CN114161328A - 一种cvd金刚石微细磨削工具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种CVD金刚石微细磨削工具及其制备方法，所述工具包括基体、CVD金刚石镀层、磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的A类微沟槽、磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的B类微沟槽和磨具底面CVD金刚石镀层表面上的C类微沟槽；所述工具相比其他微细磨削工具，通过增加沟槽可以有效降低磨削磨损，提高加工效率。相比其他微细铣削工具，通过工具表面CVD镀层可以有效降低加工表面的表面粗糙度，并显著提高微细磨削工具的使用寿命，同时，微细磨削工具圆周面上的微沟槽可以将磨削液和磨屑及时排出，避免磨削液和磨屑的堆积对加工表面和微细磨削工具造成二次磨损。

Description

一种CVD金刚石微细磨削工具及其制备方法

技术领域

本发明属于精密微细加工技术领域，特别是涉及一种CVD金刚石微细磨削工具及其制备方法。

背景技术

微细磨削加工技术在航空航天、机械电子、光学以及光电子领域都具有重要的应用价值和广阔的应用前景，其使用的磨削工具也越来越受到重视。如钛合金或玻璃表面的微流道器件，为了获得具有纳米级的表面粗糙度和微米级的面形精度，都需要使用具有微米级尺寸的金刚石微细磨具进行微磨削加工来实现。但随着精密微细加工需求的不断增长，现有微细磨削工具愈加凸显了以下主要制约因素：

一、微细磨削加工区常处于封闭状态，加工过程中磨削液难以到达磨削区，使得磨削温度高，工件材料加工硬化严重，导致具有微小直径的微细磨削工具在加工时极易发生磨损从而降低微流道的加工精度。

二、磨削加工中的磨屑不易导出，极易残留在磨削工具和工件中，致使微细磨削工具表面极易堵塞，从而导致工具失效。

发明内容

本发明为了解决现有精密微磨削加工中磨削液不易到达磨削区，微细磨削工具极易堵塞、磨损，从而导致磨削加工精度和效率低的问题，提出了一种CVD金刚石微细磨削工具及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种CVD金刚石微细磨削工具，所述CVD金刚石微细磨削工具为笔形磨削工具，所述工具包括基体，所述基体由圆柱形装夹部分、圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分组成，三个部分依次连接；所述圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分完全覆盖CVD金刚石镀层，所述微圆柱形磨削部分包括三种类型的微沟槽，分别是磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的A类微沟槽、磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的B类微沟槽和磨具底面CVD金刚石镀层表面上的C类微沟槽；所述C类微沟槽以底面中心为交叉点成360°均匀分布交叉设置，所述C类微沟槽与A类微沟槽和B类微沟槽在磨具底面边缘形成的交点的个数等于A类微沟槽与B类微沟槽条数的总和，每条C类微沟槽形成的两个交点连接同类型的A类微沟槽或B类微沟槽。

进一步地，所述圆柱形装夹部分根据实际装夹需求确定，圆锥形过渡部分长度为2-10mm，锥度范围1:1-1:2；微圆柱形磨削部分直径为0.1-1mm，微圆柱形磨削部分长度为0.2-2mm；圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分直接为圆弧过渡，其过渡圆弧半径为0.3-0.5mm；所述CVD金刚石镀层厚度为10-20μm，CVD金刚石镀层为多晶正多面体结构金刚石，晶粒大小为2μm～5μm。

进一步地，所述磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的A类微沟槽为磨削液导入槽，截面为U型，A类微沟槽为螺旋线，螺旋方向与磨削加工时工具转向相反，螺旋升角为15-45°，螺旋高度为磨削深度的120％，A类微沟槽宽度15-20μm，沟槽深度在5-10μm范围间；

A类微沟槽深度r_A：

其中，Q为流量，η为流体粘度，L为沟槽长度，Δp为微沟槽的两端的压力差。

进一步地，所述磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的B类微沟槽为磨屑导出槽，截面为U型，B类微沟槽为螺旋线，螺旋方向与磨削加工时工具转向相同，螺旋升角为45-60°，螺旋高度为磨削深度的120％，B类微沟槽宽度15-20μm，沟槽深度在10-15μm范围间；

