CN108941715A - 一种cvd金刚石微铣刀的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CVD金刚石微铣刀的制备方法，属于机械切削刀具制造技术领域。加工过程中首先利用金刚石激光石墨化原理，选取合适的激光参数，通过激光诱导，使金刚石刀具表层变质为多孔疏松的粉末状以及固体状变质层，降低磨削载荷；然后使用精密刀具刃磨机床对石墨化后的金刚石刀具按照设计好的形状与磨削参数进行精密刃磨。使用本发明所提出的方法可以更高质高效的加工出CVD金刚石微铣刀，且刀具切削刃锋利，裂纹较少，能更好地应用于精密与微细加工领域。

Description

一种CVD金刚石微铣刀的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种激光诱导石墨化辅助精密刃磨CVD金刚石微铣刀的方法，属于机械切削刀具制造技术领域。

技术背景：

近年来，电子、医疗及通讯等领域器械的小型化使得他们对微小型零件的需求不断增加。由于微细机械加工加工质量和加工效率高，可靠性好，并且能加工较为复杂三维曲面，其成为了生产特征尺寸在微米到毫米级，且精度形状要求高的微型零件与结构的最佳选择之一，也是连接宏观与微纳领域的关键技术之一。

但是微铣刀尺寸小，切削参数往往在毫米级以下，导致尺寸效应和刀柄刚度的相对不足，还会出现刃口强度相对较差，易断裂破碎，已加工表面粗糙度较高，毛刺多等有别于传统切削的特殊现象。微铣刀的优化能在很大程度上改善这些问题，但是其制作技术还有待发展完善。目前已经商业化的微铣刀大多是螺旋刃的金刚石涂层硬质合金铣刀，但是这类铣刀使用寿命较短，刃口钝圆半径较大，加工质量不高。另一种则是超硬材料微铣刀，以立方氮化硼(CBN)和金刚石铣刀为主，其中金刚石材料的硬度及弹性模量高，导热性好，摩擦系数小，以及可达到的钝圆半径小，刃口的锋利保持性高，成为了制造微铣刀最适合的材料之一。在金刚石刀具中，PCD微铣刀较为常见，但是其刃口锋利性和可加工性能相对较低，单晶金刚石微铣刀可以获得非常锋利的切削刃，却容易产生解理。化学气相沉积(CVD)金刚石微铣刀各项性能接近单晶金刚石微铣刀，其在没有各向异性导致的解理的同时也没有易切削面，导致采用精密磨削的方法加工效率很低。因此开发一种新型工艺以实现CVD金刚石微铣刀的高质高效的制备成为了让其快速走向市场的关键。

另外，相比于平头直刃微铣刀，圆弧刃铣刀加工稳定，不易产生颤刀，且可用于三维曲面的加工，但是相关研究不多。设计一种适合金刚石材料的，结构简单，强度高的圆弧刃微铣刀并进行相关制备工艺的开发非常必要。

在目前存在的几种加工金刚石微铣刀的方法中，线电极电火花磨削加工(WEDG)加工过程不受切削力作用，不受材料硬度限制，加工效率高，但使用这种方法，已加工表面的变质层会降低刀具强度，需要进一步处理；精密磨削刀具制备和修整的方法成熟，是目前商品化微细刀具的主要加工工艺，但受磨削力的影响，刀具的最小成形直径会受到限制；纳秒激光加工的加工过程无颤动，刀具不会变形，加工成本低廉，但加工后的刀具表面质量及精度较低；超短激光加工的加工质量高，加工柔性好，但是激光器成本相对较高，加工效率有待提升；

聚焦离子束溅射(FIB)不受刀具材料限制，刃口钝圆半径可控制在1μm以下，加工质量高，但是加工设备昂贵，材料去除速度慢，难以工业化生产；ICP刻蚀刀头直接成型，无需后续加工，但刀头刀柄焊接较难。综合来看，超短脉冲激光器加工效率相对较高，质量较好，这是加工金刚石微铣刀最有可能实现商业化的加工方法，然而由于飞秒激光器价格昂贵而受到限制。而普通纳秒激光器加工效率高，柔性好，但是已加工表面质量较差且存在一定的热影响层，达不到微铣刀使用性能的要求。而精密磨削技术的优缺点刚好与其形成互补(加工质量较高，但加工效率低)，因而结合两者优势的激光辅助精密磨削技术优势明显。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种激光诱导石墨化辅助精密刃磨CVD金刚石微铣刀的方法，以解决高质高效加工金刚石微铣刀的难题。

