一種具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法。該方法將球形銑刀的中心點移動到金剛石砂輪的V形尖端的正下方，金剛石砂輪沿著水平的切削方向往復(fù)運動且往下進給，不斷對旋轉(zhuǎn)的銑刀球面進行切削，切削出V形，球形銑刀的旋轉(zhuǎn)在銑刀球面上加工出圓環(huán)形微溝槽，在相鄰的位置上加工出另一個V形槽，兩相鄰V形槽交叉處形成微切削刃；利用金剛石砂輪的V形尖端形狀及其兩側(cè)面上的微金剛石磨粒逐漸將微切削刃修銳成尖角；應(yīng)用本發(fā)明的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀，可一次成型在鋁合金、鈦合金、銅、模具鋼等工件表面上直接銑削加工出微溝槽結(jié)構(gòu)表面，極大提高加工效率，降低加工成本，避免二次裝夾和更換刀具等問題。
【專利說明】—種具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銑刀，具體涉及一種具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，該銑刀用于鈦合金、模具鋼、硬質(zhì)合金等零部件的微結(jié)構(gòu)表面成型加工；屬于超硬工具的精密制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車傳動部件、擠壓硬質(zhì)模芯、航空飛行體、機械刀具等表面加工出小于I毫米的微結(jié)構(gòu)陣列，可以附加出新的表面功能，例如，提高動力的傳動效率、增強軟鋼材的擠壓效率，減小飛行的阻力，延長刀具壽命等。目前，微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)主要依賴于激光刻蝕、電化學(xué)腐蝕和離子束等加工方法，但是，這些加工方法的成本高，效率低，而且形狀精度難以控制。雖然將金剛石砂輪修整成V形尖端，可以在工件表面加工出高精度的微溝槽或微錐塔陣列結(jié)構(gòu)，但需要分成表面光滑磨削和微溝槽加工的兩個工藝完成，效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中不易直接在零部件表面加工出微溝槽結(jié)構(gòu)，且加工耗時費力等缺點，提供一種可一次成型在鋁合金、鈦合金、銅、模具鋼等工件表面上直接銑削加工出微溝槽結(jié)構(gòu)表面的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法。
[0004]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]一種具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于包括如下步驟:
[0006]I)將金剛石砂輪修整出V形尖端，并將金剛石砂輪安裝在高速旋轉(zhuǎn)的砂輪軸上，再將球形銑刀裝夾在夾具上，夾具固定在水平工作臺面上，球形銑刀繞球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線旋轉(zhuǎn)，將球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸中心線與砂輪的軸心線保持同一個垂直于水平面的截面上，利用與夾具連接的分度器使形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線與砂輪軸心線成一個安裝夾角β，安裝夾度β為30?90度；
[0007]2)將球形銑刀的中心點移動到金剛石砂輪的V形尖端的正下方，金剛石砂輪沿著水平的切削方向往復(fù)運動且往下進給，不斷對旋轉(zhuǎn)的銑刀球面進行切削，利用旋轉(zhuǎn)的砂輪V形尖端沿著球形銑刀球面的切點出切削出V形，球形銑刀的旋轉(zhuǎn)可在銑刀球面上加工出圓環(huán)形微溝槽，再提起金剛石砂輪的V形尖端，利用分度器調(diào)整裝置夾角β和水平移動，將球形銑刀繞中心旋轉(zhuǎn)3?15°，然后在相鄰的位置上加工出另一個V形槽，兩相鄰V形槽交叉處形成微切削刃；利用金剛石砂輪的V形尖端形狀及其兩側(cè)面上的微金剛石磨粒逐漸將微切削刃修銳成尖角；
[0008]3)重復(fù)步驟2)，逐漸在銑刀球面上加工出微切削刃陣列結(jié)構(gòu)，制備具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀。
