納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法
【專利摘要】一種納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法，其主要是：將nt?cBN塊材焊在刀桿上，采用飛秒激光對其外形輪廓進行粗加工；再對nt?cBN塊材兩個側(cè)面及前面進行切割加工，使其具備微切削刀具的基本外形輪廓；對微刀具胚材進行FIB精細銑削加工，利用4自由度移動平臺以及智能FIB銑削系統(tǒng)對刀具胚材的四個平面進行精密加工，平面加工先后順序為刀具側(cè)面、后刀面和前刀面；刀具整體形貌加工完成后，對刀具后刀面和前刀面切削刃進行再次修銳。本發(fā)明不受刀具機械性能的限制，能夠?qū)Τ瞡t?cBN塊材進行高效、高質(zhì)量加工，且粗加工過程有效地降低了FIB銑削時的材料去除余量，提高了加工效率；加工出的微車削刀具表面粗糙度低，刀具刃口極為鋒利。
【專利說明】
納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微細加工方法，特別是微車削刀具的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對如DVD、藍光光碟、數(shù)碼相機鏡頭、LED、液晶顯示器、光學(xué)鏡片等注塑成型或模壓成型高精度光學(xué)模具應(yīng)用需求的增加，黑色金屬及硬度較高的硬質(zhì)合金、單晶硅等材料的超精密切削加工技術(shù)一直是精密及超精密加工領(lǐng)域的研究熱點。傳統(tǒng)的磨削、拋光工序加工周期較長，成本較高。實現(xiàn)對以上難加工材料在超精密尺度上的“以車代磨”一直是國際上研究的熱點。
[0003]金剛石材料刀具在高溫下與鐵元素親和力強，化學(xué)反應(yīng)磨損嚴重，因此，對黑色金屬的車削加工性能較差。雖然冷凍切削、超聲振動切削和材料表面改性等加工方法取得了一定的成功，但工藝復(fù)雜，實際操作和控制非常困難，而且金剛石與黑色金屬發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)也始終沒有改變。
[0004]商品化cBN刀具硬度較低，且含有結(jié)合劑成分，車削加工硬度較高的材料時，磨耗嚴重，刀具壽命較短。而新型nt-cBN硬度是商品化cBN的2-3倍，并且具有更高的斷裂韌性和起始氧化溫度，所以，應(yīng)用新型nt-cBN車削刀具加工高硬度黑色金屬材料模芯，理論上能夠增加刀具壽命，提高加工效率。
[0005]針對微細加工領(lǐng)域，微車削適用于表面微結(jié)構(gòu)、微通道、微型模具等特殊微細結(jié)構(gòu)或微細零部件的加工，但需要刀具尺寸較小(通常為幾十微米)，所以對刀具的機械性能、剛度以及切削刃鋒利度要求較高。但是，由于新型nt-cBN材料具有優(yōu)良的機械性能，則對該種材料車削刀具的加工將有別于傳統(tǒng)刀具的加工，需要一種合理、有效的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種使刀具具有符合標準的刀具整體尺寸精度，前、后角角度及前、后刀面表面粗糙度，并使刀尖刃口鈍圓半徑小于60nm，切削力小，加工表面質(zhì)量高的納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法。
[0007]本發(fā)明主要是一種結(jié)合飛秒激光、聚焦離子束(FIB)銑削兩種加工手段，對超硬、多晶、極難加工的新型nt-cBN微車削刀具進行高效率、高精度的穩(wěn)定加工方法，能夠?qū)崿F(xiàn)nt-cBN微車削刀具的高輪廓尺寸精度，前、后刀面的低表面粗糙度，和極鋒利的刀具刃口。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
