（精密仪器及机械专业论文）基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 超精密切削是超精密加工中的一个重要领域，它是一项内容广泛的新技术。使用精 密的单晶金刚石刀具加工有色金属和非金属，能够直接切出超光滑的加工表面，这样就 可以取代超精密磨削等精加工工序，极大的提高加工效率，同时也可以保证加工精度和 加工表面质量。近些年来，单晶金刚石刀具已经深入到机械加工的各个领域，起着越来 越重要的作用。因此，对单晶金刚石刀具的制作，研磨方法以及研磨设备的研究，已经 受到了人们极大的关注。 金刚石的硬度大，耐磨性好，使得金刚石成为理想的刀具材料，但是与此同时也给 单晶金刚石刀具的研磨带来了极大的困难。在研磨过程中既要提高磨削率，又要保证刃 口质量。现在对单晶金刚石刀具的研磨加工多采用进口磨床，如r s 一1 2 ，f c 一2 0 0 d 型 p c d & p c b n 专用刀具磨床，采用专门的金刚石砂轮，这样的磨床刚度好，加工精度高。但 是进口设备价格昂贵，加工成本较高，中小企业难以承受。针对这个问题，本课题尝试 在价格较便宜的普通工具磨床上研磨单晶金刚石刀具，但是大多数工具磨床的工作台不 具备自动往复运动的能力或者即使有液压往复系统，由于液压往复的运动特性，也无法 满足单晶金刚石刀具的加工要求。 为了解决这个问题，本论文设计一个数控精密工作台，它能够实现自动往复运动， 选用步进电机作为驱动元件，以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心对步进电机进行速度控制，实 现了软件与硬件相结合的控制方法。本中介绍了步迸电机升降速的计算方法，用离散法 对步进电机升降速的过程进行了处理，并用c 语言实现了单片机对步进电机升降速的离 散控制。关于机械设计部分，电机输出轴经过联轴器连接滚珠丝杠带动工作台运动，工 作台在宜线导轨的支撑下做直线往复运动。试验证明此系统运动平稳，振动很小，能够 满足单晶金刚石的加工要求。试验中，采用此数控往复系统在普通工具磨床上实现了单 晶金刚石的研磨，在s e m 扫描电镜下观察，发现刃口质量良好，刀具能够达到精密加 工的要求。 关键词：单晶金刚石；工具磨床；单片机；步进电机 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 t h em o d i f i c a t i o nw i t hn u m e r i c a lc o n t r o lo fb l a d e g r i n d i n ge q u i p m e n to f s i n g l ec r y s t a ld i a m o n dc u t t i n gt o o lb a s e do n s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r a b s t r a c t t h es u p e rp r e c i s i o nc u t t i n gi sai m p o r t a n tf i e l do fs u p e rp r e c i s i o nm a c h i n i n g , a n di ti sa b r o a dn e wt e c h n i c t h es u p e rs l i p p ys u r f a c eg a l lb eg o ta f t e rc o l o r e dm e t a la n dn o n - m e t a li s c u tb ys i n g l ec r y s t a ld i m n o n dc u t t e r f o l l o w i n g , i tc a nt a k et h ep l a c eo fs u p e rp r e c i s i o n g r i n d i n g , t h ee f f i c i e n c yc a nb ei n c r e a s e d ，a n dt h ep r e c i s i o nc a n b eg u a r a n t e e d i nr e c e n ty e a r s ， t h es i n g l ec r y s t a ld i a m o n dc u t t e rh a v eb e e nb r o a d l yu s e di nt h em e c h a n i c sm a c h i n i n gf i e l d ， a n dh o l dav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o n s os