碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法
【專利摘要】一種碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，以DMG超聲波加工中心為機床，待加工工件面積在40000平方毫米以上，要求面形精度達到8微米以下，包括：第一步，選擇刀刃為8-10mm寬的磨頭，以小于3mm的步距和小于0.01mm的吃刀量，螺旋方式走刀；第二步，抬刀磨削加工，逐層磨削去除高出部分。本發(fā)明保持碳化硅的去除量恒定，保證了刀具軌跡的平滑過渡，減少了刀具的急速換向，減少磨耗磨損、擴散磨損和塑性磨損，提高加工面的質量和精度。
【專利說明】碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超精密工件加工【技術領域】，具體是一種碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，主要針對工件面積在40000平方毫米以上，面形精度達到8微米以下。
【背景技術】
[0002]碳化硅(sic)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成，碳化硅又可以分為黑碳化硅和綠碳化硅；它是20世紀70年代發(fā)展出來的新型材料。碳化硅由于有較小的熱膨脹系數(shù)，較高的導熱系數(shù)、耐熱沖擊和彈性模量因而常被光學器件，尤其是空間光學遙感器所使用；但由于碳化硅的莫氏硬度達到9.25-9.5級，僅次于金剛石，所以常規(guī)的加工手段難以滿足高精度加工要求，從而制約了其發(fā)展與應用；尤其加工異形件，在國內目前還是摸索狀態(tài)。它的技術難點是材料本身的超硬特性，砂輪的自身損耗和作為光學件非常高的精度要求。
[0003]一般傳統(tǒng)加工方法加工大平面時，為了獲得高精度的面形都采用大步距方式以減少接刀次數(shù)和走刀量來達到較高的面形精度。但是在加工超硬材料(碳化硅)的時候，上述的傳統(tǒng)方法將不再有效，而且會出現(xiàn)危險的問題。首先由于過大的步距，加工面積在40000mm2的時候，磨頭在加工到大平面中間位置時主軸扭矩(ADC)突然增大，出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象；同時碳化硅表面留下0.01-0.03mm的扎刀痕跡，嚴重的情形工件會由于扎刀現(xiàn)象而斷裂，導致工件報廢。
[0004]其次一般大步距方法加工超硬材料大平面工件時會出現(xiàn)中間高，兩邊低情況，因而導致平面度較差，且同時砂輪磨損也比較嚴重。經(jīng)過大量加工證明，工件的平面度不好都表現(xiàn)在中間高兩邊低；通過表I的數(shù)據(jù)分析，刀具的實際下刀深度和理論深度存在差值，可以發(fā)現(xiàn)砂輪一直在少量的磨損。當?shù)毒邚耐庀騼燃庸r，由于砂輪磨損，導致邊緣處，也就是剛開始走刀的地方磨削得比較多，而中心位置磨削得比較少，隨著下刀次數(shù)越多，平面度會越差。刀路從外向內軌跡形成一個爬坡的過程，由于碳化硅超硬，砂輪遇到的阻力會增大，當主軸克服本身的機床間隙時，扭矩無法釋放時，會突然增大，刀具會短暫的原地打滑，砂輪在工件上留下0.02-0.03mm的扎痕并且迅速磨損。表I單位mm
[0005]
件坐標位置(X，y) -150,0 -100,0 -50,0 O, O 50,0 100,0 150,0 ~
~ -0.06~ -0.045 -0.028 -0.017 -0.013 -0.018 -Q.025 -Q.043
論 -0.07 際 -0,051 -0.037 -0.026 -0.019 -0.022 -0.036 -0.049 下 -0.08 下 -0.057 -0.042 -0.03 -0.023 -0.027 -0.042 -0.056 刀 -0.09 刀 -0.064 -0.046 -0.033 -0.027 -0.032 -0.047 -0.064 深 -0.10 '深 -0.071 -0,05 -0.036 -0.029 -0.033 -0.051 -0.07 度度

【發(fā)明內容】
[0006]為克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種碳化硅超硬材料大平面的高精度加工方法，滿足碳化硅大平面的高精度加工要求，為后續(xù)拋光提供有利條件。
[0007]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0008]一種碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，其特點在于，以DMG超聲波加工中心為機床，待加工工件面積在40000平方毫米以上，要求面形精度達到8微米以下，具體包括如下步驟:
[0009]第一步，選擇刀刃為8-10mm寬的磨頭，以小于3mm的步距和小于0.0lmm的吃刀量，螺旋方式走刀，到達工件中心時，多磨10mm，此時平面面形呈由中心的內圈向四周的中圈、外圈的高度逐漸降低；