[0009]為進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述金剛石砂輪V形尖端角度為30?120°，角度誤差為±0.5度。所述金剛石砂輪轉(zhuǎn)速為2000?10000轉(zhuǎn)/分，進給速度為I?500毫米/分，進給深度為20?900微米/行程。所述銑刀轉(zhuǎn)速為100?500轉(zhuǎn)/分。所述球形銑刀直徑2?100毫米，球形銑刀的微切削刃尖端半徑修磨成0.5?10微米，高度為3?900微米，尖角為30?90度，分度為3?15度。所述球形銑刀的材料為鎢鋼硬質(zhì)合金、CBN或P⑶；所述金剛石砂輪由青銅結(jié)合劑和金剛石磨粒組成，金剛石磨粒粒度為240?3000目。所述微陣列結(jié)構(gòu)的微溝槽深度為50?900微米，微溝槽角度為30?120度，微陣列間距為50?500微米。
[0010]所述銑削工件材料為鈦合金、鋁合金、銅、模具鋼等材料。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0012](I)球形銑刀為硬質(zhì)及超硬材料，其表面的微加工極為困難，本微磨削技術(shù)可以在球形銑刀的工作球面上加工出整齊的微切削刃結(jié)構(gòu)陣列。
[0013](2)采用有微切削刃結(jié)構(gòu)陣列的球形銑刀可以在同一工藝下將工件加工出平面或者曲面的微溝槽結(jié)構(gòu)陣列，避免表面成型加工和微溝槽結(jié)構(gòu)加工兩工藝的二次裝夾和更換刀具等技術(shù)困難，減少了多工藝加工所造成的誤差。
[0014](3)與微溝槽結(jié)構(gòu)平面的微磨削技術(shù)相比，采用具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀可以實現(xiàn)微溝槽結(jié)構(gòu)曲表面加工。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為有微切削刃結(jié)構(gòu)的球形銑刀加工裝置圖。
[0016]圖2為球形銑刀球面的微切削刃結(jié)構(gòu)陣列加工原理圖。
[0017]圖3為微溝槽結(jié)構(gòu)平面的銑削成型加工示意圖。
[0018]圖4為微溝槽結(jié)構(gòu)曲面的銑削成型加工示意圖。
[0019]圖5為球形銑刀的微切削刃結(jié)構(gòu)陣列的掃描顯微電鏡圖。
[0020]圖6為微溝槽結(jié)構(gòu)曲面的白光干涉檢測的微輪廓圖。
【具體實施方式】
[0021]為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明，但是本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
[0022]如圖1、2所示，一種具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，包括如下步驟:
[0023]I)將金剛石砂輪I修整出V形尖端2，并將金剛石砂輪I安裝在高速旋轉(zhuǎn)的砂輪軸4上，再將球形銑刀3裝夾在夾具5上，夾具5固定在水平工作臺面上，球形銑刀3繞球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線6旋轉(zhuǎn)，將球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸中心線6與砂輪的軸心線7保持同一個垂直于水平面的截面上，利用與夾具5連接的分度器8使形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線6與砂輪軸心線7成一個安裝夾角β，安裝夾度β可為30?90度；
[0024]2)將球形銑刀3的中心點9移動到金剛石砂輪I的V形尖端2的正下方，金剛石砂輪沿著水平的切削方向，即垂直于砂輪軸心線的水平方向，往復(fù)運動且往下進給，不斷對旋轉(zhuǎn)的銑刀球面進行切削，利用旋轉(zhuǎn)的砂輪V形尖端2沿著球形銑刀球面的切點出切削出V形，球形銑刀的旋轉(zhuǎn)可在銑刀球面上加工出圓環(huán)形微溝槽，再提起金剛石砂輪的V形尖端2，利用分度器調(diào)整裝置夾角β和水平移動，將球形銑刀繞中心9旋轉(zhuǎn)3?15度，然后在相鄰的位置上加工出另一個V形槽，兩相鄰V形槽交叉處形成微切削刃；利用金剛石砂輪的V形尖端形狀及其兩側(cè)面上的微金剛石磨粒逐漸將微切削刃修銳成尖角
[0025]3)重復(fù)步驟2)，逐漸在銑刀球面上加工出微切削刃陣列結(jié)構(gòu)11，制備具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀。