t u d y i n gm a n u f a c t u r i n g , g r i n d i n gm e t h o d s ，g r i n d i n g e q u i p m e n to f s i n g l ec r y s t a ld i a m o n dc u t t e r h a sa r i s e nt h ea t t e n t i o no f p e o p l e t h es i n g l ec r y s t a ld i a m o n di sv e r yh a r d , a n di ti sa9 0 0 dm a t e r i a lo fc u t t e r b u ta tt h e s a m et i m e ，t h eg r i n d i n go fd i a m o n di sad i f f i c u l tw o r k o nt h eo d u l s eo fg r i n d i n gs i n g l e c r y s t a ld i a m o n dc u t t e r , t h eg r i n d i n ge f f i c i e n c ys h o u l db ei n c r e a s e da n dt h eb l a d eq u a l i t y o u g h tt ob eg u a r a n t e e d c u n r e n t l y , t h ei m p o r t e dg r i n d e ma r eo f t e nu s e di ng r i n d i n go fs i n g l e c r y s t a ld i a m o n dc u t t e r , s u c ha ss p e c i a lc u t t i n gt o o lg r i n d i n gm a c h i n eo f t y p er s 1 2 ，f c - 2 0 0 d ， u s i n ge x p e r td i a m o n dw h e e l t h o s em a c h i n e sa r ee x p e n s i v ew i t hh i 曲m a c h i n i n gc o s t ，w h i c h t h em i d d l ea n dt h es m a l le n t e r p r i s ec a n ta f f o r d p o i n t e dt ot h i sp r o b l e m t h i ss u b j e c ta t t e m p t s t 0 鲥n ds i n g l ec r y s t a ld i a m o n dc u t t e r so nag e n e r a lt o o lg r i n d e rw h i c ha r em u c hc h e a p e r h o w e v e r , t h ew o r k t a b l eo fm a n yt o o lg r i n d e r sh a v en o tt h ea b i l i t yo fa u t o - r e c i p r o c a t i n g , o r e v e nt h o u g hg n n d e r sh a v et h es y s t e mo fh y d r a u l i ca u t o - r e c i p r o c a t i n g , t l l c ) rc a n ts a t i s f yt h e m a c h i n i n gr e q u i r eo fs i n g l ec r y s t a ld i a m o n dc u t t e ro w n i n gt 0t h em o v i n gc h a r a c t e r i s t i co f h y d r a u l i ca u t o - r e c i p r o c a t i n gs y s t e m ， t os o l v et h i sp r o b l e m , t h i st h e s i sd c s i 弘c dan u m e r i c a lc o n t r o lp r e c i s i o nw o r k t a b l ew h i c h c a nr e a l i z ea u t o - r e c i p r o c a t i n g s t e p p i n gm o t o rw a sc h o s e na sd r i v e