[0009]1、首先將圓柱形nt-cBN塊材焊在刀桿上，由于nt-cBN塊材厚度較大，所以首先使用飛秒激光對塊材進行平面減薄，即采用飛秒激光對其外形輪廓進行粗加工;采用低功率飛秒激光光束在nt-cBN塊材上進行X、Y軸方向進給，進行平面減薄;并重復(fù)加工，直到材料厚度小于250μπι。最好，激光加工功率選擇較低值(同時應(yīng)大于材料加工閾值功率，約30mW)，以保證加工表面質(zhì)量。
[0010]2、采用較高功率(60mW)飛秒激光光束分別對nt-cBN塊材兩個側(cè)面及前面進行切割加工，使其最終體現(xiàn)出微切削刀具的基本外形輪廓及后刀面，初始刀尖角80°。為了使后續(xù)FIB銑削加工刀具時具有較小的材料去除余量同時具有較大的可加工角度范圍，飛秒激光粗加工時，加工前角約為0°，刀具后角約為30°得刀具胚材。加工過程中依然使用多次軌跡進給方式。
[0011]3、對微刀具胚材進行FIB精細銑削加工，利用4自由度移動平臺以及智能FIB銑削系統(tǒng)對刀具胚材的四個平面進行精密加工，其中包括前刀面、后刀面以及兩個刀具側(cè)面。其中，前、后刀面刀具角度根據(jù)技術(shù)指標要求加工，兩個刀具側(cè)面垂直于水平線。平面加工先后順序為刀具側(cè)面、后刀面和前刀面，以避免高斯離子光束干涉近端平面，導(dǎo)致刃口處鈍圓半徑不均勻。最好加工刀具側(cè)面和后刀面時離子束入射方向為從刀具底面到前刀面，加工前刀面時應(yīng)使離子束出射點盡量遠離刀具位置，以保證離子束的高斯分布形式不會干涉刀具刃口形貌。
[0012]4、刀具整體形貌加工完成后，采用低電流離子束(離子流量為InA的離子束)重復(fù)對刀具后刀面和前刀面切削刃進行再次修銳，使其刃口鈍圓半徑進一步減小，切削刃更加鋒利。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0014]1、該方法使用飛秒激光對微車削刀具進行粗加工，加工工藝不受刀具機械性能的限制，能夠?qū)Τ瞡t-cBN塊材進行高效、高質(zhì)量加工，且粗加工過程有效地降低了FIB銑削時的材料去除余量，提高了加工效率。
[0015]2、使用FIB銑削方法同樣不受材料機械性能限制，且加工尺寸小，加工精度高，所加工出的微車削刀具前、后刀面表面粗糙度低，刀具刃口極為鋒利，能夠滿足使用標準和使用精度。
[0016]3、可用于對硬度較高的難加工材料，特別是鐵基金屬材料的超精密微車削加工。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明飛秒激光平面掃描軌跡圖；
[0018]圖2為本發(fā)明飛秒激光對nt-cBN塊材兩個側(cè)面進行切割加工的方案圖；
[0019]圖3為本發(fā)明飛秒激光對nt-cBN塊材前面進行切割加工的方案圖；
[0020]圖4為本發(fā)明微刀具胚材軸測圖。
[0021]圖5為本發(fā)明微車削刀具FIB精密銑削方案及最終刀具軸測圖。
【具體實施方式】
[0022]將直徑2mm、高度Imm的圓柱形nt-cBN塊材釬焊在硬質(zhì)合金刀桿上，焊接時保證nt-cBN塊材凸出于刀桿尖端約0.5mm距離。將焊有nt_cBN塊材的刀桿放置于具有4個自由度的加工平臺上，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對X、Y、Z三個軸方向的平動以及對X軸的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動運動用于實現(xiàn)對刀具角度的加工。然后采用飛秒激光對其外形輪廓進行粗加工，即采用約30mW低功率飛秒激光光束在nt-cBN塊材上進行X、Y軸方向進給，其運動軌跡I如圖1所示，進行平面減薄；并重復(fù)加工，直到材料厚度小于250μπι。