金刚石刀具的超精加工光电零件模具

HEATS

　　采用超精金刚石刀具的超精加工是一种能实现纳米级尺寸精度及表面粗糙度的加工技术。最近，超精加工技术已在光电、生物领域用精密模具的加工中得到了应用。超精金刚石刀具是实现模具超精加工的关键要素之一。本文对日本AlliedDiamond株式会社生产的UPC(UltraPrecisionCuttingTool)超精金刚石刀具的性能、超精切削不同工件材料时刀具的磨损状态及加工实例作一介绍。

2 M: j) ]' u! G; C$ M* l! l# A/ D ( X- V1 u1 }% m; ^2 H# {0 h F4 }: L9 @% R9 g- i( O

　　1.UPC超精金刚石刀具的性能

/ e Y# ~6 }* W % o! \; v* ?& k# y& v

　　单晶金刚石具有碳原子间以共价键牢固结合的立方晶体结构，其晶格常数为3.567埃，结合原子间的距离为1.544埃。由于单晶金刚石原子结构的特点，将其作为刀具材料能获得其它材料所不具备的优异硬度和平滑、锋利的切削刃。UPC超精金刚石刀具采用超精磨削技术制备，可最大限度地发挥材料特性，获得平滑锋利性与耐磨性兼备的切削刃，与超精加工机床匹配能实现高精度非球面形状及微细形状的超精加工。

# v3 s. d+ s8 O- y6 ]- D " F+ b. z$ s( A: ~* q/ @ ^8 d

　　为了满足模具超精加工的要求，切削深度应设定在纳米级范围内。为此，对切削刀具的要求为：①刀尖圆弧半径R达到数十纳米的锋利程度；②切削刃棱线的平滑度达到纳米级水平。采用与刀尖圆弧半径大小相同的切深进行加工时，不易损伤工件的工作面，加工平稳，排屑流畅，因工件弹性变形引起的切削厚度变化也极小，能实现超精加工。

u8 w( k$ e! @+ p1 e

　　2.UPC刀具加工不同工件材料的磨损状态差异

- x. ^7 u6 H4 ?$ u9 J7 k" \; n& W2 r # p& ^, {* W j" x8 q

　　金刚石刀具的热化学磨损状态根据被加工材料种类的不同而有很大差异。在超精密车床上使用刀尖角130°的直线切削刃超精金刚石车刀对无氧铜和纯铝进行端面车削后，刀尖的磨损状态表明，切削无氧铜的刀具前刀面产生了月牙洼磨损，但切削刃棱线仍保持锋利状态；切削纯铝的刀具切削刃棱线磨损变为圆弧刃，但前刀面未发现月牙洼磨损。从这些磨损状态的差异可以看出各不相同的磨损机理：切削铜时，刀具前刀面产生月牙洼磨损是由于铜的触媒作用使金刚石氧化而引起的，而刀具切削刃棱线因与工件无间隙地完全接触而未产生氧化磨损；切削铝时，由于工作表面与刀具表面直接接触而生成碳化铝，工件材料被切削刃切除而使切削刃产生磨损，但因磨损扩展方向与切削铜时相反(从切削刃向后刀面扩展)，故不会产生前刀面的月牙洼磨损。

! p1 w/ A8 [4 T) V0 \" V! C9 O 0 k, ?5 S5 v$ t$ A4 s1 T- ]3 ` 5 M) b7 k, @4 C# }2 X5 C( s9 h

　　由于不同工件材料的热化学现象不同，刀具的磨损状态也不同，因此应根据不同种类的工件材料来设计合理的刀具前角与后角。

8 T" r) L s" ?8 Z5 w/ n + x: R4 W' Y: X5 l/ @- e9 `& u0 f . n: Y: }1 G- x; y) U

　　3.UPC-R超精金刚石刀具加工实例

! M5 y: f# c. g( R1 c , [& {4 F# q, w2 Y! Q % j2 I: Q- f9 q0 d

　　UPC-R是一种采用圆弧切削刃的UPC超精金刚石刀具，其典型用途是用于DVD等非球面镜模具的超精加工。UPC-R刀具圆弧切削刃的轮廓精度小于50nm，是目前世界上最高的精度；圆弧R仅为5μm，也是世界上最小的。使用UPC-R超精金刚石刀具在CNC两坐标超精密机床上加工非球面镜模具的加工要点包括：①如何连续形成薄而稳定的切屑并流畅排出；②工件旋转时应具有高水平的动平衡性能；③工件能精确地定心；④切削液的稳定供给等。

/ b4 L! P: t( t 3 S$ a8 S7 f6 ?) w

　　由于加工钢时的热化学反应会使金刚石石墨化并向工件扩散，因此UPC金刚石刀具不适合钢模具的超精加工。但如果在钢模具表面用非电解方法镀上数十微米至数百微米厚的镍镀层，则可用UPC金刚石刀具进行超精加工。关于涂镀质量，应选择不会产生气孔、偏析等结晶构造缺陷的非晶质镀层。

, v( g0 b# W# M# u, G" [# {: F- P 8 ^& S$ ]$ X4 u$ d( ?& Q( j- @

　　4.UPC-T超精金刚石刀具加工实例

2 P% w& N' U- t) @, |$ U- R6 P# ` . W- A2 Q, t/ x- L

　　UPC-T是一种采用三角切削刃的UPC超精金刚石刀具，主要用于菲涅尔透镜模具和液晶导光板等衍射光栅模具的超精加工。近年来，光学元件的高精密化、小型化和集成化发展迅速，从非球面透镜到能够实现薄型轻量化、集成化的菲涅尔透镜，对超精加工技术的要求越来越高。本加工模式是用1把UPC-T超精金刚石刀具超精加工微细光栅部分和非球面形状的实例，因此要求车刀刀尖切削刃R＜100nm并具有优异的切削性能。UPC-T的刀尖切削刃为50nm的微小切削刃，能够实现超精加工。

8 h% b- e+ n; W

　　用超精金刚石刀具加工模具已发展为透镜模具加工中不可缺少的加工方法。今后，随着模具品位的提高和对成型零件高精密化、多功能化的市场需求不断高涨，以及医疗和生物学领域模具加工需求的增长，将不断推进新型刀具的开发。【MechNet】