一种蓝宝石表面微铣削加工方法

摘要

一种蓝宝石表面微铣削加工方法，其特征是在立式加工中心上，在保证刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间具有一定加工倾角的条件下，采用PCD多齿球头刀具在一定的主轴转速，进给速度和切削深度的条件下对蓝宝石表面进行微铣削加工，去除蓝宝石表面材料。PCD多齿球头刀具由PCD多齿球刀头与硬质合金刀杆经焊接而成。PCD球刀头表面沿周向分布有若干等距直沟槽，沿轴向分布有1个螺旋沟槽；上述沟槽将PCD刀具表面分成若干切削加工齿。本发明可在较大切削深度下对蓝宝石进行凹槽及曲面加工，可显著提高加工效率及加工过程稳定，蓝宝石加工表面未发现明显脆性断裂和材料脱落等现象，加工表面质量良好。

权利要求

1.一种蓝宝石表面微铣削加工方法，其特征是在立式加工中心上，采用PCD多齿球头刀具在主轴转速为10000-250000rpm，进给速度为3.0-12.0 mm/min，切削深度为10-200μm的条件下对蓝宝石表面进行微铣削加工，以实现蓝宝石表面的高效率快速加工；所述的PCD多齿球头刀具由PCD球刀头与硬质合金刀杆经焊接所得；PCD球刀头球径为Ф1.5-2.5mm，有效刃长为2-5mm；PCD球刀头沿周向分布有6-12个等距直沟槽；沿轴向分布有1个螺旋沟槽，螺旋沟槽螺旋升角为5 10º，通过所述的等距直沟槽和螺旋沟槽将PCD刀具表面分成若干切削~加工齿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的PCD多齿球头刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间的加工倾角为15-35º。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的PCD球刀头表面的等距直沟槽和螺旋沟槽均以球头底面中心为起点，沟槽平均深度为90-120μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的蓝宝石长度为10 50mm，宽度为10~ ~

50mm，厚度为5 10mm，表面粗糙度Ra为0.3 0.4μm。

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5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的蓝宝石经PCD多齿球头刀具微铣削加工后的表面粗糙度Ra为0.1 0.3μm。

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说明书

一种蓝宝石表面微铣削加工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种硬脆类难加工材料表面微切削加工方法，尤其是一种蓝宝石表面加工方法，具体地说是一种蓝宝石表面微铣削加工方法。

背景技术

[0002] 蓝宝石因具有良好的化学稳定性和光学性能，超高硬度、极强的耐磨性及较高的熔点等性能，被广泛应用于航空航天、光电子、国防等领域，但作为典型硬脆难加工材料，其表面加工效率低、成本高，且加工表面极易产生断裂等损伤问题，严重限制了其在航空航天等领域内的应用。

[0003] 蓝宝石表面加工方法主要有研磨/抛光，微槽磨削等。其中，研磨/抛光针对蓝宝石薄片表面加工，而对于表面形状相对复杂的蓝宝石零件的加工（如具有一定曲面及凹槽的蓝宝石工件），研磨/抛光难以发挥作用。而随着蓝宝石在航空航天等领域内应用的不断增加和扩展，具有相对复杂型面结构的蓝宝石零件的应用将越来越广泛，其表面加工也将越来越受到人们的关注。如目前采用小直径的金刚石磨头（Φ0.5 1mm）对蓝宝石表面进行凹~槽磨削加工。此方法较研磨/抛光可对蓝宝石表面进行微槽加工，并在一定条件下可对具有一定曲面的蓝宝石零件进行加工。但因其所用金刚石磨头直径较小，磨头强度和抗冲击等性能相对较低，在对蓝宝石表面进行微槽磨削加工时需严格控制磨削深度（一般在10 20μ~
m）。因此，磨削加工深度较低，蓝宝石表面材料去除率相对较小，加工效率不高。而采用传统球头铣刀对蓝宝石表面进行微铣削加工，因刀具磨损较大，较难获得良好的表面质量。为此，亟需研究并开发一种蓝宝石表面高效精密加工方法，在保证加工表面质量的同时，可显著提高蓝宝石表面加工效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有蓝宝石表面加工以磨削为主，难以实现铣削加工，效率低、稳定性差、易导致基体表面产生损伤等突出问题，发明一种使用PCD多齿球头刀具对蓝宝石表面进行高效微铣削加工的方法。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种蓝宝石表面微铣削加工方法，其特征是它包括蓝宝石试样的装夹和表面微铣削加工两部分。

