CN112605720B - 一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法 - Google Patents
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Abstract
一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，属于超精密制造装备技术领域。主要包括如下步骤：S1.建立圆弧刃金刚石刀具刀尖的研磨装置；S2.将刀柄水平安装在刀架上；S3.调整主轴部件的俯仰角度和刀具的高度；S4.操作粗进给部件带动刀具逼近砂轮研磨盘；S5.操作粗进给部件进给刀具完成粗磨工作；S6.控制微进给部件完成刀具精磨工作；S7.若微进给部件无法继续向砂轮研磨盘方向进给，重复S6；S8.观察刀具圆弧是否满足要求，选择重复S6和S7或者完成研磨工作。本发明以金刚石刀具性能和刀具研磨技术为基础，为解决圆弧刃金刚石刀具刀尖材料均匀去除问题，改善刀具圆弧刃的加工质量迈出了探究性的一步。
Description
技术领域
本发明属于超精密制造装备技术领域，涉及一种金刚石刀具材料去除方法。
背景技术
单点金刚石刀具切削技术起源于上世纪中期的美国，现已发展成为超精密加工中一种不可缺少的技术手段，并广泛应用于超精密镜面零件、具有复杂微小表面结构零件、超精密光学零件等加工过程。其可以通过一次切削完成最终的加工，代替了传统的由粗到精再到超精的加工过程，可以避免工件多次装夹造成的误差，具有广阔的发展前景。
随着对超精密加工零件的质量要求越来越高，加工所需要的金刚石刀具的质量相应地也需要被提高，当要求被加工表面粗糙度小于5nm，需要使用切削刃钝圆半径小于70nm的圆弧刃金刚石刀具。对于圆弧刃金刚石刀具，其刀尖圆弧的波纹度也是零件加工表面质量的决定性因素，尤其是在加工曲面零件时，其圆弧刃上每段刀刃都要用于零件加工，因此刀尖圆弧曲率的高度均一性，可以保证零件表面的高精度。机械刃磨法是目前公认的，金刚石刀具加工工艺中高效率，低成本，操作简便且适用性最广的一种金刚石刀具加工方法，该方法要想加工出低波纹度的圆弧刃金刚石刀具，在研磨刀具刀尖圆弧的过程中，要尽量保证刀具材料随着时间被均匀去除。
由于金刚石晶体的各向异性，其不同晶面以及同一晶面不同晶向的机械性能差异明显。而在使用传统的机械刃磨法加工圆弧刃金刚石刀具的过程中，刀尖晶体与机械研磨盘之间接触方向的变化是不断发生且不可避免的，这会导致刀具的材料去除率随着研磨方向的改变而不断变化。然而，要想获得超低刀尖圆弧的波纹度的圆弧刃金刚石刀具，刀具刀尖材料的均匀去除是其加工过程的必要条件。目前国内外的研究人员普遍采用恒定的工艺参数研磨圆弧刃金刚石刀具，受到刀具材料去除不均匀性的制约，加工出的刀具的质量一直无法得到进一步的提高。如何解决这一问题，是突破圆弧刃金刚石刀具加工质量的关键，所以需要可以解决该问题的圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法。
发明内容
为了解决现有的技术空缺，本发明提供了一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.建立圆弧刃金刚石刀具刀尖的研磨装置；
S2.将刀具焊接到刀柄上，并将刀柄水平安装在研磨装置的刀架上；
S3.调整研磨装置的主轴部件的俯仰角度与需要被研磨的刀具后角一致，并调整刀柄在刀架上的高度，使金刚石刀片与研磨装置的砂轮研磨盘的中心在同一水平线上；
S4.操作粗进给部件带动刀具逼近砂轮研磨盘；
S5.操作粗进给部件进给刀具完成粗磨工作；
S6.控制微进给部件完成刀具精磨工作；
S7.若微进给部件9无法继续向砂轮研磨盘5方向进给，重复S6的过程，直至完成金刚石刀具的精磨工作；
S8.观察刀具圆弧是否满足要求，若不满足，重复S6和S7，直到刀具精度达到要求，启动粗进给部件10完成刀具退刀工作，拆卸刀具，主轴停转。
本发明的有益效果在于：
1.本发明考虑到金刚石刀具研磨过程中的各向异性，以及金刚石刀具进给量、工作台面摆动速度和刀具研磨方向之间的关系，通过高进给精度的微进给部件和液体静压转台部件的联动，实现了圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除，能够进一步提高加工出的刀尖圆弧质量。
