CN105855821A - 纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法，其主要是：将nt‑cBN块材焊在刀杆上，采用飞秒激光对其外形轮廓进行粗加工；再对nt‑cBN块材两个侧面及前面进行切割加工，使其具备微切削刀具的基本外形轮廓；对微刀具胚材进行FIB精细铣削加工，利用4自由度移动平台以及智能FIB铣削***对刀具胚材的四个平面进行精密加工，平面加工先后顺序为刀具侧面、后刀面和前刀面；刀具整体形貌加工完成后，对刀具后刀面和前刀面切削刃进行再次修锐。本发明不受刀具机械性能的限制，能够对超硬nt‑cBN块材进行高效、高质量加工，且粗加工过程有效地降低了FIB铣削时的材料去除余量，提高了加工效率；加工出的微车削刀具表面粗糙度低，刀具刃口极为锋利。

Description

纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法
技术领域
本发明涉及微细加工方法，特别是微车削刀具的加工方法。
背景技术
随着对如DVD、蓝光光碟、数码相机镜头、LED、液晶显示器、光学镜片等注塑成型或模压成型高精度光学模具应用需求的增加，黑色金属及硬度较高的硬质合金、单晶硅等材料的超精密切削加工技术一直是精密及超精密加工领域的研究热点。传统的磨削、抛光工序加工周期较长，成本较高。实现对以上难加工材料在超精密尺度上的“以车代磨”一直是国际上研究的热点。
金刚石材料刀具在高温下与铁元素亲和力强，化学反应磨损严重，因此，对黑色金属的车削加工性能较差。虽然冷冻切削、超声振动切削和材料表面改性等加工方法取得了一定的成功，但工艺复杂，实际操作和控制非常困难，而且金刚石与黑色金属发生热化学反应的本质也始终没有改变。
商品化cBN刀具硬度较低，且含有结合剂成分，车削加工硬度较高的材料时，磨耗严重，刀具寿命较短。而新型nt-cBN硬度是商品化cBN的2-3倍，并且具有更高的断裂韧性和起始氧化温度，所以，应用新型nt-cBN车削刀具加工高硬度黑色金属材料模芯，理论上能够增加刀具寿命，提高加工效率。
针对微细加工领域，微车削适用于表面微结构、微通道、微型模具等特殊微细结构或微细零部件的加工，但需要刀具尺寸较小(通常为几十微米)，所以对刀具的机械性能、刚度以及切削刃锋利度要求较高。但是，由于新型nt-cBN材料具有优良的机械性能，则对该种材料车削刀具的加工将有别于传统刀具的加工，需要一种合理、有效的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使刀具具有符合标准的刀具整体尺寸精度，前、后角角度及前、后刀面表面粗糙度，并使刀尖刃口钝圆半径小于60nm，切削力小，加工表面质量高的纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法。
本发明主要是一种结合飞秒激光、聚焦离子束(FIB)铣削两种加工手段，对超硬、多晶、极难加工的新型nt-cBN微车削刀具进行高效率、高精度的稳定加工方法，能够实现nt-cBN微车削刀具的高轮廓尺寸精度，前、后刀面的低表面粗糙度，和极锋利的刀具刃口。
本发明的技术方案具体如下：
1、首先将圆柱形nt-cBN块材焊在刀杆上，由于nt-cBN块材厚度较大，所以首先使用飞秒激光对块材进行平面减薄，即采用飞秒激光对其外形轮廓进行粗加工；采用低功率飞秒激光光束在nt-cBN块材上进行X、Y轴方向进给，进行平面减薄；并重复加工，直到材料厚度小于250μm。最好，激光加工功率选择较低值(同时应大于材料加工阈值功率，约30mW)，以保证加工表面质量。
2、采用较高功率(60mW)飞秒激光光束分别对nt-cBN块材两个侧面及前面进行切割加工，使其最终体现出微切削刀具的基本外形轮廓及后刀面，初始刀尖角80°。为了使后续FIB铣削加工刀具时具有较小的材料去除余量同时具有较大的可加工角度范围，飞秒激光粗加工时，加工前角约为0°，刀具后角约为30°得刀具胚材。加工过程中依然使用多次轨迹进给方式。
3、对微刀具胚材进行FIB精细铣削加工，利用4自由度移动平台以及智能FIB铣削***对刀具胚材的四个平面进行精密加工，其中包括前刀面、后刀面以及两个刀具侧面。其中，前、后刀面刀具角度根据技术指标要求加工，两个刀具侧面垂直于水平线。平面加工先后顺序为刀具侧面、后刀面和前刀面，以避免高斯离子光束干涉近端平面，导致刃口处钝圆半径不均匀。最好加工刀具侧面和后刀面时离子束入射方向为从刀具底面到前刀面，加工前刀面时应使离子束出射点尽量远离刀具位置，以保证离子束的高斯分布形式不会干涉刀具刃口形貌。
4、刀具整体形貌加工完成后，采用低电流离子束(离子流量为1nA的离子束)重复对刀具后刀面和前刀面切削刃进行再次修锐，使其刃口钝圆半径进一步减小，切削刃更加锋利。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、该方法使用飞秒激光对微车削刀具进行粗加工，加工工艺不受刀具机械性能的限制，能够对超硬nt-cBN块材进行高效、高质量加工，且粗加工过程有效地降低了FIB铣削时的材料去除余量，提高了加工效率。
2、使用FIB铣削方法同样不受材料机械性能限制，且加工尺寸小，加工精度高，所加工出的微车削刀具前、后刀面表面粗糙度低，刀具刃口极为锋利，能够满足使用标准和使用精度。
3、可用于对硬度较高的难加工材料，特别是铁基金属材料的超精密微车削加工。
附图说明
图1为本发明飞秒激光平面扫描轨迹图；
图2为本发明飞秒激光对nt-cBN块材两个侧面进行切割加工的方案图；
图3为本发明飞秒激光对nt-cBN块材前面进行切割加工的方案图；
图4为本发明微刀具胚材轴测图。
图5为本发明微车削刀具FIB精密铣削方案及最终刀具轴测图。
具体实施方式
将直径2mm、高度1mm的圆柱形nt-cBN块材钎焊在硬质合金刀杆上，焊接时保证nt-cBN块材凸出于刀杆尖端约0.5mm距离。将焊有nt-cBN块材的刀杆放置于具有4个自由度的加工平台上，使其能够实现对X、Y、Z三个轴方向的平动以及对X轴的转动，转动运动用于实现对刀具角度的加工。然后采用飞秒激光对其外形轮廓进行粗加工，即采用约30mW低功率飞秒激光光束在nt-cBN块材上进行X、Y轴方向进给，其运动轨迹1如图1所示，进行平面减薄；并重复加工，直到材料厚度小于250μm。然后，采用约60mW较高飞秒激光光束分别对nt-cBN块材两个侧面及前面进行切割加工，使其最终体现出微切削刀具的基本外形轮廓及后刀面，初始刀尖角80°。利用X、Y轴的水平运动将块材切割出约80°的刀尖角，如图2所示，其虚线为切割线2；利用绕X轴的旋转运动在已加工出的刀尖角尖端加工刀具角度，为了使后续FIB铣削加工刀具时具有较小的材料去除余量同时具有较大的可加工角度范围，飞秒激光粗加工时，加工前角约为0°，后角约为30°，如图3所示，其虚线为切割线3。随后将加工好的刀具胚材如图4的编号4所示，进行FIB精细铣削加工。利用4自由度移动平台以及智能FIB铣削***对刀具胚材的四个平面进行精密加工，其中包括前刀面、后刀面以及两个刀具侧面。其中，前、后刀面刀具角度根据技术指标要求加工，两个刀具侧面垂直于水平线。平面加工先后顺序为刀具侧面5、后刀面6和前刀面7，如图5所示，以避免高斯离子光束干涉近端平面，导致刃口处钝圆半径不均匀。加工刀具侧面和后刀面时离子束入射方向为从刀具底面到前刀面，加工前刀面时应使离子束出射点尽量远离刀具位置，以保证离子束的高斯分布形式不会干涉刀具刃口形貌。使用高电流离子束对刀具几何形状进行精密加工，得到前刀面尺寸约为30×30μm，后刀面长约50-70μm的微车削刀具，前、后刀面的表面粗糙度低于10nm，较大的后刀面长度是为了保证刀具使用过程中的刚度。最后，使用低电流离子束(离子流量为1nA的离子束)对刀具刃口部分进行进一步修整，使其刃口钝圆半径小于60nm，最终刀具轴测图如图5的编号8所示。