[0007] 所述的蓝宝石工件的装夹是指：

[0008] 在立式加工中心上，将蓝宝石工件装夹在夹具中，保证刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间的加工倾角为15-35º。

[0009] 所述的蓝宝石表面微铣削加工是指：

[0010] 采用PCD多齿球头刀具在主轴转速为10000-250000rpm，进给速度为3.0-12.0 mm/min，切削深度为10-200μm的条件下对蓝宝石表面进行微铣削加工。

[0011] 所述的蓝宝石表面微铣削加工所用PCD多齿球头刀具由PCD球刀头与硬质合金刀杆经焊接所得，刀具刃长为10-20mm，刀具总长为50-60mm；PCD刀头直径为Ф1.5-2.5mm，有效刃长为2-5mm。

[0012] 所述的PCD球刀头沿周向分布有6-12个等距直沟槽；沿轴向分布有1个螺旋沟槽，螺旋沟槽的螺旋升角为5 10º，所述沟槽将PCD刀头表面分成若干切削加工齿。~

[0013] 所述的PCD球刀头表面直沟槽和螺旋沟槽均以球头底面中心为起点，沟槽平均深度为90-120μm。

[0014] 所述的蓝宝石试样长度为10 50mm，宽度为10 50mm，厚度为5 10mm，加工前表面粗~ ~ ~糙度Ra为0.3 0.4μm。
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[0015] 所述的蓝宝石经PCD多齿球头刀具微铣削加工后的表面粗糙度Ra为0.1 0.3μm。~

[0016] 本发明的基理是：

[0017] 在立式加工中心上，在保证刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间具有一定加工倾角的条件下，采用PCD多齿球头刀具在一定的主轴转速，进给速度和切削深度的条件下对蓝宝石表面进行微铣削加工，去除蓝宝石表面材料。

[0018] 研究发现，采用新型PCD多齿球头刀具能在一定的条件下对蓝宝石表面进行微铣削加工。PCD多齿球头刀具由PCD多齿球刀头与硬质合金刀杆经焊接而成。其中，PCD多齿球刀头是由金刚石粉末与结合剂（含钴、镍等金属）在一定温度和压力下按一定比例烧结而成，其具有高硬度、高强度、高耐磨性和低摩擦性等优点。且相对于金刚石小磨头而言，其可在相对较大切削深度的条件下（>50μm）对蓝宝石表面进行切削加工。但因蓝宝石硬度较高，在较大的切削深度条件下，PCD刀具所受冲击较大。为保证刀具的抗弯性能，将PCD刀具焊接到硬质合金刀杆上，利用硬质合金刀杆的高抗弯强度特性支撑PCD刀具，增大其抗弯强度。且半球形底部可有效避免刀具加工时因较尖刃角的存在而易导致刃角崩刃的现象，并可提高蓝宝石加工表面尺寸稳定性和表面质量。

[0019] 同时，表面多齿结构（通过在其轴向和径向开沟槽来实现）可为PCD刀具加工效率的提高提供有效途径。因在每齿进给量相等的情况下，增加刀具表面加工齿数，可有效提高刀具进给速度，故刀具加工效率提高，且加工平稳性增强。同时，表面沟槽还可有效增大刀具表面容屑空间和加工面宽及切削余量，有利于表面材料去除率的提高。

[0020] 因此，采用上述PCD多齿球头刀具对蓝宝石表面进行微铣削加工是一种高效、可控性强的蓝宝石表面微切削加工方法，并可有效提高蓝宝石表面加工效率及表面质量。因此，对提高蓝宝石在航空航天等领域内的应用具有非常重要的意义。但目前采用PCD多齿球头刀具对蓝宝石表面进行微铣削加工的方法国内外还少有提及。

[0021] 本发明的有益效果：

[0022] 1、本发明与现有蓝宝石表面加工方法相比，可实现在较大切削深度的条件下（切削深度≤200μm）对蓝宝石表面进行去除材料加工，可显著提高蓝宝石表面切削加工效率，并可保证蓝宝石表面加工质量。