2.本发明通过超高精度微进给部件与较低精度粗进给部件相结合的刀具进给系统，搭配超高精度的液体静压转台部件，可以为本发明提出的圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法提供设备保障，从而可以简单便捷地进行刀具刀尖圆弧材料均匀去除操作。
附图说明
图1为本发明的总体结构的三维立体图，(图1中的箭头所指的方向为机床工作时金刚石刀具的进给方向；)
图2是本发明的总体主视图；
图3是图2的俯视图。
图4为液体静压转台部件的主剖视图；
图5为微进给部件的俯视结构图；
图6为粗进给部件的主剖视结构图；
图7为导轨座和导轨安装示意图；
图8为移动块安装示意图；
图9为防尘板安装示意图；
图中：1、机床基座；2、导轨部件；3、主轴基座；4、主轴部件；5、砂轮研磨盘；6、CCD相机；7、相机支架；8、刀架；9、微进给部件；9-1、柔性铰链；9-2、压电陶瓷；9-3、刚性支撑架；10、粗进给部件；10-1、底座挡板；10-2、丝杠轴承；10-3、进给丝杠；10-4、导轨；10-5、移动块；10-6、导轨座；10-7、平移台面；10-8、进给螺母；10-9、平移台底座；10-10、防尘板；10-11、轴承支架；10-12、联轴器；10-13、进给电机；10-14、电机壳体；11、液体静压转台部件；11-1、转台底座；11-2、壳体；11-3、密封圈；11-4、工作台面；11-5、径向轴承定子；11-6、轴承转轴；11-7、圆光栅；11-8、读数头；11-9、读数头支架；11-10、转台电机；11-11、节流器；11-12、轴向轴承止推板。
具体实施方式
下面结合附图1-6对本发明做详细的介绍。
一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，包括以下步骤：
S1.建立圆弧刃金刚石刀具刀尖的研磨装置；研磨装置的主轴部件4的径向刚度和轴向刚度分别为220N/μm和180N/μm，砂轮研磨盘5粒度为#3000，进给运动选择粗进给与微进给相结合的方式，分别由粗进给部件10和微进给部件9实现；
S2.将刀具焊接到刀柄上，(刀具为由激光切割的金刚石刀片毛坯)并将刀柄水平安装在研磨装置的刀架8上；
S3.调整研磨装置的主轴部件4的俯仰角度与需要被研磨的刀具后角一致，并调整刀柄在刀架8上的高度，使金刚石刀片与研磨装置的砂轮研磨盘5的中心在同一水平线上；
S4.操作粗进给部件10带动刀具逼近砂轮研磨盘5；
具体为，启动主轴部件4，使砂轮研磨盘5转动，操作研磨装置的粗进给部件10带动微进给部件9和刀架8向砂轮研磨盘5的方向进给，并由砂轮研磨盘5上方的CCD相机6观察，直至金刚石刀具的刀尖接近砂轮研磨盘5的表面；
S5.操作粗进给部件10进给刀具完成粗磨工作；
具体为，设定好研磨装置的液体静压转台部件11的工作台面11-4的摆动速度和最大摆角、导轨部件2往复移动的范围，(其中：摆动速度为分钟往复10-30次，最大摆角为±120°，导轨部件2往复移动的范围为相对初始位置10-30mm。)
操作粗进给部件10进行刀具进给，导轨部件2带动主轴部件4往复移动，液体静压转台部件11带动粗进给部件10、微进给部件9和刀架8往复摆动，直至完成刀具的粗磨工作，固定粗进给部件10的平移台面10-7；
S6.控制微进给部件9完成刀具精磨工作；
具体为，控制微进给部件9的压电陶瓷9-2伸缩，使与之接触的柔性铰链9-1发生微小变形，从而带动刀架8移动实现金刚石刀具的微量进给，同时控制导轨部件2带动机床主轴部件4往复移动，液体静压转台部件11带动粗进给部件10、微进给部件9和刀架8往复摆动。
在此过程中，设定好微进给部件9的进给量、工作台面11-4摆动位置和工作台面11-4摆动速度之间的关系(通过编写程序设定好微进给部件9和液体静压转台部件11工作时的运动状态)，进行金刚石刀具的精磨工作。
S7.若微进给部件9无法继续向砂轮研磨盘5方向进给，重复S6的过程，直至完成金刚石刀具的精磨工作；
具体为，使微进给部件9退回初始位置，再启动粗进给部件10的平移台面向主轴方向进给微进给部件9一半行程的距离，之后再次启动微进给部件9，重复S6的过程，直至完成金刚石刀具的精磨工作；
S8.观察刀具圆弧是否满足要求，若不满足，重复S6和S7，直到刀具精度达到要求，启动粗进给部件10完成刀具退刀工作，拆卸刀具，主轴停转。
具体为，通过研磨装置的CCD相机6观察刀具圆弧是否满足要求
在S6中，进行金刚石刀具的精磨工作时，材料去除速率的计算公式如式一所示：
V∝P·T·△M
其中，V——金刚石刀具材料去除量；P——研磨压力；T——研磨时间；△M——单位时间内单位压力下材料的去除率。
