的等切深切削。
进一步，所述气腔孔之间相通，其内采用空气、水等流体介质，使其作用于各刀杆的尾端，从而在加工中各刀杆对加工工件保持相同的法向作用力。
进一步，所述气腔孔的末端位置设置有限位盘5，所述限位盘5与所述气腔内螺纹连接。
进一步，每层所述环形排布的气腔孔之间间距相同。
进一步，金刚石颗粒3可刃磨成圆锥状、三棱锥状或四棱锥状，且其钝圆半径可刃磨至10nm-10μm。
进一步，所述金刚石颗粒3为单晶金刚石或聚晶金刚石。
进一步，所述气腔孔的直径为1-10mm。
进一步，每层环形排布的所述气腔孔之间的孔距为1-20mm。
采用上述所述的金刚石刀阵磨具装置的超精密加工方法，所述方法包含以下步骤：
（1）、制作金刚石刀阵磨具；
(2)、测定工件材料的临界切削深度：
将工件7粘成一微小斜坡，用金刚石刀阵磨具对其加工，在工件表面形成由浅入深的微切痕10，微切痕10由浅入深分为三个区域，分别为：塑性切削区11、塑脆性转变区12和脆性切削区13；在高倍率白光干涉仪下跟踪观察微切痕，在其塑脆性转变临界点上测量此处微切痕深度，即为其临界切削深度14；
(3)、计算临界气压载荷Pc及工件上临界加工载荷Fsc：
测得单一刀杆压入工件至临界切削深度14的临界压力Fc，根据被加工工件大小计得加工时参与切削刀杆数N，则工件上临界加工载荷Fsc应为
Fsc=Fc*N
而临界气压载荷Pc为
Pc=Fc/S
其中S为刀杆活塞端的截面积；
（4）、加工时金刚石刀阵磨具压缩空气按临界气压载荷Pc，对工件施加临界加工载荷Fsc进行加工。
本发明加工时，金刚石刀阵磨具安装在平面研磨机上，在真空吸盘8的作用下绕自身轴线旋转并通预定载荷的压缩空气，压缩空气对所述的刀杆活塞端施加相同的法向气压（各刀杆活塞端通过气腔相通）。工件7通过薄垫片9安装在平面研磨机的基盘15上，工件7也被施加对应载荷并绕自身轴线旋转形成类平面研磨运动，此时每个金刚石颗粒的刀刃对工件形成多向微量的等切深切削，且容屑空间好，不易发生堵塞。
本发明中金刚石刀阵磨具加工时通压缩空气气压载荷根据要求材料去除率和表面粗糙度决定；并通过计算临界气压载荷Pc及工件上临界加工载荷Fsc，可实现脆性材料的高效塑性域加工。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：包括盘体、刀杆、金刚石颗粒和气腔，所述盘体为圆形结构，所述盘体上开设有以所述盘体圆心为中心的多层环形排布的装配等直径所述刀杆的气腔孔以及连通压缩空气的所述气腔；所述刀杆排布安装在所述气腔孔内，所述刀杆的前端钎焊有所述金刚石颗粒，所述刀杆的尾端安装在所述气腔孔内并与所述气腔相通形成一活塞端，各刀杆的活塞端通过所述气腔相通；压缩空气对所述的刀杆活塞端施加法向气压使所述金刚石颗粒的刀刃对工件形成多向微量的等切深切削。
2.如权利要求1所述的金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：所述气腔孔之间相通。
3.如权利要求2所述的金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：所述气腔孔的末端位置设置有限位盘，所述限位盘与所述气腔内螺纹连接。
4.如权利要求3所述的金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：每层所述环形排布的气腔孔之间间距相同。
5.如权利要求4所述的金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：金刚石颗粒可刃磨成圆锥状、三棱锥状或四棱锥状，且其钝圆半径可刃磨至10nm-10μm。
6.如权利要求5所述的金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：所述金刚石颗粒为单晶金刚石或聚晶金刚石。
7.如权利要求6所述的金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：所述气腔孔的直径为1-10mm。
8.如权利要求7所述的金刚石刀阵磨具装置，其特征在于：每层环形排布的所述气腔孔之间的孔距为1-20mm。
9.采用如权利要求1～8之一所述的金刚石刀阵磨具装置的超精密加工方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
（1）、制作金刚石刀阵磨具；
(2)、测定工件材料的临界切削深度：
将工件粘成一微小斜坡，用金刚石刀阵磨具对其加工，在工件表面形成由浅入深的微切痕；在高倍率白光干涉仪下跟踪观察微切痕，在其塑脆性转变临界点上测量此处微切痕深度，即为其临界切削深度；
(3)、计算临界气压载荷Pc及工件上临界加工载荷Fsc：
测得单一刀杆压入工件至临界切削深度的临界压力Fc，根据被加工工件大小计得加工时参与切削刀杆数N，则工件上临界加工载荷Fsc应为
Fsc=Fc*N
而临界气压载荷Pc为
Pc=Fc/S
其中S为刀杆活塞端的截面积；
（4）、加工时金刚石刀阵磨具压缩空气按临界气压载荷Pc，对工件施加临界加工载荷Fsc进行加工。
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