B类微沟槽深度r_B：

其中，ρ为固液两相流的密度，R_e为微沟槽雷诺数，τ为流体与微沟槽壁之间的剪切应力，ΔF为固液两相流的附加阻力，f_m为固液两相流的阻力系数，V为微沟槽内的平均流速。

进一步地，所述磨具底面CVD金刚石镀层表面上的C类微沟槽截面为U型，设置有2-4条，沟槽宽度10-15μm，沟槽深度在5-10μm范围间。

本发明提出一种CVD金刚石微细磨削工具的制备方法，所述制备方法具体为：

步骤一、对CVD金刚石镀膜前的微磨具基体的圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分都进行强酸脱钴处理，利用CVD化学气相沉积法在微磨具基体的圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分都生成10-20μm厚的多晶金刚石镀层；

步骤二、将待加工的微细磨削工具水平安装在转台上，将转台固定在竖直放置的精密倾斜台上，并将激光器的激光头竖直安装好，并调整激光头的相对位置，使激光焦点可以聚焦在微细磨削工具外圆表面，调整激光器与微细磨削工具的空间位置，使二者轴线相互垂直，转台和倾斜台之间的角度可以变化；

步骤三、旋转的微细磨削工具在水平和竖直方向上按往复直线运动轨迹与竖直安装的激光头做相对运动，并根据待加工微沟槽的宽度和角度，利用激光头在微细磨削工具外圆表面加工微沟槽；

步骤四、将微细磨削工具调至竖直状态，使用激光器在微细磨削工具底面加工出微沟槽。

进一步地，步骤二中的微细磨削工具的转速为0.15rpm-0.5rpm。

进一步地，步骤二中的激光器为皮秒激光器，功率为0.3-1.3w，重复频率为5kHz，脉冲宽度为15-200ps，激光波长532nm，采用正离焦加工，离焦量为0-0.8mm。

进一步地，在步骤三中，

根据已确定的A类或B类微沟槽深度r_AB，确定离焦量Z：

r_AB等于r_A或r_B；

其中，ω₀为光束最窄处激光光斑直径，Z_R为激光的瑞利长度；

根据已确定的A类或B类微沟槽宽度d_AB，确定在激光加工过程中在微沟槽宽度方向的进给量R：

随后确定螺旋线长度和横向进给长度，而二者可根据纵向加工长度，即微细磨削工具的微圆柱形磨削部分长度确定；

横向进给长度L：

其中H为待加工微细磨削工具的微圆柱形磨削部分长度，即纵向进给长度；α为螺旋线升角；

加工沟槽长度l：

为保证加工微沟槽的表面粗糙度和精度，将精密倾斜台与竖直方向的夹角设置为与螺旋线升角相同的角度α；

微细磨削工具的横向进给速度为0.05-0.2mm/min，纵向进给速度为0.05-0.2mm/min；

调整激光头与微细磨削工具之间的距离，在微细磨削工具外圆表面每次旋转固定角度加工微沟槽，所述角度θ：

其中，n为微圆柱形磨削部分微沟槽数量。

进一步地，在步骤四中，

微细磨削工具底部微沟槽宽度d_C：

微细磨削工具底部微沟槽深度h_C

h_C＝kNln(I₀/I_th)

其中，k代表材料的光学穿透深度系数，N代表有效脉冲数，I₀代表激光能量密度，I_th代表烧蚀阈值。

本发明的有益效果为：

1)本发明所述的一种新型CVD金刚石微细磨削工具，相比其他微细磨削工具，通过增加沟槽可以有效降低磨削磨损，提高加工效率。相比其他微细铣削工具，通过工具表面CVD镀层可以有效降低加工表面的表面粗糙度，并显著提高微细磨削工具的使用寿命。本发明可以通过微细磨削工具底部的沟槽有效避免速度零点，以此来减轻微细磨削工具整体的磨损状况，同时，微细磨削工具圆周面上的微沟槽可以将磨削液和磨屑及时排出，避免磨削液和磨屑的堆积对加工表面和微细磨削工具造成二次磨损，根据软件模拟和实验结果表明，微细磨削工具使用寿命可以提升20％以上。

2)本发明所述的一种新型CVD金刚石微细磨削工具的制备方法，在经过激光加工精度的有效控制后，可以获得纳米级的沟槽侧壁的表面粗糙度和微米级别的沟槽宽度的尺寸精度，因此具有很高的加工精度，软件模拟和实验结果表面使用该种新型CVD金刚石微细磨削工具加工后的微结构表面粗糙度可以达到50nm，尺寸偏差可以优于5μm(TC4)。

