[发明专利]基于聚焦离子束的用于单晶金刚石刀具的成形方法

说明书

本发明提供一种基于聚焦离子束的用于单晶金刚石刀具的成形方法，具体步骤为：以Xe离子为离子源的等离子体聚焦离子束对单晶金刚石刀具的前刀面、后刀面和侧刀面进行刻蚀加工；利用大束流粗加工侧刀面，得到具有阶梯状轮廓缺陷的侧刀面；粗加工后刀面，通过手动补偿使得待加工的后刀面和粗加工完成的侧刀面具有6°‑8°的后角；粗精加工前刀面，得到具有负前角20°的前刀面；利用小束流精加工侧刀面；精加工后刀面，得到具有6°‑8°的后刀面；再分别采用不同小束流对刃口进行加工，得到具有一定硬度刃口的单晶金刚石刀具。本发明加工周期相比于机械抛光更短，无需考虑加工时的加工温度，加工出的金刚石刀具具有一定的切削性能，且几何尺寸更准确。

技术领域

本发明涉及刀具加工技术领域，特别涉及一种基于聚焦离子束的用于单晶金刚石刀具的成形方法。

背景技术

金刚石刀具具有硬度高、耐磨性好，良好的导热性、摩擦系数低和热膨胀系数低等优异的性能，常常被用于难加工材料和超精密切削领域。金刚石刀具在高速切削下的精度和效率具有很好的保证，金刚石刀具本身的优异性能取决于单晶金刚石的材料所具有的性能。金刚石材料在微观上，每个碳原子与周围四个原子组成共价键；在空间上呈现的是正四面体结构，这种结构下原子间的结合力强，从而在宏观上的硬度极高，体现了刀具硬度极大的特点。

现如今金刚石刀具的加工方法很多，单晶金刚石刀具的加工工艺一般为机械抛光法，该方法具有操作简便、精度较高以及效率快等优点，激光烧结加工具有加工周期短、可以加工难加工材料等优点，但各个方法也存在缺陷。单晶金刚石的各向异性对机械抛光的刃磨会产生很大的影响，对刃口的影响极其明显；机械抛光能够制作出极其锋利的刀具刃口，但是制作刀具的周期太长，而且在抛光过程中还有一定的不确定因素，可能会由于崩刃导致制作周期延长；而激光烧结加工制作刀具，由于激光光束本身的特点，虽然制作周期短，但无法制作出锋利的金刚石刀具，适用于刀具成形的粗加工。

聚焦离子束最早以液态金属镓为发射材料，因为镓工作温度低，而且液态镓极难挥发、原子核重、与钨针的附着能力好以及良好的抗氧化力。反观Xe离子源是利用高频振动使惰性气体电离，然后通过引出极将离子束引出并进行聚焦。与液态Ga离子源不同，Xe等离子源的离子束经过光阑后到达样品的最大束流可以达到2uA，显著提高了FIB的微区加工能力，可以达到液态Ga离子FIB加工速度的50倍，因此具有更高的实用性，加工的尺寸往往达到几百微米。

目前需要一个能够快速制作出满足切削需要的刀具成形方法，且常规尺寸的单晶金刚石刀具的加工在离子束方向的应用很少。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于聚焦离子束的用于单晶金刚石刀具的成形方法，利用以Xe离子为离子源的等离子体聚焦离子束对单晶金刚石刀具的前刀面、后刀面和侧刀面分别进行刻蚀加工、粗加工和精加工，并通过调整等离子体聚焦离子束中束流能量的离子束强度控制具有不同角度的刀面所需的刃度，减少切削过程的崩刃，提高刀具刃口的锋利性，从而制作出具有一定硬度刃口的单晶金刚石刀具。本发明的加工周期相比于机械抛光更短，无需考虑加工时的加工温度，加工出的金刚石刀具具有一定的切削性能，且几何尺寸更准确。

本发明提供了一种基于聚焦离子束的用于单晶金刚石刀具的成形方法，具体实施步骤如下：

S1、对单晶金刚石刀具进行刻蚀加工：利用以Xe离子为离子源的等离子体聚焦离子束对单晶金刚石刀具的前刀面、后刀面和侧刀面进行刻蚀加工；

S2、粗加工单晶金刚石刀具的侧刀面：将S1得到的单晶金刚石刀具的材料上表面朝上并固定在样品台上，利用等离子体聚焦离子束对单晶金刚石刀具的侧刀面进行粗加工去除材料，得到具有阶梯状轮廓缺陷的侧刀面；

S3、粗加工单晶金刚石刀具的后刀面：根据单晶金刚石刀具的特性，调整等离子体聚焦离子束和工作台之间的夹角，考虑到能量分布在大束流时会有加工缺陷-倾斜侧壁产生，并手动补偿角度±1°使得待加工的后刀面和粗加工完成的侧刀面具有6°-8°的后角，所述等离子体聚焦离子束中束流能量的离子束强度的表达式为：