[0023] 2、本发明可对蓝宝石表面进行凹槽和曲面加工，可显著提高加工效率及加工稳定性。

[0024] 3、本发明所述的蓝宝石表面微铣削加工方法不仅适用于蓝宝石表面微铣削加工，也可适用于其它硬脆难加工材料的表面微铣削加工。

[0025] 4、本发明解决了研磨/抛光加工蓝宝石表面材料去除率低，以及金刚石磨头微槽磨削加工蓝宝石因金刚石磨头直径较小，磨头强度和抗冲击等性能相对较低等造成的切削深度较小，表面材料去除率相对较低，加工效率不高和传统球头铣刀加工蓝宝石刀具磨损大，蓝宝石加工表面质量较难保证等问题，可为实现蓝宝石表面高效精密加工提供有效方法。同时，它还可适用于对蓝宝石表面进行凹槽及曲面加工，可显著提高加工效率和加工表面质量。

附图说明

[0026] 图1为本发明实例1使用的PCD多齿球头刀具。图1(a)是实物照片，图1（b）是图1局部放大示意图；图1（c）是图1中刀头部分三维线条图。

[0027] 图2为本发明实例1未加工蓝宝石试样表面三维形貌及表面粗糙度曲线。

[0028] 图3为本发明实例1使用的PCD多齿球头刀具微铣削加工的蓝宝石试样表面三维形貌及表面粗糙度曲线。

[0029] 图4为本发明实例1使用的PCD多齿球头刀具微铣削加工的蓝宝石试样表面X射线能谱（EDS）分析结果。

[0030] 图5为本发明实例1使用的PCD多齿球头刀具使用后表面X射线能谱（EDS）分析结果。

[0031] 图6为本发明实例3使用的PCD多齿球头刀具微铣削加工的蓝宝石试样截面图。

[0032] 图7为本发明实例3使用的PCD多齿球头刀具微铣削加工的蓝宝石试样表面三维形貌及表面粗糙度曲线。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0034] 如图1所示。

[0035] 一种蓝宝石表面微铣削加工方法，所使用的部分设备有转速10000-25000 rpm立式加工中心等市场所售的常规产品。PCD多齿球头刀具是由细小金刚石颗粒与Co金属经烧结而成。蓝宝石材料为人造蓝宝石晶体经切割而成，加工表面为A面，主要化学成分为Al2 O3。具体步骤如下：

[0036] 一.蓝宝石工件的装夹是指：

[0037] 在立式加工中心上，将蓝宝石工件（（10 50mm）×（10 50mm）×（5 10mm））装夹在夹~ ~ ~具中，保证刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间的加工倾角为15-35º。

[0038] 二.蓝宝石表面微铣削加工是指：

[0039] 本发明使用的刀具实际上由刀头和刀杆焊接而成，如图1（a）所示；刀杆为硬质合金刀杆，刀头部分由球头部分和圆柱部分组成，圆柱部分的直径与球头的球径相等（图1（b））。刀具刃长10-20mm，刀具总长50-60mm；刀头的球径Ф1.5-2.5mm，有效刃长2-5mm，刀头表面沿周向分布6-12个等距直沟槽（沟槽平均深度为90-120μm），沿轴向分布有1个螺旋沟槽（螺旋升角为5 10º），所述的等距直沟槽从球头顶点一直延伸到刀头的圆柱部分，所述的~螺旋沟槽也以相同的螺旋升角延伸到刀具的圆柱部分（图1（c）），PCD刀头表面通过所述的等距直沟槽和螺旋沟槽分割成多个切削加工齿。在主轴转速为10000-250000rpm，进给速度为3.0-12.0 mm/min，切削深度为10-200μm的条件下对蓝宝石表面进行微铣削加工；加工后的蓝宝石表面粗糙度Ra=0.1 0.3μm。
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[0040] 实例1。

[0041] 步骤1、蓝宝石工件的装夹；

[0042] 在立式加工中心上，将蓝宝石工件装夹在夹具中，保证刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间的加工倾角为35º。

[0043] 步骤2、表面涂层去除加工；

[0044] 采用球头直径为Ф2.0mm，有效刃长为5mm，刀具刃长为20mm，刀具总长为60mm，刀柄直径为Ф4.0mm，刀具表面沿周向分布12个等距直沟槽（沟槽平均深度为100μm），螺旋沟槽的螺旋升角为5º的PCD多齿球头刀具（图1），在主轴转速为20000rpm，进给速度为3.0 mm/min，切削深度为70μm的条件下对蓝宝石表面（30mm×30mm×5mm）进行微铣削加工。

