[发明专利]一种黑色金属超精形面的加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超精密形面的加工方法，特别是关于一种黑色金属超精形面的加工方法。

背景技术

在黑色金属材料上加工出超精密形面(一般表面粗糙度＜Ra12.5nm，面形精度＜0.5μm)，在航天、光学及模具工业等领域有着日益重要的应用。对于这类黑色金属超精密形面的加工，当前工业界主流的终加工工序一般为磨削或抛光。如图1所示，此时的工艺路线依次为切削、热处理、磨削和抛光，抛光后的粗糙度一般可达Ra2～5nm。这类方法虽然能够达到良好的表面粗糙度，但是加工成本偏高，效率较低，批量加工时精度一致性不好。而且当形面为球面、曲面或非球形面时，磨削、抛光可能对上一道工序加工出的既有面形精度造成损伤。

SPDT(Single Point Diamond Turning，单点金刚石切削技术)是超精密加工领域中具有革新意义的一项技术。SPDT采用刃口钝圆半径约200nm或更小的单晶金刚石刀具，配用相应的超精密加工机床及数控系统，可直接切削加工出各种平面、球面及非球曲面，一次切削即可达到镜面效果。该方法的加工面形精度高，加工精度一致性好，加工效率高，是一种极为适合超精形面加工的技术手段。但是，现有SDPT仅局限于高纯度无氧铜、无硅铝合金、非电解镍等若干有色金属材料的加工，较少用于黑色金属材料的加工。在加工黑色金属材料时，金刚石刀具的碳原子和工件的铁原子之间将发生剧烈的化学反应，同时伴有严重的机械磨损和破损，导致金刚石刀具磨损极快，切削无法持续、稳定进行。

为解决上述难题，众多研究者从多个层面进行探索，如改善切削工艺过程、刀具改良或涂层、工件材料表层改性等，并实际开展了超声辅助切削、低温切削、切削氛围保护、刀具表面涂层保护、工件表面渗氮等多项具体研究。这些方法对改善金刚石刀具的磨损情况均有一定效果，其中超声辅助切削等手段还是效果较好、报导较多的方法。然而，上述单一方法对减少金刚石刀具磨损的效果终究有限，距离工业上推广和大规模应用的需求尚有差距。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作方便，加工精度高、成本低，可有效抑制因碳铁原子反应导致的金刚石刀具磨损，实现稳定持续地切削黑色金属超精形面的加工方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种黑色金属超精形面的加工方法，其包括以下步骤：1)在精密或超精密车床上装夹待加工的黑色金属材料工件，在所述车床上设置超声激振装置，在所述超声激振装置上设置金刚石刀具，在所述金刚石刀具上方设置喷雾润滑装置；2)通过超声激振装置对金刚石刀具施加超声振动；通过喷雾润滑装置对金刚石刀具的刀尖切削区喷洒含碳切削液；金刚石刀具在超声振动和含碳切削液氛围保护的状态下对黑色金属材料工件进行切削加工，具体包括以下步骤：①金刚石刀具采用人造聚晶金刚石刀具，施加超声振动，并在含碳切削液的润滑下，对黑色金属材料工件的端部进行粗车加工；②金刚石刀具采用CVD厚膜金刚石刀具(金刚石层厚一般须达0.2～0.8mm；)，施加超声振动，并在含碳切削液的润滑下，对黑色金属材料工件的端部进行半精车加工；③金刚石刀具采用天然单晶金刚石刀具，在含碳切削液的润滑下，对黑色金属材料工件的端部形面进行超精车削终加工，从而得到所需的超精形面。

所述步骤2)中，在进行所述步骤③之前，对黑色金属材料工件的表面进行离子渗氮处理，渗层深度大于所述步骤③超精车削终加工中切削去除层的厚度。

所述骤2)的所述步骤③中，金刚石刀具采用天然单晶金刚石刀具，并施加超声振动，在含碳切削液的润滑下，对黑色金属材料工件的端部形面进行超精车削终加工，从而得到所需的超精形面。

所述步骤2)中：步骤①中，采用前角0、后角10、圆弧切削刃的圆弧半径为1～2mm的人造聚晶金刚石刀具切削黑色金属材质工件的端面，切削时，主轴转速为600～800rpm，进给为10～20mm/min，切削深度50～100m；超声激振装置的谐振频率为20～40kHz，金刚石刀具的振幅为8～12m；步骤②中，采用前角0、后角10的CVD厚膜金刚石刀具；切削时，主轴转速为400～600rpm，进给为5～10mm/min，切削深度10～20m；超声激振装置的谐振频率为20～40kHz，金刚石刀具的振幅控制在6～10m；步骤③中，采用天然单晶金刚石刀具切削时，主轴转速为400～600rpm，进给为2～4mm/min，切削深度2～5m；超声激振装置的谐振频率为20～40kHz，金刚石刀具的振幅调整为4～8m。