ne l e m e n t t h es y s t e m a d o p t sm e t h o do fc o m b i n i n gh a r d w a r ew i t hs o f t w a r ea n da c h i e v e sc o n t r o lo fs p e e d s i n g l c - c h i pm i c r o c o m p u t e ro fa t 8 9 s 5 2t h a ti st h ec o r eo fs y s t e mc o n t r o l ss t e p p i n gm o t o r t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o df o rc o m p u t a t i o no f r a i s i n ga n dr e d u c i n gs p e e d so fs t e p p i n g m o t o r , i n c l u d i n gt h et r e a t m e n to ft h es p e e dc o n t r o lp r o c e s sb yd i s c r e t em e t h o da n dt h e r e a l i z a t i o no fs p e e dc o n t r o lo ns t e p p i n gm o t o rt h r o u g hcl a n g u a g e i nt h ep a r to f m e c h a n i c a ld e s i g n t h eo u t p u ts h mo fs t e p p i n gm o t o rc o n n e c t sb a l ls c r e ww i t hc o u p l i n g j o i n t ，a n de n a b l e sw o r k t a b l ea u t o - r e c i p r o c a t i n gu n d e rt h es u p p o r to fl i n e a rr a c k e x p e r i m e n t s p r o v e dt h a tt h em o v e m e n to fs y s t e mw a ss t e a d y , a n dt h ev i b r a t i o nw a ss m a l l t h es y s t e mc a n i i 大连理工大学硕士学位论文 s a t i s f yt h eg r i n d i n gr e q u i r eo fs i n g l ec r y s t a ld i a m o n dc u t t e r s i nt h ee x p e r i m e n t ，a d o p t i n gt h i s n u m e r i c a lc o n t r o la u t o - r e c i p r o c a t i n gs y s t e mc a nr e a l i z et h a ts i n g l ec r y s t a ld i a m o n da r e g r o u n d0 n ag e n e r a lt o o lg r i n d e r u n d e rt h eo b s e r v i n go fs e m ，i tw a sf o u n dt h a tt h eq u a l i t yo f c u t t i n ge d g ew a sg o o d ，a n dt h ec u t t e r sc 锄r e a c ht h er e q u i r eo f p r e c i s i o ng r i n d i n g k e yw o r d s ：s i n g l ec r y s t a ld i a m o n d ；t o o lg r i n d e r ；s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ； s t e p p m gm o o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 0 0 6 泣；o 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：塑墨墨墨： 导师签名 矽口6 年旺月三生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1 岬，以此对应，通 常将加工精度在o 1 l l j m ，加工表面粗糙度在r a 0 0 2 - 4 ) 1 岫之间的加工方法称为精密 加工，而将加工精度高于o 1 岫1 ，加工表面粗糙度小于r a 0 o l m 的加工方法称为超精 密加工。