3)本发明具有较强的通用性。可用于各种尺寸的微细磨削工具沟槽的加工，可实现对磨削刃直径为0.1-1mm，磨削刃长度为0.2-2mm，涂层厚度为10-20μm，晶粒直径2-5μm的微细磨削工具的加工。

附图说明

图1为本发明所述CVD金刚石微细磨削工具结构图；

图2为CVD金刚石镀层厚度有限元仿真计算结果示意图；

图3为微沟槽宽度有限元仿真计算结果示意图；

图4为微沟槽深度有限元仿真计算结果示意图；

图5为微沟槽螺旋升角有限元仿真计算结果示意图；

图6为CVD金刚石微细磨削工具制备平台简图；图中1为底座，2为X轴，3为Y轴，4为Z轴，5为精密倾斜台，6为转台，7为微细磨削工具，8为激光头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-6，本发明提出一种CVD金刚石微细磨削工具，所述CVD金刚石微细磨削工具为笔形磨削工具，所述工具包括基体，基体为YG6硬质合金，所述基体由圆柱形装夹部分、圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分组成，三个部分依次连接；所述圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分完全覆盖CVD金刚石镀层，以提高磨削工具整体强度，所述微圆柱形磨削部分包括三种类型的微沟槽，分别是磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的A类微沟槽、磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的B类微沟槽和磨具底面CVD金刚石镀层表面上的C类微沟槽；所述C类微沟槽以底面中心为交叉点成360°均匀分布交叉设置，所述C类微沟槽与A类微沟槽和B类微沟槽在磨具底面边缘形成的交点的个数等于A类微沟槽与B类微沟槽条数的总和，每条C类微沟槽形成的两个交点连接同类型的A类微沟槽或B类微沟槽。

所述圆柱形装夹部分根据实际装夹需求确定，圆锥形过渡部分长度为2-10mm，锥度范围1:1-1:2；微圆柱形磨削部分直径为0.1-1mm，微圆柱形磨削部分长度为0.2-2mm；圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分直接为圆弧过渡，通过有限元仿真其过渡圆弧半径为0.3-0.5mm，以提高工具强度，过渡部分有限元仿真计算对比结果如表1所示；根据有限元仿真计算所述CVD金刚石镀层厚度为10-20μm，CVD金刚石镀层为多晶正多面体结构金刚石，晶粒大小为2μm～5μm。

表1过渡部分有限元仿真计算对比结果

所述磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的A类微沟槽为磨削液导入槽，截面为U型，A类微沟槽为螺旋线，螺旋方向与磨削加工时工具转向相反，螺旋升角为15-45°，螺旋高度为磨削深度的120％，A类微沟槽宽度15-20μm，沟槽深度在5-10μm范围间(小于CVD金刚石镀层厚度)；

A类微沟槽深度r_A：

其中，Q为流量，η为流体粘度，L为沟槽长度，Δp为微沟槽的两端的压力差。

所述磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的B类微沟槽为磨屑导出槽，截面为U型，B类微沟槽为螺旋线，螺旋方向与磨削加工时工具转向相同，螺旋升角为45-60°，螺旋高度为磨削深度的120％，B类微沟槽宽度15-20μm，沟槽深度在10-15μm范围间(小于CVD金刚石镀层厚度)；

B类微沟槽深度r_B：

其中，ρ为固液两相流的密度，R_e为微沟槽雷诺数，τ为流体与微沟槽壁之间的剪切应力，ΔF为固液两相流的附加阻力，f_m为固液两相流的阻力系数，V为微沟槽内的平均流速。

经过有限元仿真计算，分别模拟不同A类微沟槽和B类微沟槽的宽度和深度，结果如图3，图4所示。经过有限元仿真计算，分别模拟不同螺旋升角的应力大小，结果如图5所示。

所述磨具底面CVD金刚石镀层表面上的C类微沟槽截面为U型，设置有2-4条，沟槽宽度10-15μm，沟槽深度在5-10μm范围间(小于CVD金刚石镀层厚度)。

本发明提出一种CVD金刚石微细磨削工具的制备方法，所述制备方法具体为：

步骤一、对CVD金刚石镀膜前的微磨具基体的圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分都进行强酸脱钴处理，利用CVD化学气相沉积法在微磨具基体的圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分都生成10-20μm厚的多晶金刚石镀层；厚度偏差小于厚度的10％；