从公式一可以看出，由于△M是金刚石的固有属性，只与刀具的研磨方向，即刀具研磨时摆动的位置有关——越难磨的方向该参数越小，越好磨的方向改参数越大。所以需要根据刀具摆动的位置，适当地调整研磨时的压力。由于研磨压力随着进给量的增大而增大，因此，去除难磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地加大微进给量，去除好磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地减小微进给量，即通过设定微进给部件9的进给量与工作台面11-4的摆动位置之间的关系，可以实现圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除；
在S6中，进行金刚石刀具的精磨工作时，材料去除速率的计算公式如式一所示。
在S6中，从公式一可以看出，由于△M是金刚石的固有属性，只与刀具的研磨方向，即刀具研磨时摆动的位置有关。所以需要根据刀具摆动的位置，适当地调整研磨时的时间。由于研磨时间与工作台面11-4的摆动速度成反比，因此，去除难磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地减小工作台面11-4的摆动速度，去除好磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地提高工作台面11-4的摆动速度，即通过设定工作台面11-4的摆动速度与工作台面11-4的摆动位置之间的关系，可以实现圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除；
如图1～图3所示，所述研磨装置包括机床基座1、导轨部件2、主轴基座3、主轴部件4、砂轮研磨盘5、CCD相机6、相机支架7、刀架8、微进给部件9、粗进给部件10及液体静压转台部件11；所述刀架8安装在微进给部件9上，所述微进给部件9安置于粗进给部件10上，所述粗进给部件10安装在液体静压转台部件11上，所述砂轮研磨盘5和刀架8相对应设置，砂轮研磨盘5安装在主轴部件4上，(主轴部件4相当于机床主轴部件为现有技术，)所述主轴部件4安装在主轴基座3上，所述主轴基座3底面固定在导轨部件2的上表面上，所述CCD相机6设置在砂轮研磨盘5上方用于观察砂轮研磨盘5，CCD相机6安装在相机支架7上，液体静压转台部件11、导轨部件2和相机支架7均固定在机床基座1的上表面。
如图4所示，所述液体静压转台部件11包括转台底座11-1、壳体11-2、密封圈11-3、工作台面11-4、径向轴承定子11-5、轴承转轴11-6、圆光栅11-7、读数头11-8、读数头支架11-9、转台电机11-10、节流器11-11及轴向轴承止推板11-12；所述转台电机11-10的外圆表面与转台底座11-1的内圆表面过盈安装，转台电机11-10套装在轴承转轴11-6上带动轴承转轴11-6转动，所述轴承转轴11-6顶面上安装有用于安装粗进给部件10的工作台面11-4，所述径向轴承定子11-5套装在轴承转轴11-6外圆表面上用于支撑轴承转轴11-6且放置在转台底座11-1的顶面上，所述径向轴承定子11-5的上下表面和内圆表面设有内凹的油槽，每个油槽的正中心都设有一个节流孔，每个节流孔内镶嵌着一个节流器11-11，且节流器11-11的上表面和油槽的内表面处于同一平面；所述壳体11-2套装在径向轴承定子11-5外侧，壳体11-2和径向轴承定子11-5之间设有密封圈11-3，壳体11-2下端套装在转台底座11-1外侧，壳体11-2上端与工作台面11-4底面凹凸间隙插接，所述轴向轴承止推板11-12套装在轴承转轴11-6且设置在径向轴承定子11-5下方；所述圆光栅11-7套装在轴承转轴11-6上，所述读数头11-8靠近圆光栅11-7设置且通过数头支架11-9安装在转台底座11-1上。
转台工作时，工作台面11-4在液压油的作用下浮起，并跟随轴承转轴11-6在转台电机-10的带动下做旋转运动。
液体静压转台部件11的轴承在工作中没有磨损，油膜的误差均化作用可以提高该部件的回转精度，此外，这种电机直驱的驱动方式从根本上解决了机械传动系统具有反向间隙的问题，进一步提高了部件的精度，该种驱动方式还能加快系统的响应速度，因此适合对转台精度和响应速度要求较高的圆弧刃金刚石刀具刀尖材料均匀去除微进给装置。
如图5所示，所述微进给部件9包括柔性铰链9-1、压电陶瓷9-2及刚性支撑架9-3；所述柔性铰链9-1和刚性支撑架9-3为一整体结构，所述压电陶瓷9-2的左侧面与柔性铰链9-1的右侧面固定连接，压电陶瓷9-2的右侧面与刚性支撑架9-3的内表面固定连接，所述刀架8紧固安装在柔性铰链9-1的上表面上。