精密与超精密加工的范围很广，只要是能使零件的精度达到上述范围的机械加 工方法都属于精密与超精密加工的领域。现在，超精密加工技术的精度己进入纳米级， 纳米技术被认为是人类技术史上的又一次革命性进步【l 】。 精密与超精密加工技术在机械制造领域中占有重要的位置，尤其是超精密切削在国 防和尖端技术的发展中起着非常重要的作用。由于超精密切削可以替代很费工时的磨 削，这样就可以节省加工工序，节省工时，同时提高加工精度和加工表面质量，因此近 年来超精密切削得到了很高的重视。 而超精密切削的基础就是单晶金刚石刀具，现在超精密切削是使用精密的天然单晶 金刚石刀具加工有色金属和非金属材料，可以直接切出超光滑的加工表面。这是由于单 晶金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口理论上可达到原子级的平直度与锋利 度，切削时切薄能力强、精度高、切削力小；单晶金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和 化学稳定性保证了刀具的超长寿命，能保证持续长久的正常切肖j ，并减少由于刀具磨损 对零件精度的影响；其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。 天然单晶金刚石作为自然界中最硬的物质，正是由于具有十分优良的材料性能，即 使后来出现的人造单晶金刚石和聚晶金刚石成本远远低于它，也仍然无法替代它在精密 和超精密加工领域中的地位。不仅如此，单晶金刚石刀具除了高科技领域外，在普通工 业和民用产品加工中的应用也在逐年增长，单晶金刚石刀具已经深入机械加工各个领 域，起着越来越重要的作用。 天然单晶金刚石刀具作为理想的超精密加工刀具，能否制作出锋利的刃口是微细切 削领域中必须解决的关键技术，一个亚微米级的锋利刃口可以加工出几纳米数量级的表 面粗糙度。锋利的刃口及很低的摩擦系数，可大大减小切削力，这有利于提高微细切削 加工的精度，也降低了对超精加工机床刚性的要求。 1 2 课题来源、背景及意义 由于单晶金刚石的独特性能，使得对其本身的加工非常困难。单晶金刚石硬度大、 耐磨性好导致研磨效率低，耗费工时长。单晶金刚石具有各向异性和解理现象，不同晶 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 向的物理性能相差很大，使得单晶金刚石刀具的刃磨具有独特性，刃磨设备和方法显得 至关重要。 下面简要介绍一下单晶金刚石刀具加工工艺及研磨设备的发展过程【2 1 。 单晶金刚石刀具是二战后为满足手表精密零件、光饰件以及首饰雕花等加工需要而 发展起来的，其制造工艺起源于钻石首饰的研磨抛光技术，它的发展带来了手表及相关 制造技术的重大变革。 钻石首饰的研磨抛光工艺方法为：在铸铁研磨盘的上表面涂敷金刚石微粉与橄榄油 混合而成的研磨膏，并使金刚石微粉镶嵌在铸铁表面的微小孔隙中，固定于夹具滑板上 的钻石首饰靠夹具的自重压在高速旋转的研磨盘上进行研磨。 采用钻石首饰加工方法研磨天然金刚石刀具时，需完成以下特殊工艺： a 刀刃处理及检测：刀刃质量将直接影响被n t 零件质量。 b 定向：将刀具最剧烈磨损面置于金刚石最硬晶面上，使刀具使用寿命最长。传统 的定向方法一般采用肉眼定向。 c 装卡：在切削过程中，天然金刚石刀具要承受来自各个方向的切削力，为保证连 续、稳定的切削，必须将金刚石刀具牢固安装在刀杆上。由于当时尚未发明金刚石钎焊 技术，因此只能采用机械夹持。 由于传统的金刚石刀具加工方法工艺简单，设备造价低，因此直至今天仍有小部分 企业用于金刚石刀具的粗加工，这种设备即所谓的研磨机。 由于研磨机结构简单，刚度、稳定性较差，研磨时需要手工施加压力，操作不灵活， 不易控制进给，很容易打刀，并且加工效率低。目前已经很少采用其对金刚石刀具进行 研磨。现在对单晶金刚石刀具的研磨加工国内多采用进口磨床，如瑞士产r s - 1 2 ，r s - 1 5 型，台湾产f c 一2 0 0 d ，f c 一5 0 0 d 型p c d & p c b n 专用刀具磨床，采用专门的金刚石砂轮，这 样的磨床刚度好，加工精度高。 采用这些进口设备的最大问题就是价格昂贵，加工成本也较高，中小企业难以承受。 因此，一些企业试图采用普通工具磨床来研磨单晶金刚石刀具，而大多数普通工具磨床 没有自动往复功能，只能靠手摇来实现工作台的径向摆动，而采用手动方式速度不均匀 并且振动较大，再加上普通工具磨床本身刚性就不佳，主轴精度不足，刃磨出来的单晶 金刚石刀具刃口质量可想而知，这样就无法达到加工要求，更加上单晶金刚石作为自然 界中最硬的物质，极难研磨且研磨时间较长，如果长时间用手动摇摆工作台，人手也无 法承受。