具体的技术方案如下：

1.根据金刚石材料的石墨化规律与激光加工去除材料的原理，结合温度场仿真结果和激光诱导氧化实验，研究激光参数对金刚石石墨化深度，分界层质量，切削刃质量以及变质层的切削性能的影响，筛选出合适的激光参数；

2.对激光诱导石墨化后的微铣刀进行精密磨削实验，研究磨削参数对表面粗糙度和刃口质量的影响，并与传统的磨削加工进行比较，从而选择合适的磨削参数与磨削循环次数；

3.对设计出的微铣刀进行建模与模态分析，选择出合适的刀具参数与形貌，并根据刀具形貌设计激光加工的路线。

4.选用上述设定好的激光参数与激光加工路线，用激光发射器对金刚石刀具进行诱导石墨化，并根据聚焦位置的不同，调节激光单脉冲能量，利用激光加热待加工区域的材料，使待加工区域材料发生快速可控的石墨化反应，形成不同深度的疏松多孔易去除的石墨变质层。

5.将石墨化后的金刚石刀具装夹在精密刃磨机床上，按照上述选择好的磨削参数与磨削次数进行精密磨削，最终实现CVD金刚石微铣刀的激光诱导石墨化辅助精密磨削的加工。

本发明具有如下有益效果：加工过程中首先利用金刚石激光石墨化原理，将待加工的CVD金刚石材料通过激光诱导，使金刚石表层在短时间内变质为多孔疏松的粉末状以及固体状变质层，能够有效降低磨削载荷，提高加工效率；在激光加工过程中，可以通过控制装置使待加工的微铣刀按照设计好的激光光路进给，也可以实时监测并控制激光的单脉冲能量，从而获得预期的刀具形貌；在后续的精密磨削中，经过激光诱导石墨化的金刚石表面存在包含碳原子SP2杂化缺陷的微小起伏。磨削时，一旦这些微小起伏受到磨粒往复的刮擦，缺陷就会发展成细小裂纹，之后表面材料沿裂纹去除，而不是沿晶界的大规模剥落，从而导致磨削抗力小，加工表面质量高，磨削出的刀具切削刃锋利，裂纹较少，能更好地应用于精密与微细加工领域。

附图说明

图1为金刚石刀具在激光诱导石墨化前后的对比示意图；

图2为激光单脉冲辐照与激光加工路线示意图；

图3为实例中微铣刀的结构示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图并通过一个具体实施例来说明本发明激光诱导石墨化辅助精密刃磨CVD金刚石微铣刀的方法。

为了研究不同单脉冲能量(e)，扫描速度(v)和填充间距(d)对金刚石石墨化深度的影响，进行下面15组仿真与实验。前9组为固定激光单脉冲能量0.25mJ，研究激光扫描速度和填充间距对石墨化深度的影响。之后分别进行三组单脉冲能量为0.35mJ和0.45mJ的变功率仿真。最终仿真实验结果显示在表1中。

表1不同参数下的仿真实验结果

经过实验结果的分析与比对，发现在采用重复频率f＝40kHz，单脉冲功率e＝0.25mJ，扫描速度为v＝50mm/s，填充间距d＝3μm的情况下分界面质量较高，切削刃直线度较好，加工速度块。遂采用上述参数作为以下加工时的预置参数。

为了研究不同砂轮粒度(G)，磨削速度(V)和进给速度(F)对磨削效果的影响，进行下面磨削实验。实验结果如表2所示。

表2不同参数下法向磨削力和刃口钝圆半径数值

整个磨削试验中，最好的磨削品质出现在采用小粒度砂轮(8μm)，以中等的磨削速度(20.574m/s)和中等的进给率(0.27mm/s)的情况下，遂采用上述参数作为以下加工的预置参数。

刀头材料选为CVD金刚石厚膜，CVD金刚石刀头有效尺寸为：长0.8mm、宽0.7mm、厚0.4mm，其在氩气保护环境下被高频钎焊于刀柄上。前刀面已经过抛光处理，结合本发明所提出的激光诱导石墨化辅助精密刃磨CVD金刚石微铣刀的方法进行进一步说明。具体步骤如下：