微进给部件9可以将压电陶瓷9-2的微量伸缩量转化为微进给部件9的微量移动量，可以实现超高精度的进给。
如图6～9所示，所述粗进给部件10包括底座挡板10-1、丝杠轴承10-2、进给丝杠10-3、导轨10-4、移动块10-5、导轨座10-6、平移台面10-7、进给螺母10-8、平移台底座10-9、防尘板10-10、轴承支架10-11、联轴器10-12、进给电机10-13及电机壳体10-14；所述进给电机10-13通过联轴器10-12与进给丝杠10-3同轴连接并带动进给丝杠10-3转动，所述进给丝杠10-3上螺纹套装有进给螺母10-8并带动进给螺母10-8沿进给丝杠10-3移动，所述进给螺母10-8通过移动块10-5与平移台面10-7连接，所述平移台面10-7用于安装微进给部件9；所述进给电机10-13安装在电机壳体10-14的内表面上，所述电机壳体10-14和底座挡板10-1之间固定有上下设置的防尘板10-10和平移台底座10-9，所述防尘板10-10穿过平移台面10-7与移动块10-5之间设有的间隙；所述进给丝杠10-3一端通过丝杠轴承10-2嵌套在底座挡板10-1内，进给丝杠10-3另一端通过另一个丝杠轴承10-2嵌套在电机壳体10-14内的轴承支架10-11中，所述移动块10-5通过导轨座10-6滑道安装在两条导轨10-4上，导轨座10-6底部凹槽装卡在两条导轨10-4上，所述两条导轨10-4平行安装在平移台底座10-9的上表面上。
粗进给部件10可以通过丝杠螺母副结构，将电机的旋转运动转化为平移台面的直线运动，适用于较高精度的进给运动，粗进给部件10相对微进给部件9，精度较低但量程更大，通过这种粗、精结合的控制方式，可以更好地控制刀具的进给运动。
研磨装置的工作方式：实行快速进刀、快速退刀或者金刚石刀具粗加工进给操作时，控制粗进给部件10的进给电机10-13带动进给丝杠10-3旋转，通过丝杠螺母传动副将进给电机10-13的旋转运动转化为进给螺母10-8的直线运动，平移台面10-7跟随移动块10-5，在进给螺母10-8的带动下做高精度的直线运动，从而使平移台面10-7上的微进给部件9带动刀架8做直线移动；精加工金刚石刀具刀尖圆弧半径时，需要更高的进给精度，此时固定粗进给部件10的平移台面10-7，控制微进给部件9的压电陶瓷9-2伸缩，使与之接触的柔性铰链9-1发生微小变形，从而带动刀架8移动实现金刚石刀具的微量进给；在金刚石刀具研磨的整个过程中，液体静压转台部件11的工作台面11-4始终做高精度的旋转运动，从而带动工作台面11-4上的部件实现高精度的摆动，当去除难磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地减小工作台面11-4的摆动速度，去除好磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地提高工作台面11-4的摆动速度，进而适当地调整研磨时的时间，可以实现圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除；
当去除难磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地加大微进给量，去除好磨方向的刀尖圆弧材料时，适当地减小微进给量，进而调整研磨时的压力，可以实现圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除，降低刀具圆弧刃的波纹度。
所述主轴部件4为空气静压主轴，转速为3000-7000rpm。
所述导轨部件2为空气静压导轨，导轨部件2行程为80mm。
所述液体静压转台部件11的节流器11-11的内孔直径为0.2-0.5mm，径向轴承定子11-5与轴承转轴11-6之间的间隙，以及轴向轴承止推板11-12和转台台面11-4与径向轴承定子11-5之间的间隙均为20-30μm。
所述粗进给部件10的行程为80-120mm，微进给部件9的行程为50-80μm。
所述CCD相机6的视野范围可以覆盖刀具研磨的全过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.建立圆弧刃金刚石刀具刀尖的研磨装置；
S2.将刀具焊接到刀柄上，并将刀柄水平安装在研磨装置的刀架(8)上；
