專利名稱：一種微結構陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法
技術領域：
本發明涉及微細加工、精密加工和鏡面加工，具體涉及一種微結構陣列表面的微細磨削、精密磨削和鏡面磨削一體化加工方法；該方法屬于微細制造技術領域。
背景技術：
在零部件表面加工出微結構陣列，可以產生多種新的功能特性，使得工作系統性能更高、結構更小、能耗更低。目前，微結構功能表面主要依賴光、化學等蝕刻加工，但是，其效率極低、成本過高，且有難處理的腐蝕液體。因此，機械加工開始用于微結構表面加工，但加工表面有毛刺、微結構形狀精度難控制、結構表面很難拋光成鏡面。例如，用銑削加工微結構后還要采用高速射流等其他加工方法去除毛刺，這會增加工成本，而且很難加工硬脆性材料部件。此外，硅、石英玻璃、陶瓷等硬脆性工件表面微結構可以采用金剛石砂輪V形尖端加工，若要加工成鏡面還需游離磨料拋光方式，效率極低，且成本過高，還有難回收的拋光液。雖然ELID(ElectroLytic In process Dressing)磨削可以將結構表面加工成鏡面，但是，其修整裝置復雜，電極形狀精度要求較高，仍然無法解決效率低和成本高的問題， 而且，其電解液有污染，且回收困難。

發明內容
本發明的目的在于對微結構陣列表面提供微細、精密和鏡面一體化磨削方法。傳統拋光方法可以將平面工件加工成鏡面，但無法用于微結構陣列表面的鏡面加工。本發明是在工件表面加工出高形狀精度的微結構陣列表面，同時也將其表面加工成鏡面，工件可以為陶瓷、玻璃、硅、硬質模具鋼等硬脆性材料，微結構陣列表面可表現為微溝槽陣列、微四面錐塔陣列和微三面錐塔陣列等。本發明的目的通過如下技術方案實現一種微結構陣表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法，包括如下步驟(1)將金剛石砂輪刀具固定在機床的砂輪軸上，待加工工件固定在水平面上；(2)成型加工金剛石砂輪刀具隨砂輪軸高速旋轉，砂輪行進方向垂直于砂輪軸軸向方向，金剛石砂輪刀具的V形尖角對工件表面進行磨削，完成間距相等平行分布的第一溝槽加工；將砂輪軸水平轉動，對工件表面再次磨削，完成間距相等平行分布的第二溝槽加工；由此將工件表面加工成微結構陣列表面；微結構陣列高度為10 800微米，微結構面夾角為30 120度；金剛石砂輪每次進給深度為10 50微米，累計進給深度10 800 微米，進給速度為1 3米/分；上述砂輪軸2水平轉動角度可視實際情況而定，從而將工件表面加工成不同的微結構陣列表面。當轉動角度為0度、60度和90度時，可以分別形成微溝槽陣列表面、微三面錐塔陣列和微四面錐塔陣列表面；(3)鏡面加工步驟O)中加工工件裝夾位置不變，金剛石砂輪沿第一溝槽、第二溝槽行進，對微結構陣列表面進行鏡面加工；進給速度為0. 1 0. 6米/分，開始，砂輪每次進給深度為5 15微米，累計進給深度150微米，然后，砂輪每次進給深度為1 3微米，累計進給深度3 10微米，零磨削4 7次。所述步驟(1)中的金剛石砂輪為金屬基細金剛石砂輪，金剛石砂輪粒度為600 1500目，結合劑為青銅。所述步驟⑵中的金剛石砂輪為樹脂基超細金剛石砂輪，金剛石粒度為 3000-8000目，結合劑為樹脂。 所述金剛石砂輪直徑為80 300毫米，寬度0. 2 10毫米，濃度為100 120 %， V形尖角的角度α為30 120度，尖角圓弧半徑為3 50微米。加工中金剛石砂輪轉速為1500 3000轉/分，采用水和水溶性磨削液作為冷卻液。本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果(1)與光、化學等蝕刻微細加工相比，效率高、成本低且不采用對環境有污染的化學腐蝕液。(2)在同一工位上一次將工件表面加工出高精度且鏡面的微結構陣列表面，不需要效率低且有研磨液污染問題的拋光工藝。(3)該微細鏡面成型磨削方法可以加工硅、玻璃、陶瓷、硬質鋼等難加工材料，加工微結構無毛刺、表面粗糙度可達納米級。


圖1為本發明微結構陣列表面的成型磨削示意圖。
具體實施例方式為更好理解本發明，下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但是本發明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。將金剛石砂輪刀具1固定在機床的砂輪軸2上，待加工工件4固定在水平面上；在成型加工中，金剛石砂輪刀具1采用金屬基細金剛石砂輪，金剛石砂輪粒度為 600 1500目，結合劑為青銅；金剛石砂輪刀具1隨砂輪軸2高速旋轉，砂輪1行進方向垂直于砂輪軸2軸向方向，金剛石砂輪刀具1的V形尖角3對工件4表面進行磨削，完成間距相等平行分布的第一溝槽加工；將砂輪軸2水平轉動，對工件4表面再次磨削，完成間距相等平行分布的第二溝槽加工；由此將工件4表面加工成微結構陣列表面7 ；微結構陣列高度為10 800微米，微結構面夾角為30 120度；金剛石砂輪1每次進給深度為10 50微米，累計進給深度10 800微米，進給速度為1 3米/分；上述砂輪軸2水平轉動角度可視實際情況而定，從而將工件4表面加工成不同的微結構陣列表面7。當轉動角度為0度、 60度和90度時，可以分別形成微溝槽陣列表面、微三面錐塔陣列和微四面錐塔陣列表面；在精密鏡面加工中采用樹脂基超細金剛石砂輪，金剛石粒度為3000-8000目，結合劑為樹脂。加工工件裝夾位置不變，金剛石砂輪1沿第一溝槽、第二溝槽行進，對微結構陣列表面7進行鏡面加工；進給速度為0. 1 0. 6米/分，開始，砂輪每次進給深度為5 15微米，累計進給深度150微米，然后，砂輪每次進給深度為1 3微米，累計進給深度3 10微米，零磨削4 7次。上述金屬基細金剛石砂輪和樹脂基超細金剛石砂輪的參數為直徑80 300毫