[0026]在球形銑刀的微切削刃陣列結(jié)構(gòu)制作中，金剛石砂輪粒度為240?3000目，其V形尖端角度為30?90度，角度誤差為±0.5度，砂輪轉(zhuǎn)速為2000?10000轉(zhuǎn)/分，進給速度為I?500毫米/分，進給深度為20?900微米/行程，銑刀轉(zhuǎn)速為100?500轉(zhuǎn)/分；球形銑刀直徑2?100毫米，其球形銑刀的微切削刃尖端半徑可修磨成0.5?10微米，高度為3?900微米，尖角為30?90度，分度為3?15度。
[0027]實施例1
[0028]如圖1所示，將金剛石砂輪I (直徑160_，厚4_)通過微細(xì)精密修整成V形尖端2，并將其安裝在CNC精密磨床(SMART - B818)的砂輪軸4上。再將分度器8 (MCL - C3X4)放置在水平工作臺上，然后將夾具(米其林三爪研磨器MCL-550)5放置在分度器8上，將雙刃球形銑刀3 (球頭半徑6mm，銑刀直徑12mm，銑刀長度75mm)夾持在夾具5上，使得球形銑刀軸心線6與砂輪軸心線7成夾角β為45度。V尖端金剛石砂輪粒度為600目，由金剛石磨料和青銅結(jié)合劑組成，砂輪V尖端夾角為60度。球形銑刀材料為硬度為70?80HRC的鎢鋼硬質(zhì)合金。
[0029]如圖2所示，金剛石砂輪V形尖端2沿著砂輪水平切削方向作直線往復(fù)運動，利用旋轉(zhuǎn)的砂輪V形尖端2在銑刀球面頂點處逐漸加工出一條環(huán)形微V槽，再提起金剛石砂輪的V形尖端2，球形銑刀繞中心9旋轉(zhuǎn)一個角度15度，用同樣的方式加工出相鄰的微V槽，形成微切削刃，然后在臨近位置再加工出另一個微切削刃，逐漸在銑刀球面上加工出微切削刃陣列結(jié)構(gòu)11。在銑刀切削刃微陣列結(jié)構(gòu)加工過程中，砂輪轉(zhuǎn)速Nl=3000轉(zhuǎn)/分，進給速度vf=20微米/分，累積切削深度為250微米；三爪研磨器轉(zhuǎn)速N2=200轉(zhuǎn)/分；微切削刃陣列沿著球形銑刀的圓弧刀刃的分度為15度，微切削刃的頂角為61度，微切削刃的刃端半徑為2微米，微切削刃上無毛刺，制作球形銑刀的微切削刃的掃描顯微照片如圖5所示。
[0030]如圖3所示，將加工出具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀3安裝在三軸數(shù)控銑床(G - VM5型立式銑床)上，球形銑刀3的旋轉(zhuǎn)軸6垂直于水平面，然后將鋁合金的工件12(75mmX60mmX30mm)安裝在水平工作臺上，工件12表面被設(shè)計成水平平面13，水平平面13的法向14與球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線6形成一個60°的銳角a。銑刀沿著水平直線的刀軌跡13行走，刀軌跡13是通過切點方向的球形銑刀半徑處的坐標(biāo)點，待加工的平面的法向14與球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線7成60°銳角，然后對工件進行銑削加工，球形銑刀沿加工切點法向的半徑為r處的刀軌跡15對工件12的表面13進行銑削加工，其銑刀球面的微切削刃形狀在銑削加工中復(fù)制到工件表面上，形成一條微溝槽結(jié)構(gòu)；再沿著已加工的微溝槽方向的法向切線方向移動一個間距2毫米，進行下一次銑削加工，逐漸將工件12加工出微溝槽結(jié)構(gòu)陣列16。在銑削加工過程中，銑刀轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，進給速度為200毫米/分，進給深度為20微米。加工的微溝槽結(jié)構(gòu)深度為60微米，溝槽角度為62.5度，溝槽底部尖端半徑為11微米，微溝槽間距600微米，微溝槽表面光滑，無毛刺。目前的微溝槽結(jié)構(gòu)加工主要需要激光加工方法，但是加工的微溝槽結(jié)構(gòu)表面粗糙，邊沿破損且不規(guī)則，加工精度無法控制。
[0031]實施例2[0032]本實施例加工方式同實施例1。不同之處在采用具有微切削刃結(jié)構(gòu)陣列的球形銑刀對G - STAR模具鋼(HRC40 - 50)進行微溝槽結(jié)構(gòu)表面銑削加工時，銑刀轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，進給速度為100毫米/分，進給深度為10微米。加工的微溝槽結(jié)構(gòu)深度為90微米，溝槽角度為63.5度，溝槽底部尖端半徑為15微米，微溝槽間距600毫米，微溝槽表面光滑，無毛刺。