Claims (4)

1.一种纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法，其特征在于：
1)将圆柱形nt-cBN块材焊在刀杆上，使用飞秒激光对块材进行平面减薄，即采用飞秒激光对其外形轮廓进行粗加工；采用低功率飞秒激光光束在nt-cBN块材上进行X、Y轴方向进给，进行平面减薄；并重复加工，直到材料厚度小于250μm；
2)采用较高功率(60mW)飞秒激光光束分别对nt-cBN块材两个侧面及前面进行切割加工，使其最终体现出微切削刀具的基本外形轮廓及后刀面，初始刀尖角80°；
3)对微刀具胚材进行FIB精细铣削加工，利用4自由度移动平台以及智能FIB铣削***对刀具胚材的四个平面进行精密加工，其中包括前刀面、后刀面以及两个刀具侧面，其中，前、后刀面刀具角度根据技术指标要求加工，两个刀具侧面垂直于水平线，平面加工先后顺序为刀具侧面、后刀面和前刀面；
4)刀具整体形貌加工完成后，采用低电流离子束重复对刀具后刀面和前刀面切削刃进行再次修锐，使其刃口钝圆半径进一步减小，切削刃更加锋利。
2.根据权利要求1所述的纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法，其特征在于：飞秒激光加工功率选择较低值，同时应大于材料加工阈值功率，约30mW。
3.根据权利要求1或2所述的纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法，其特征在于：飞秒激光加工时，刀具前角约为0°，刀具后角约为30°得刀具胚材。
4.根据权利要求1所述的纳米孪晶立方氮化硼微车削刀具的精密加工方法，其特征在于：加工刀具侧面和后刀面时离子束入射方向为从刀具底面到前刀面，加工前刀面时应使离子束出射点尽量远离刀具位置。
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