1.根据CVD金刚石微铣刀待加工区域金刚石材料的石墨化规律与激光加工去除材料的原理，结合温度场仿真结果和激光诱导氧化实验，研究激光参数对金刚石石墨化深度，分界层质量，切削刃质量以及变质层切削性能的影响，优选重复频率f＝40kHz，扫描速度为v＝50mm/s，填充间距d＝3μm，焦距75mm。

2.对激光诱导石墨化后的微铣刀进行精密磨削实验，研究磨削参数对表面粗糙度和刃口质量的影响，并与传统的磨削加工进行比较，从而优选8μm粒度的砂轮，以20.574m/s的磨削速度和0.27mm/s的进给率进行圆弧刃微铣刀的刃磨，磨削循环次数选择12次。

3.对设计出的微铣刀进行建模与模态分析，选择出合适的刀具参数为，刀柄直径4μm，刀刃长度1μm，刀刃直径0.5μm，前角0°，后角5°，并根据刀具形貌设计如图2(b)所示的激光加工的路线。

4.将CVD金刚石微铣刀装夹到夹具上，为防止激光误伤前刀面，调节角度使激光光束和被加工面法向保持7.5°的倾角。按照上述激光参数对激光发射器进行设定，将激光光斑聚焦在待加工微铣刀的待加工区域材料上，调整焦距至75mm以完成对焦，并按照图2所设计的激光加工路线进行进给，根据聚焦位置的不同，调节激光单脉冲能量如图2(a)所示从0.25mJ，0.3mJ，0.35mJ，0.4mJ，0.45mJ变化，并保持重复频率40kHz，激光扫描速度50mm/s，主体填充间距3μm，利用激光加热待加工区域的材料，使待加工区域材料发生快速可控的石墨化反应，如图2(a)所示，形成不同深度的疏松多孔易去除的石墨变质层。

5.将石墨化后的金刚石微铣刀装夹在精密刃磨机床上，选用8μm粒度的砂轮，并选用20.574m/s的磨削速度和0.27mm/s的进给率，对激光石墨化后的区域进行12次精密磨削循环，最终实现CVD金刚石微铣刀的激光诱导石墨化辅助精密磨削的加工，得到如图3所示的铣刀。经测量，加工得到的刀具前后刀面粗糙度Ra值80nm，刀刃钝圆半径800nm。

目前在此领域，其他的学者也做出了一些成果但研究成果或项目大部分还仅停留在理论研究的层面。而使用本发明所提出的加工工艺方法，能够加工出如图3所示的微铣刀，加工出前后刀面粗糙度Ra值80nm，刀刃钝圆半径800nm的CVD金刚石微铣刀，且刀具切削刃锋利，裂纹和毛刺较少，表面质量较好，能更好地应用于精密与微细加工领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种CVD金刚石微铣刀的制备方法，其特征在于：包括两个步骤，

(1)利用金刚石激光石墨化原理，通过激光诱导，将金刚石刀具表层变质为疏松多孔的不同深度的石墨变质层，降低磨削载荷；

(2)使用精密刀具刃磨机床对石墨化后的金刚石刀具进行精密磨削，从而加工出锋利且裂纹少的金刚石微铣刀。

2.根据权利要求1所述的一种CVD金刚石微铣刀的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，激光参数以温度场仿真结果以及激光诱导石墨化实验得出，重复频率f的范围为40～200kHz，扫描速度v的范围为30～70mm/s，填充间距d的范围为1.5～4.5μm，焦距30～100mm。

3.根据权利要求2所述的一种CVD金刚石微铣刀的制备方法，其特征在于：将激光调整焦距完成对焦，调节激光单脉冲能量从0.2～0.5mJ之间变化，并保持重复频率在40～200kHz，激光扫描速度v的范围为30～70mm/s，填充间距1.5～4.5μm，利用激光加热待加工区域的材料。

4.根据权利要求2所述的一种CVD金刚石微铣刀的制备方法，其特征在于：所述刀具的刀柄直径4μm，刀刃长度1μm，刀刃直径0.5μm，前角0°，后角5°，并根据刀具形貌设激光加工的路线；所述激光加工路线为沿石墨层表面进行圆弧形加工。

5.根据权利要求3所述的一种CVD金刚石微铣刀的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)为对激光诱导石墨化后的微铣刀进行精密磨削实验，研究磨削参数对表面粗糙度和刃口质量的影响，并与传统的磨削加工进行比较，选取砂轮粒度在8～15μm，以15.225～26.069m/s的磨削速度和0.12～0.49mm/s的进给率进行圆弧刃微铣刀的刃磨，磨削循环10～30次。