專利名稱：一種微結(jié)構(gòu)陣列表面的微細、精密和鏡面一體化磨削方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微細加工、精密加工和鏡面加工，具體涉及一種微結(jié)構(gòu)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(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在零部件表面加工出微結(jié)構(gòu)陣列，可以產(chǎn)生多種新的功能特性，使得工作系統(tǒng)性能更高、結(jié)構(gòu)更小、能耗更低。目前，微結(jié)構(gòu)功能表面主要依賴光、化學(xué)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(jié)構(gòu)表面加工，但加工表面有毛刺、微結(jié)構(gòu)形狀精度難控制、結(jié)構(gòu)表面很難拋光成鏡面。例如，用銑削加工微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面加工成鏡面，但是，其修整裝置復(fù)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對微結(jié)構(gòu)陣列表面提供微細、精密和鏡面一體化磨削方法。傳統(tǒng)拋光方法可以將平面工件加工成鏡面，但無法用于微結(jié)構(gòu)陣列表面的鏡面加工。本發(fā)明是在工件表面加工出高形狀精度的微結(jié)構(gòu)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(zhì)模具鋼等硬脆性材料，微結(jié)構(gòu)陣列表面可表現(xiàn)為微溝槽陣列、微四面錐塔陣列和微三面錐塔陣列等。本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)一種微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)陣列表面；微結(jié)構(gòu)陣列高度為10 800微米，微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)陣列表面。當(dāng)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(zhuǎn)速為1500 3000轉(zhuǎn)/分，采用水和水溶性磨削液作為冷卻液。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果(1)與光、化學(xué)等蝕刻微細加工相比，效率高、成本低且不采用對環(huán)境有污染的化學(xué)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(jié)構(gòu)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(zhì)鋼等難加工材料，加工微結(jié)構(gòu)無毛刺、表面粗糙度可達納米級。
圖1為本發(fā)明微結(jié)構(gòu)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(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但是本發(fā)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(jié)合劑為青銅；金剛石砂輪刀具1隨砂輪軸2高速旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)陣列表面7 ；微結(jié)構(gòu)陣列高度為10 800微米，微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)陣列表面7。當(dāng)轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhuǎn)速為1500 3000轉(zhuǎn)/分，采用水和水溶性磨削液作為冷卻液。微結(jié)構(gòu)陣列表面6的加工形狀誤差平均值可以達到數(shù)微米級，加工的結(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)控機床驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速N為2000轉(zhuǎn)/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(jié)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(shù)控機床上驅(qū)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(fù)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(zhuǎn)速N為2000轉(zhuǎn)/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(jié)構(gòu)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(quán)利要求
1.一種微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)陣列表面；微結(jié)構(gòu)陣列高度為1(Γ800微米，微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)權(quán)利要求1所述微結(jié)構(gòu)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(jié)合劑為青銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述微結(jié)構(gòu)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(jié)合劑為樹脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述微結(jié)構(gòu)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(jù)權(quán)利要求1所述微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速為150(Γ3000轉(zhuǎn)/分，采用水和水溶性磨削液作為冷卻液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)動，對工件表面再次磨削，由此將工件表面加工成微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)陣列表面進行鏡面加工。該方法可以加工硅、玻璃、陶瓷、硬質(zhì)鋼等難加工材料，加工微結(jié)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者羅敏健, 謝晉, 鄭佳華 申請人:華南理工大學(xué)