然后，采用約60mW較高飛秒激光光束分別對nt-cBN塊材兩個側(cè)面及前面進行切割加工，使其最終體現(xiàn)出微切削刀具的基本外形輪廓及后刀面，初始刀尖角80° ο利用X、Y軸的水平運動將塊材切割出約80°的刀尖角，如圖2所示，其虛線為切割線2;利用繞X軸的旋轉(zhuǎn)運動在已加工出的刀尖角尖端加工刀具角度，為了使后續(xù)FIB銑削加工刀具時具有較小的材料去除余量同時具有較大的可加工角度范圍，飛秒激光粗加工時，加工前角約為0°，后角約為30°，如圖3所示，其虛線為切割線3。隨后將加工好的刀具胚材如圖4的編號4所示，進行FIB精細銑削加工。利用4自由度移動平臺以及智能FIB銑削系統(tǒng)對刀具胚材的四個平面進行精密加工，其中包括前刀面、后刀面以及兩個刀具側(cè)面。其中，前、后刀面刀具角度根據(jù)技術(shù)指標要求加工，兩個刀具側(cè)面垂直于水平線。平面加工先后順序為刀具側(cè)面5、后刀面6和前刀面7，如圖5所示，以避免高斯離子光束干涉近端平面，導(dǎo)致刃口處鈍圓半徑不均勻。加工刀具側(cè)面和后刀面時離子束入射方向為從刀具底面到前刀面，加工前刀面時應(yīng)使離子束出射點盡量遠離刀具位置，以保證離子束的高斯分布形式不會干涉刀具刃口形貌。使用高電流離子束對刀具幾何形狀進行精密加工，得到前刀面尺寸約為30Χ30μπι，后刀面長約50-70μπι的微車削刀具，前、后刀面的表面粗糙度低于10nm，較大的后刀面長度是為了保證刀具使用過程中的剛度。最后，使用低電流離子束(離子流量為InA的離子束)對刀具刃口部分進行進一步修整，使其刃口鈍圓半徑小于60nm，最終刀具軸測圖如圖5的編號8所示。
【主權(quán)項】
1.一種納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法，其特征在于: 1)將圓柱形nt-cBN塊材焊在刀桿上，使用飛秒激光對塊材進行平面減薄，即采用飛秒激光對其外形輪廓進行粗加工;采用低功率飛秒激光光束在nt-cBN塊材上進行X、Y軸方向進給，進行平面減薄;并重復(fù)加工，直到材料厚度小于250μπι; 2)采用較高功率(60mW)飛秒激光光束分別對nt-cBN塊材兩個側(cè)面及前面進行切割加工，使其最終體現(xiàn)出微切削刀具的基本外形輪廓及后刀面，初始刀尖角80°; 3)對微刀具胚材進行FIB精細銑削加工，利用4自由度移動平臺以及智能FIB銑削系統(tǒng)對刀具胚材的四個平面進行精密加工，其中包括前刀面、后刀面以及兩個刀具側(cè)面，其中，前、后刀面刀具角度根據(jù)技術(shù)指標要求加工，兩個刀具側(cè)面垂直于水平線，平面加工先后順序為刀具側(cè)面、后刀面和前刀面； 4)刀具整體形貌加工完成后，采用低電流離子束重復(fù)對刀具后刀面和前刀面切削刃進行再次修銳，使其刃口鈍圓半徑進一步減小，切削刃更加鋒利。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法，其特征在于:飛秒激光加工功率選擇較低值，同時應(yīng)大于材料加工閾值功率，約30mW。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法，其特征在于:飛秒激光加工時，刀具前角約為0°，刀具后角約為30°得刀具胚材。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶立方氮化硼微車削刀具的精密加工方法，其特征在于:加工刀具側(cè)面和后刀面時離子束入射方向為從刀具底面到前刀面，加工前刀面時應(yīng)使離子束出射點盡量遠離刀具位置。
【文檔編號】B23P5/00GK105855821SQ201610328815
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】陳俊云, 靳田野
【申請人】燕山大學(xué)