近年来，有一些工具磨床采用液压传动，工作台具备液压往复运动能力，但是 液压驱动的工作台往复运动速度不均匀且冲击较大，而单晶金刚石作为超精密刀具，对 其刃口半径和刀刃粗糙度都有较高的要求，用此种液压工具磨床研磨出来的单晶金刚石 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 还是无法满足超精密切削加工要求。此外，这种液压工具磨床的可靠性较低，经常出现 故障，迫不得已原本工作台的液压自动往复径向运动又只能变成了手动往复运动。总之， 使用现有的普通工具磨床根本无法研磨出满足精度要求的单晶金刚石刀具。 因此，如果能够通过数控方式实现工作台的自动往复运动，那么在普通工具磨床上 加工出来的单晶金刚石刀具的刃口质量将会有较大的改善。这就是本课题所产生的背 景，能够通过设计一个数控进给系统使得原本不能研磨单晶金刚石刀具的普通工具磨床 能够研磨出满足精密加工要求的单晶金刚石刀具也就是本课题的初衷。可以看出，这对 于单晶金刚石刀具研磨设备的扩展有着非常现实的意义，具有一定的创新性。 1 3 经济型数控系统介绍 1 3 。i 经济型数控系统类型 本课题决定设计一个经济型数控系统，以实现上述的功能要求。这里所讲的经济型 数控系统是相对全功能型数控系统而言的。虽然在功能上有一定局限性，不如全功能数 控系统那样完整，但在主要功能方面却是通过数控实现的【3 】。经济型数控机床系统从控 制系统上来分，可以分为： ( 1 ) t 控p c 机 随着数字技术的飞速发展，工业控制用p c 机从控制功能、抗干扰能力等方面都有 了快速发展；目前国内工控p c 机的性能和可靠性等方面较国外系统还有定的差距。 此外，有些数控系统还采用了d s p ，p l c 和嵌入式计算机等先进的控制平台。 ( 2 ) 单片机数控系统 控制系统硬件由单片机系统组成，中央处理器由早期的z 8 0 到8 0 5 1 、8 0 9 8 系列， 其运算速度和精度不断提高，相应的机床加工速度和加工精度也有了较大的提高，单片 机数控系统还具有技术成熟、价格低廉、实时性好等特点。 从数控装置的功能水平来看，数控系统通常又可分为高、中、低档三类。其中高中 档系统一般称为全功能数控系统或标准数控系统，功能丰富，使用范围广，具有较高的 加工精度和进给速度，伺服控制方式为闭环、半闭环以及交、直流伺服。全功能数控系 统的价格较高，一般在数十万元( 人民币) 左右，一般中小企业购置困难。经济型数控系 统属于低档数控，与步进电机组成开环控制系统。一般来说，经济型数控机床较经济、 实用、易操作。 基于单片机的单品金刚石刀具刃磨设备的数控改造 1 3 2 经济型数控系统的特点 目前，我国经济型数控系统发展迅速，有力的促进了我国数控事业的发展。经济型 数控系统有以下特点： ( 1 ) 价格低廉，性价比适中，大约是同等配置带伺服电动机系统的1 4 或更低。它 特别适合于普通机床的数控改造，适合在生产第一线大面积推广。 ( 2 ) 适用于多品种、中小批量的自动化生产，对产品的适应性强，在普通机床上加 工的产品大都可以在经济型数控机床上加工。 ( 3 ) 提高产品质量，降低废品损失，解决了零件的加工精度控制问题。数控装置的 加工精度较高，加工出的产品尺寸一致性好，合格率高。 ( 4 ) 增强了企业的应变能力，提高了企业的竞争力。企业采用经济型数控系统后， 提高了加工精度和批量生产的能力，同时又保持“万能加工”和“专用高效”这两种属 性，提高了设备对产品升级所需要的应变能力【4 】。 1 3 3 经济型数控系统的发展意义和市场前景 我国机电制造工业( 包括机械、电子、轻工、汽车、纺织、冶金、煤炭、邮电、造 船、航空、航天等制造业) 1 9 9 5 年底共有数控机床7 2 万台，仅占1 9 9 5 年机床总量的 1 9 9 6 ；而在发达国家中，机床数控化率分别是：美国9 6 、日本1 6 1 、英国7 1 、德 国5 7 、法国5 0 9 6 和意大利1 5 2 。我国与发达国家的差距还很大。 我国机床制造业生产的机床绝大多数是普通机床，工业企业生产装备的绝大多数是 旧机床。用这种装备生产出来的产品质量差、成本高、档次低，在国际市场上缺乏竞争 力。当前我国加入w t o 不久，一般国有企业正处在改革和调整的关键时期，资金严重不 足；制造业的民营企业刚刚成长，资金也非常紧张，不可能付出大量资金购买高档次数 控设备。而大量的机械零件需要高速加工制造，需要大量便宜且自动化程度很高的加工 设备，经济型数控系统由于其自身能够满足这一要求，被大量的中小企业所看好。 据统计，我国现有机床中，近几年内急需技术改造的约占2 5 ，即9 5 万台左右，而 对其改造主要是采用数控和计算机控制技术，这将是一个能提供几十亿到上百亿的广阔 市场，蕴藏着无限商机。