S3.调整研磨装置的主轴部件(4)的俯仰角度与需要被研磨的刀具后角一致，并调整刀柄在刀架(8)上的高度，使金刚石刀片与研磨装置的砂轮研磨盘(5)的中心在同一水平线上；
S4.操作粗进给部件(10)带动刀具逼近砂轮研磨盘(5)；
S5.操作粗进给部件(10)进给刀具完成粗磨工作；
S6.控制微进给部件(9)完成刀具精磨工作；进行金刚石刀具的精磨工作时，材料去除速率的计算公式为：V∝P·T·△M，其中，V——金刚石刀具材料去除量；P——研磨压力；T——研磨时间；△M——单位时间内单位压力下材料的去除率；根据刀具摆动的位置，通过微进给部件(9)加大微进给量或者减小微进给量，调整研磨时的压力，用于实现圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除，根据刀具摆动的位置，通过减小工作台面(11-4)的摆动速度或者提高工作台面(11-4)的摆动速度，调整研磨时的时间，用于实现圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除；
S7.若微进给部件(9)无法继续向砂轮研磨盘(5)方向进给，重复S6的过程，直至完成金刚石刀具的精磨工作；
S8.观察刀具圆弧是否满足要求，若不满足，重复S6和S7，直到刀具精度达到要求，启动粗进给部件(10)完成刀具退刀工作，拆卸刀具，主轴停转。
2.根据权利要求1所述的一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：在所述S4中，启动主轴部件(4)，使砂轮研磨盘(5)转动，操作研磨装置的粗进给部件(10)带动微进给部件(9)和刀架(8)向砂轮研磨盘(5)的方向进给，并由砂轮研磨盘(5)上方的CCD相机(6)观察，直至金刚石刀具的刀尖接近砂轮研磨盘(5)的表面。
3.根据权利要求1所述的一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：在所述S5中，设定好研磨装置的液体静压转台部件(11)的工作台面(11-4)的摆动速度和最大摆角、导轨部件(2)往复移动的范围，操作粗进给部件(10)进行刀具进给，导轨部件(2)带动主轴部件(4)往复移动，液体静压转台部件(11)带动粗进给部件(10)、微进给部件(9)和刀架(8)往复摆动，直至完成刀具的粗磨工作，固定粗进给部件(10)的平移台面(10-7)。
4.根据权利要求1所述的一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：在所述S6中，控制微进给部件(9)的压电陶瓷(9-2)伸缩，使与之接触的柔性铰链(9-1)发生微小变形，从而带动刀架(8)移动实现金刚石刀具的微量进给，同时控制导轨部件(2)带动机床主轴部件(4)往复移动，液体静压转台部件(11)带动粗进给部件(10)、微进给部件(9)和刀架(8)往复摆动。
5.根据权利要求1所述的一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：在所述S7中，使微进给部件(9)退回初始位置，再启动粗进给部件(10)的平移台面向主轴方向进给微进给部件(9)一半行程的距离，之后再次启动微进给部件(9)，重复S6的过程，直至完成金刚石刀具的精磨工作。
6.根据权利要求1所述的一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：通过研磨装置的CCD相机(6)观察刀具圆弧是否满足要求。
7.根据权利要求1所述的一种圆弧刃金刚石刀具刀尖材料的均匀去除方法，其特征在于：所述研磨装置包括机床基座(1)、导轨部件(2)、主轴基座(3)、主轴部件(4)、砂轮研磨盘(5)、CCD相机(6)、相机支架(7)、刀架(8)、微进给部件(9)、粗进给部件(10)及液体静压转台部件(11)；所述刀架(8)安装在微进给部件(9)上，所述微进给部件(9)安置于粗进给部件(10)上，所述粗进给部件(10)安装在液体静压转台部件(11)上，所述砂轮研磨盘(5)和刀架(8)相对应设置，砂轮研磨盘(5)安装在主轴部件(4)上，所述主轴部件(4)安装在主轴基座(3)上，所述主轴基座(3)底面固定在导轨部件(2)的上表面上，所述CCD相机(6)设置在砂轮研磨盘(5)上方用于观察砂轮研磨盘(5)，CCD相机(6)安装在相机支架(7)上，液体静压转台部件(11)、导轨部件(2)和相机支架(7)均固定在机床基座(1)的上表面。
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