4米，寬度0.2 10毫米，濃度為100 120%，V形尖角的角度α為30 120度，尖角圓弧半徑為3 50微米。加工中金剛石砂輪轉速為1500 3000轉/分，采用水和水溶性磨削液作為冷卻液。微結構陣列表面6的加工形狀誤差平均值可以達到數微米級，加工的結構表面可以達到納米級粗糙度的鏡面。實施例在CNC精密機床上，金剛石砂輪1先采用直徑160毫米的金屬基細金剛石砂輪，粒度為600目，結合劑為青銅，濃度為100% (金剛石的含量4. 4克拉/cm3)，金剛石砂輪V形尖角角度為60度，工件為石英材料。如圖1所示，數控機床驅動金剛石砂輪1的V形尖角 3在工件表面4上進行磨削，完成間距相等平行分布的第一溝槽加工；將砂輪軸2水平轉動 90度，對工件4表面再次磨削，完成間距相等平行分布的第二溝槽加工；由此將工件4表面加工成微四面錐塔陣列表面6 ；砂輪每次進給深度a為10微米，累計進給深度600微米，進給速度vf為2米/分，砂輪轉速N為2000轉/分，采用水作為冷卻液。然后，金剛石砂輪1換成直徑150毫米的樹脂基超細金剛石砂輪，粒度為3000目， 結合劑為樹脂，濃度為120% (金剛石的含量4. 4克拉/cm3)，金剛石砂輪V形尖角角度為 60度，加工工件裝夾位置不變。如圖1所示，在數控機床上驅動金剛石砂輪1的V形尖角3 在工件表面上沿著同樣的交叉直線行走路徑5進行往復運動，交叉行走路徑夾角為90度， 進給速度為0. 4米/分，砂輪轉速N為2000轉/分，采用水作為冷卻液，開始，砂輪每次進給深度a為5微米，累計進給深度150微米，然后，砂輪每次進給深度a為1微米，累計進給深度3微米，零磨削4次。微四面錐塔陣列結構表面的加工形狀誤差平均值為12. 6微米，表面粗糙度Ra為 9. 4納米。
權利要求
1.一種微結構陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法，其特征在于包括如下步驟(1)將金剛石砂輪刀具固定在機床的砂輪軸上，待加工工件固定在水平面上；(2)成型加工金剛石砂輪刀具隨砂輪軸高速旋轉，砂輪行進方向垂直于砂輪軸軸向方向，金剛石砂輪刀具的V形尖角對工件表面進行磨削，完成間距相等平行分布的第一溝槽加工；將砂輪軸水平轉動，對工件表面再次磨削，完成間距相等平行分布的第二溝槽加工； 由此將工件表面加工成微結構陣列表面；微結構陣列高度為1(Γ800微米，微結構面夾角為 3(Γ120度；金剛石砂輪每次進給深度為1(Γ50微米，累計進給深度1(Γ800微米，進給速度為米/分；(3)鏡面加工步驟(2)中加工工件裝夾位置不變，金剛石砂輪沿第一溝槽、第二溝槽行進，對微結構陣列表面進行鏡面加工；進給速度為0.廣0.6米/分，開始，砂輪每次進給深度為5 15微米，累計進給深度150微米，然后，砂輪每次進給深度為廣3微米，累計進給深度;TlO微米，零磨削Γ7次。
2.根據權利要求1所述微結構陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法，其特征在于，所述步驟(1)中的金剛石砂輪為金屬基細金剛石砂輪，金剛石砂輪粒度為60(Γ1500 目，結合劑為青銅。
3.根據權利要求1所述微結構陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法，其特征在于，所述步驟(2)中的金剛石砂輪為樹脂基超細金剛石砂輪，金剛石粒度為3000-8000 目，結合劑為樹脂。
4.根據權利要求1、2或3所述微結構陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法， 其特征在于，所述金剛石砂輪直徑為8(Γ300毫米，寬度0. 2^10毫米，濃度為4. 4克拉/ cm3 5. 28克拉/cm3，V形尖角的角度α為3(Tl20度，尖角圓弧半徑為3 50微米。
5.根據權利要求1所述微結構陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法，其特征在于，加工中金剛石砂輪轉速為150(Γ3000轉/分，采用水和水溶性磨削液作為冷卻液。
全文摘要
本發明公開了一種微結構陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法。該方法將金剛石砂輪刀具固定在機床的砂輪軸上，待加工工件固定在水平面上；金剛石砂輪刀具隨砂輪軸高速旋轉，砂輪行進方向垂直于砂輪軸軸向方向，金剛石砂輪刀具的V形尖角對工件表面進行磨削，將砂輪軸水平轉動，對工件表面再次磨削，由此將工件表面加工成微結構陣列表面；加工工件裝夾位置不變，更換金剛石砂輪，金剛石砂輪沿相同的交叉直線行進，對微結構陣列表面進行鏡面加工。該方法可以加工硅、玻璃、陶瓷、硬質鋼等難加工材料，加工微結構無毛刺、表面粗糙度可達納米級。
文檔編號B24B9/08GK102501152SQ201110377838
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者羅敏健, 謝晉, 鄭佳華 申請人:華南理工大學