步骤二、将待加工的微细磨削工具水平安装在转台上，将转台固定在竖直放置的精密倾斜台上，并将激光器的激光头竖直安装好，并调整激光头的相对位置，使激光焦点可以聚焦在微细磨削工具外圆表面，调整激光器与微细磨削工具的空间位置，使二者轴线相互垂直，转台和倾斜台之间的角度可以变化；如图6所示；

步骤三、旋转的微细磨削工具在水平和竖直方向上按往复直线运动轨迹与竖直安装的激光头做相对运动，并根据待加工微沟槽的宽度和角度，利用激光头在微细磨削工具外圆表面加工微沟槽；

步骤四、将微细磨削工具调至竖直状态，使用激光器在微细磨削工具底面加工出微沟槽。

步骤二中的微细磨削工具的转速为0.15rpm-0.5rpm。

步骤二中的激光器为皮秒激光器，功率为0.3-1.3w，重复频率为5kHz，脉冲宽度为15-200ps，激光波长532nm，采用正离焦加工，离焦量为0-0.8mm。

在步骤三中，

根据已确定的A类或B类微沟槽深度r_AB，确定离焦量Z：

r_AB等于r_A或r_B；

其中，ω₀为光束最窄处激光光斑直径，Z_R为激光的瑞利长度；

根据已确定的A类或B类微沟槽宽度d_AB，确定在激光加工过程中在微沟槽宽度方向的进给量R：

随后确定螺旋线长度和横向进给长度，而二者可根据纵向加工长度，即微细磨削工具的微圆柱形磨削部分长度确定；

横向进给长度L：

其中H为待加工微细磨削工具的微圆柱形磨削部分长度，即纵向进给长度；α为螺旋线升角；

加工沟槽长度l：

为保证加工微沟槽的表面粗糙度和精度，将精密倾斜台与竖直方向的夹角设置为与螺旋线升角相同的角度α；

微细磨削工具的横向进给速度为0.05-0.2mm/min，纵向进给速度为0.05-0.2mm/min；

调整激光头与微细磨削工具之间的距离，在微细磨削工具外圆表面每次旋转固定角度加工微沟槽，所述角度θ：

其中，n为微圆柱形磨削部分微沟槽数量。

在步骤四中，

微细磨削工具底部微沟槽宽度d_C：

微细磨削工具底部微沟槽深度h_C

h_C＝kNln(I₀/I_th)

其中，k代表材料的光学穿透深度系数，N代表有效脉冲数，I₀代表激光能量密度，I_th代表烧蚀阈值。

以上对本发明所提出的一种CVD金刚石微细磨削工具及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种CVD金刚石微细磨削工具，其特征在于：所述CVD金刚石微细磨削工具为笔形磨削工具，所述工具包括基体，所述基体由圆柱形装夹部分、圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分组成，三个部分依次连接；所述圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分完全覆盖CVD金刚石镀层，所述微圆柱形磨削部分包括三种类型的微沟槽，分别是磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的A类微沟槽、磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的B类微沟槽和磨具底面CVD金刚石镀层表面上的C类微沟槽；所述C类微沟槽以底面中心为交叉点成360°均匀分布交叉设置，所述C类微沟槽与A类微沟槽和B类微沟槽在磨具底面边缘形成的交点的个数等于A类微沟槽与B类微沟槽条数的总和，每条C类微沟槽形成的两个交点连接同类型的A类微沟槽或B类微沟槽。

2.根据权利要求1所述的磨削工具，其特征在于：所述圆柱形装夹部分根据实际装夹需求确定，圆锥形过渡部分长度为2-10mm，锥度范围1:1-1:2；微圆柱形磨削部分直径为0.1-1mm，微圆柱形磨削部分长度为0.2-2mm；圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分直接为圆弧过渡，其过渡圆弧半径为0.3-0.5mm；所述CVD金刚石镀层厚度为10-20μm，CVD金刚石镀层为多晶正多面体结构金刚石，晶粒大小为2μm～5μm。