[0033]實施例3
[0034]如圖4所示，若將工件12的表面設(shè)計曲面13時，先用無微切削刃結(jié)構(gòu)陣列的球形銑刀將鋁合金工件加工成曲表面，曲面加工參數(shù):背吃刀量最大處8mm，側(cè)吃刀量0.5mm，刀具半徑6mm,轉(zhuǎn)速5000rpm,進給速度1000mm/min。然后,采用具有微切削刃結(jié)構(gòu)陣列的球形銑刀在已經(jīng)加工的曲面上出微溝槽陣列，切槽加工參數(shù)，背吃刀量0.1mm,轉(zhuǎn)速5000rpm，進給速度800mm/mim。具體在銑削加工中，使得銑刀的球面與工件的任意曲面的切點的法向14始終保持一個固定角度α=45°，球形銑刀沿著沿曲面加工切點的法向半徑為r處的刀軌跡15做曲線行走，α的選擇范圍為30?70°。加工后，然后沿著垂直于前一刀軌跡15且為加工點的切線方向10 -300微米間距出的刀軌跡再進行銑刀加工，逐漸在工件12的任意曲面13上復(fù)制出微溝槽結(jié)構(gòu)陣列16。微溝槽結(jié)構(gòu)曲面輪廓如圖6所示，微溝槽結(jié)構(gòu)深度約為50 μ m,溝槽底部尖端半徑約為5 μ m，間距約400 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于包括如下步驟: 1)將金剛石砂輪修整出V形尖端，并將金剛石砂輪安裝在高速旋轉(zhuǎn)的砂輪軸上，再將球形銑刀裝夾在夾具上，夾具固定在水平工作臺面上，球形銑刀繞球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線旋轉(zhuǎn)，將球形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸中心線與砂輪的軸心線保持同一個垂直于水平面的截面上，利用與夾具連接的分度器使形銑刀的旋轉(zhuǎn)軸心線與砂輪軸心線成一個安裝夾角β，安裝夾度β為30?90度； 2)將球形銑刀的中心點移動到金剛石砂輪的V形尖端的正下方，金剛石砂輪沿著水平的切削方向往復(fù)運動且往下進給，不斷對旋轉(zhuǎn)的銑刀球面進行切削，利用旋轉(zhuǎn)的砂輪V形尖端沿著球形銑刀球面的切點出切削出V形，球形銑刀的旋轉(zhuǎn)在銑刀球面上加工出圓環(huán)形微溝槽，再提起金剛石砂輪的V形尖端，利用分度器調(diào)整裝置夾角β和水平移動，將球形銑刀繞中心旋轉(zhuǎn)3?15°，然后在相鄰的位置上加工出另一個V形槽，兩相鄰V形槽交叉處形成微切削刃；利用金剛石砂輪的V形尖端形狀及其兩側(cè)面上的微金剛石磨粒逐漸將微切削刃修銳成尖角； 3)重復(fù)步驟2)，逐漸在銑刀球面上加工出微切削刃陣列結(jié)構(gòu)，制備具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于:所述金剛石砂輪V形尖端角度為30?120°，角度誤差為±0.5度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于:所述金剛石砂輪轉(zhuǎn)速為2000?10000轉(zhuǎn)/分，進給速度為I?500毫米/分，進給深度為20?900微米/行程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于:所述銑刀轉(zhuǎn)速為100?500轉(zhuǎn)/分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于:所述球形銑刀直徑2?100毫米，球形銑刀的微切削刃尖端半徑修磨成0.5?10微米，高度為3?900微米，尖角為30?90度，分度為3?15度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于:所述球形銑刀的材料為鎢鋼硬質(zhì)合金、CBN或PCD ;所述金剛石砂輪由青銅結(jié)合劑和金剛石磨粒組成，金剛石磨粒粒度為240?3000目。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有微切削刃陣列結(jié)構(gòu)的球形銑刀的制造方法，其特征在于:所述微陣列結(jié)構(gòu)的微溝槽深度為50?900微米，微溝槽角度為30?120度，微陣列間距為50?500微米。
【文檔編號】B24B3/02GK103769960SQ201410022598
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】謝晉, 黎宇弘, 程劍, 吳可可, 楊林豐, 羅敏健 申請人:華南理工大學(xué)