[0010]第二步，抬刀磨削加工，逐層磨削去除高出部分，具體是:
[0011]首先，測出平面的最高點，然后抬刀具到最高點處，再下降0.008-0.01mm，以l-2mm的步距,對內圈進行磨削；
[0012]當內圈平面的高度磨至與中圈平面的高度一樣時，降低刀具深度0.005-0.008mm,以0.5-lmm的步距,對內圈和中圈進行磨削；
[0013]當中圈平面的高度磨至與外圈平面的高度一樣時，再次降低刀具深度0.005mm，以
0.5mm的步距，對整個面進行磨削，直至平面度滿足要求。
[0014]優(yōu)選的，刀具為樹脂燒結金剛石碗型砂輪；樹脂燒結金剛石砂輪具有一定的彈性，自銳性好，磨削時發(fā)熱量小，不易堵塞。因為加工超硬材料碳化硅的刀具不僅要有足夠的硬度而且需要有一定的韌性。磨削液用水溶性切削液。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0016]保持碳化硅的去除量恒定，保證了刀具軌跡的平滑過渡，減少了刀具的急速換向，減少磨耗磨損、擴散磨損和塑性磨損，提高加工面的質量和精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是Carl Zeiss的平面度測量報告。
[0018]圖2 是 Taylor Hobson 測量報告。
【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0020]以對直徑為IOOOmm的六分之一扇形面進行超聲波磨削加工為例:
[0021]加工條件:機床為DMG超聲波加工中心；利用超聲加工主軸產生振動，金剛石刀具的振動頻率是每秒20000-60000次，這樣就把工件表面敲成粉末。其優(yōu)勢是效率高，可以加工任何形狀，能得到較高的粗糙度(0.08um)、尺寸精度和形位精度，解決了傳統(tǒng)加工超硬材料的無法或效率低下的難題，而加工高精度平面是比較常見的加工要求。
[0022]刀具:樹脂燒結金剛石碗型砂輪；樹脂燒結金剛石砂輪具有一定的彈性，自銳性好，磨削時發(fā)熱量小，不易堵塞。因為加工超硬材料碳化硅的刀具不僅要有足夠的硬度而且需要有一定的韌性。磨削液用水溶性切削液。
[0023]第一步，選擇刀刃為8-10mm寬的磨頭，以小于3mm的步距和小于0.0lmm的吃刀量，螺旋方式走刀，到達工件中心時，多磨一個10mm，由于采用螺旋刀路，此時平面面形呈由中心的內圈向四周的中圈、外圈的高度逐漸降低。
[0024]小步距和小吃刀量優(yōu)點是，保持碳化硅的去除量恒定，保證了刀具軌跡的平滑過渡，減少了刀具的急速換向，小步距是為了控制砂輪與工件的接觸弧長和未變形磨削厚度，減少磨耗磨損、擴散磨損和塑性磨損，提高加工面的質量。
[0025]第二步，抬刀磨削加工，逐層磨削去除高出部分，具體是:
[0026]首先，測出平面的最高點，然后抬刀到最高點處，再下降0.008-0.01mm，以l_2mm的步距，對內圈進行磨削；
[0027]當內圈平面的高度與中圈平面的高度一樣時，降低刀具深度0.005-0.008mm,以
0.5-lmm的步距,對內圈和中圈進行磨削；
[0028]當中圈平面的高度與外圈平面的高度一樣時，再次降低刀具深度0.005mm，步距為
0.5mm的，對整個面進行磨削，直至平面度滿足要求。
[0029]圖1是Carl Zeiss的平面度測量報告。如圖所示，用本發(fā)明方法加工的面形平面度精度達到0.007mm。
[0030]圖2是Taylor Hobson測量報告,如圖所示,用本發(fā)明方法加工的面形粗糙度能達到 0.8um,
[0031]經(jīng)實驗表明，本發(fā)明解決了碳化硅大平面的高精度加工，同時也為拋光提供有利條件。
【權利要求】
1.一種碳化硅超硬材料高精度大平面的加工方法，其特征在于，以DMG超聲波加工中心為機床，待加工工件面積在40000平方毫米以上，要求面形精度達到8微米以下，具體包括如下步驟: 第一步，選擇刀刃為8-10mm寬的磨頭，以小于3mm的步距和小于0.0lmm的吃刀量,螺旋方式走刀，到達工件中心時，多磨10mm，此時平面面形呈由中心的內圈向四周的中圈、夕卜圈的高度逐漸降低； 第二步，抬刀磨削加工，逐層磨削去除高出部分，具體是: 首先，測出平面的最高點，然后抬刀具到最高點處，再下降0.008-0.0lmm,以l_2mm的步距，對內圈進行磨削； 當內圈平面的高度磨至與中圈平面的高度一樣時，降低刀具深度0.005-0.008mm,以.0.5-lmm的步距,對內圈和中圈進行磨削； 當中圈平面的高度磨至與外圈平面的高度一樣時，再次降低刀具深度0.005mm,以.0.5mm的步距，對整個面進行磨削，直至平面度滿足要求。
【文檔編號】B24B7/22GK103707147SQ201310697445
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】陳靜, 韓慶, 顧亞平, 林海 申請人:上海現(xiàn)代先進超精密制造中心有限公司