[0045] 取出试样进行检测。蓝宝石未加工表面经Nano View-2000 型非接触式 3D 光学轮廓仪检测，所得加工表面粗糙度Ra=0.3μm（图2）；蓝宝石加工表面经Nano View-2000 型非接触式 3D 光学轮廓仪检测，表面粗糙度Ra=0.12μm（图3）。蓝宝石加工表面经SEM检测，表面未发生明显脆性断裂，加工表面良好；加工表面经EDS检测，表面仅含有Al和O元素，未发现C，Co等元素（图4）。使用后的PCD刀具经SEM检测，各加工齿在其切削刃角处未产生明显崩塌现象；刀齿表面经EDS检测，表面主要含有C和O元素，Al元素含量较少（图5）。因此，PCD刀具在加工过程中刀具切削加工性能较好，刀具与蓝宝石表面摩擦较小，加工过程稳定。

[0046] 实例2。

[0047] 步骤1、蓝宝石工件的装夹。

[0048] 在立式加工中心上，将蓝宝石工件装夹在夹具中，保证刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间的加工倾角为15º。

[0049] 步骤2、表面涂层去除加工

[0050] 采用球头直径为Ф1.5mm，有效刃长为2mm，刀具刃长为10mm，刀具总长为50mm，刀柄直径为Ф3.0mm，刀具表面沿周向分布9个等距直沟槽（沟槽平均深度为90μm），螺旋沟槽的螺旋升角为8º的PCD多齿球头刀具，在主轴转速为10000rpm，进给速度为7.0 mm/min，切削深度为10μm的条件下对蓝宝石表面（30mm×30mm×5mm）进行微铣削加工。

[0051] 取出试样进行检测。蓝宝石加工表面经Nano View-2000 型非接触式 3D 光学轮廓仪检测，表面粗糙度Ra=0.2μm。蓝宝石加工表面经SEM检测，表面未发生明显脆性断裂，加工表面良好；加工表面经EDS检测，表面仅含有Al和O元素，未发现C，Co等元素。使用后的PCD刀具经SEM检测，各加工齿在其切削刃角处未产生明显崩塌现象；刀齿表面经EDS检测，表面主要含有C和O元素，Al元素含量较少。因此，PCD刀具在加工过程中刀具切削加工性能较好，刀具与蓝宝石表面摩擦较小，加工过程稳定。

[0052] 实例3。

[0053] 步骤1、蓝宝石工件的装夹。

[0054] 在立式加工中心上，将蓝宝石工件装夹在夹具中，保证刀具轴线和蓝宝石试样加工表面之间的加工倾角为25º。

[0055] 步骤2、表面涂层去除加工

[0056] 采用球头直径为Ф2.5mm，有效刃长为4mm，刀具刃长为15mm，刀具总长为55mm，刀柄直径为Ф5.0mm，刀具表面沿周向分布6个等距直沟槽（沟槽平均深度为120μm），螺旋沟槽的螺旋升角为10º的PCD多齿球头刀具，在主轴转速为25000rpm，进给速度为12.0 mm/min，切削深度为200μm的条件下（图6）对蓝宝石表面（30mm×30mm×5mm）进行微铣削加工。

[0057] 取出试样进行检测。蓝宝石加工表面经Nano View-2000 型非接触式 3D 光学轮廓仪检测，表面粗糙度Ra=0.3μm（图7）。蓝宝石加工表面经SEM检测，表面未发生明显脆性断裂，加工表面良好；加工表面经EDS检测，表面仅含有Al和O元素，未发现C，Co等元素。使用后的PCD刀具经SEM检测，各加工齿在其切削刃角处未产生明显崩塌现象；刀齿表面经EDS检测，表面主要含有C和O元素，Al元素含量较少。因此，PCD刀具在加工过程中刀具切削加工性能较好，刀具与蓝宝石表面摩擦较小，加工过程稳定。

[0058] 此外，申请人发现，修改实施例一至三的主轴转速、进给速度、切削深度、以及PCD球齿刀具的参数在设定的范围内均能获得理想的加以速度和表面粗糙度。故不再一一列举。

[0059] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。