3.根据权利要求1所述的磨削工具，其特征在于：所述磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的A类微沟槽为磨削液导入槽，截面为U型，A类微沟槽为螺旋线，螺旋方向与磨削加工时工具转向相反，螺旋升角为15-45°，螺旋高度为磨削深度的120％，A类微沟槽宽度15-20μm，沟槽深度在5-10μm范围间；

A类微沟槽深度r_A：

其中，Q为流量，η为流体粘度，L为沟槽长度，Δp为微沟槽的两端的压力差。

4.根据权利要求1所述的磨削工具，其特征在于：所述磨具圆周面CVD金刚石镀层表面上的B类微沟槽为磨屑导出槽，截面为U型，B类微沟槽为螺旋线，螺旋方向与磨削加工时工具转向相同，螺旋升角为45-60°，螺旋高度为磨削深度的120％，B类微沟槽宽度15-20μm，沟槽深度在10-15μm范围间；

B类微沟槽深度r_B：

其中，ρ为固液两相流的密度，R_e为微沟槽雷诺数，τ为流体与微沟槽壁之间的剪切应力，ΔF为固液两相流的附加阻力，f_m为固液两相流的阻力系数，V为微沟槽内的平均流速。

5.根据权利要求1所述的磨削工具，其特征在于：所述磨具底面CVD金刚石镀层表面上的C类微沟槽截面为U型，设置有2-4条，沟槽宽度10-15μm，沟槽深度在5-10μm范围间。

6.一种CVD金刚石微细磨削工具的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体为：

步骤一、对CVD金刚石镀膜前的微磨具基体的圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分都进行强酸脱钴处理，利用CVD化学气相沉积法在微磨具基体的圆锥形过渡部分和微圆柱形磨削部分都生成10-20μm厚的多晶金刚石镀层；

步骤二、将待加工的微细磨削工具水平安装在转台上，将转台固定在竖直放置的精密倾斜台上，并将激光器的激光头竖直安装好，并调整激光头的相对位置，使激光焦点可以聚焦在微细磨削工具外圆表面，调整激光器与微细磨削工具的空间位置，使二者轴线相互垂直，转台和倾斜台之间的角度可以变化；

步骤三、旋转的微细磨削工具在水平和竖直方向上按往复直线运动轨迹与竖直安装的激光头做相对运动，并根据待加工微沟槽的宽度和角度，利用激光头在微细磨削工具外圆表面加工微沟槽；

步骤四、将微细磨削工具调至竖直状态，使用激光器在微细磨削工具底面加工出微沟槽。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤二中的微细磨削工具的转速为0.15rpm-0.5rpm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤二中的激光器为皮秒激光器，功率为0.3-1.3w，重复频率为5kHz，脉冲宽度为15-200ps，激光波长532nm，采用正离焦加工，离焦量为0-0.8mm。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在步骤三中，

根据已确定的A类或B类微沟槽深度r_AB，确定离焦量Z：

r_AB等于r_A或r_B；

其中，ω₀为光束最窄处激光光斑直径，Z_R为激光的瑞利长度；

根据已确定的A类或B类微沟槽宽度d_AB，确定在激光加工过程中在微沟槽宽度方向的进给量R：

随后确定螺旋线长度和横向进给长度，而二者可根据纵向加工长度，即微细磨削工具的微圆柱形磨削部分长度确定；

横向进给长度L：

其中H为待加工微细磨削工具的微圆柱形磨削部分长度，即纵向进给长度；α为螺旋线升角；

加工沟槽长度l：

为保证加工微沟槽的表面粗糙度和精度，将精密倾斜台与竖直方向的夹角设置为与螺旋线升角相同的角度α；

微细磨削工具的横向进给速度为0.05-0.2mm/min，纵向进给速度为0.05-0.2mm/min；

调整激光头与微细磨削工具之间的距离，在微细磨削工具外圆表面每次旋转固定角度加工微沟槽，所述角度θ：

其中，n为微圆柱形磨削部分微沟槽数量。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：在步骤四中，

微细磨削工具底部微沟槽宽度d_C：

微细磨削工具底部微沟槽深度h_C

h_C＝kNln(I₀/I_th)

其中，k代表材料的光学穿透深度系数，N代表有效脉冲数，I₀代表激光能量密度，I_th代表烧蚀阈值。

Images