硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法和装置

摘要

本发明涉及硬脆材料超精密加工技术领域，为实现最大切深的延性域磨削，从而实现硬脆材料高表面质量、高效、高精度的生产加工，为此，本发明采用的技术方案是，硬脆材料磨削脆‑延转化临界切削深度确定方法和装置，包括如下步骤：（1）根据超精密磨削所使用的砂轮确定自制多磨粒刀具的磨粒数目、形状、间距；（2）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角参数在所述的磨粒基体上加工出≥3个磨粒；（3）控制多磨粒刀具和工件产生相对运动，在工件表面开始划削，同时控制多磨粒刀具连续进给，使划痕的深度连续变化；将完成划痕的工件利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜进行观察和测量。本发明主要应用于超精密加工。

主权项

一种硬脆材料磨削脆‑延转化临界切削深度确定方法，其特征是，包括下列步骤：1)根据超精密磨削所使用的砂轮确定自制多磨粒刀具的磨粒数目、形状、间距：多磨粒刀具的磨粒数目≥3个，所述的磨粒通过聚焦离子束(FIB)加工或激光被加工在同一基体上，单个磨粒形状加工成和要使用砂轮磨粒形状相同，磨粒的间距S_B按照下面公式(2)给出：$S_B=\sqrt{\frac{\pi }{6V_g}}{d}_0---\left(2\right)$式中，V_g为砂轮的浓度，d₀为砂轮的磨粒直径；磨粒的前角为负值，具体数值按如下规则选择：磨粒直径d₀＝20～70μm范围内，前角在‑45°～‑50°内选择；磨粒直径d₀＝70～420μm范围内，前角在‑50°～‑55°内选择；2)选定加工磨粒基体，将其固定在刀台上；3)按照步骤1)选定的磨粒形状、间距、前角参数在所述的磨粒基体上加工出≥3个磨粒，磨粒的粒径小时，采用聚焦离子束(FIB)加工方法进行加工；或者，对于粒径较大，形状精度要求不高的磨粒选用包括激光加工在内的微纳制造方法进行加工；4)将固定有多磨粒刀具的刀台固定在磨削机床的固定架上，所述固定架被安装在磨削机床的工作台上；5)将要加工工件固定在磨削机床主轴上，可以随主轴进行旋转；6)控制磨削机床工作台移动，带动固定在工作台上的固定架，进而带动固定在固定架即刀架上的多磨粒刀具接近工件表面；7)控制多磨粒刀具和工件产生相对运动，在工件表面开始划削，同时控制多磨粒刀具连续进给，使划痕的深度连续变化，具体划削方式按照以下两种方式进行：a)当实际磨削的线速度≤100mm/min时采用直线划削方式，所述的固定在机床主轴的工件不旋转，控制工件和多磨粒刀具在X、Y轴方向上产生相对运动，在Z轴方向上产生刀具连续进给运动，切削深度a按照下式控制：$a=\frac{l}{k}---\left(3\right)$式中，l为划痕长度，k为系数，＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，k值越大得到临界切削深度a_c值越精确；b)当实际磨削的线速度＞100mm/min时采用阿基米德螺旋线划削方式，划削时，固定在主轴上的工件旋转，当工件旋转速度到所定划削速度v₀并稳定后，控制工件和多磨粒刀具接近并开始做切深连续变化划削，控制多磨粒刀具，在工件表面形成阿基米德螺旋轨迹，同时在Z轴方向上产生刀具连续进给运动，切削深度a按照下式控制：$a=\frac{\theta }{k}---\left(4\right)$式中，θ为工件转角，单位度；k为系数，单位度/纳米，k＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，按照下式控制工件转速ω：$\omega =\frac{v_0}{b-a\theta }---\left(5\right)$式中，b为划痕初始点距主轴旋转中心的距离；a为阿基米德螺旋线系数；将完成划痕的工件利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜进行观察和测量，区域内出现不超过10％的脆性材料断裂，即出现90％以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区，区域内出现超过10％的脆性材料断裂，即出现不超过90％的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区，恰好为10％脆性材料去除、90％塑性流动去除形式区域为脆‑延转化临界区域，测量脆‑延转化临界区域的深度即获得该材料在该机床上进行超精密磨削的脆‑延转化临界切深深度a_c。