目前，东北老工业基地设备正在升级改造，发展经济型数控系 统进行机床数控化改造非常重要。 在现阶段，大力发展经济型数控系统是快速提高机床数控率的有效途径，是我国数 控系统发展的必经之路。因此，本人研究和开发一个经济型数控系统使得普通工具磨床 使其能够研磨单晶金刚石刀具，具有一定的理论价值和较大的实际应用价值【5 】。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本课题的主要研究内容 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造课题源于生产实际，从对单 晶金刚石的研磨方法入手，主要是为了解决我所科研生产中对天然单晶金刚石加工的实 际问题，目的是通过自主设计并制造包括数控和机械设计两大部分的数控往复精密工作 台作为进给系统，做到可以在普通工具磨床上刃磨单晶金刚石，并获得良好的刃口质量。 论文主要研究工作： ( 1 ) 研究以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心的步进电机数控系统，包括软硬件设计以及相应 的电机控制方法； ( 2 ) 研究并设计了数控往复精密工作台； ( 3 ) 实现在普通工具磨床上研磨单晶金刚石刀具，并获得不错的刃口质量； ( 4 ) 利用扫描电镜对加工后的单晶金刚石刀具的刃口以及前刀面形貌进行观察，并 分析了各种因素对刃磨质量的影响，研究了单晶金刚石的研磨机理； ( 5 ) 对比采用专用刀具磨床和本课题所设计的系统在普通磨床上加工单晶金刚石 的效果。 1 5 单晶金刚石的最新加工技术嘲 机械研磨方法是传统的单晶金刚石刀具的加工方法，也是目前普遍采用的加工方 法。采用研磨方法制造金刚石刀具时，研磨线速度高，局部压力大，对刀具表面及刃口 冲击剧烈，不可避免地会导致刀具表面产生微小沟纹和较厚的加工变质层，且刀刃锯齿 度较大，从而限制了刀具质量的进一步提高。试验表明，采用机械方法研磨金刚石的表 面粗糙度极限值约为3 r i m ，刀刃锯齿度最小只能达到几十纳米的数量级，表面加工变质 层厚度约为2 0 0n l n 。 随着超精密加工技术的不断发展以及加工精度的不断提高，对金刚石刀具的精度及 质量要求也更为苛刻。研究还发现，刀具表面变质层厚度将直接影响刀具的寿命与零件 的加工质量。因此，开发新型的金刚石刀具加工方法无疑是突破机械研磨方法对刀具质 量限制的有效途径。 为了达到对金刚石加工的一些特殊要求，或者完成采用传统的机械研磨方法无法达 到的加工精度，近些年来国内外出现了四种较为典型的金刚石工具加工方法。 ( 1 ) 离子束溅蚀法 离子束溅蚀法是利用高能离子的轰击作用直接对被加工工件进行物理溅蚀，以实现 原子级的微细加工。离子束溅蚀法的加工原理如图l 所示。采用扩散泵使加工室达到 1 0 弓t o r r 的真空，然后充入压力为5 1 0 4 t o r t 的工作气体( 如氩气) 。钨阴极与环状阳极之 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 间的电压为4 0 v ，可保证电极间的持续放电。永久磁铁产生的轴向磁场为热激发电子形 成一个螺旋形长通道，可最大程度地使氩气电离为等离子体。由等离子体中释放出的离 子束通过双层栅极聚焦系统( 其中内栅起隔离作用，外栅用于离子束的加速) ，由此形成 具有强方向性及低散射能的簇射离子束。被加工的金刚石安装在一个倾斜角可调的回转 工作台上，距栅极约5 m m 。通过改变回转轴的倾角范围和回转速度，可得到不同的加 工形状及加工精度。加工速率及质量与离子束能量、工件表面电流密度及离子束相对于 被加工表面的夹角有关。离子束溅蚀法最适于加工关键尺寸小于1 1 t m 的微小金刚石工 具，并可达到很高的形状精度。 瀚 工作气 r j h - - 丽丽圳苦酬 i 。一t 扭l 子l l l r 票乎接真空泵三 圈转瘤卜 图1 1 离子束溅蚀法的加工原理 f i g 1 1w o r k p r i n c i p l e o f i o n b u n d l es p a t t e r m e t h o d ( 2 ) 真空等离子化学抛光法 真空等离子化学抛光法的加工原理如图2 所示。转动的磨盘被中间的高真空区分为 左右两部分。左边为沉积区，采用真空等离子物理气相沉积法在磨盘表面镀上一层细晶 粒氧化硅：右边为研磨区，金刚石表面处于活化状态的碳原子通过与磨盘上的氧化硅发 生分子级化学反应而形成磨削作用。反应生成的一氧化碳或二氧化碳气体被真空泵抽出 反应室。该方法的研磨速度为l 3 0 0 0 m n a s ，约每秒o 2 5 7 5 0 个原子层，可研磨出极高质 量的刃口。该方法最先被美国刀刃技术公司用于研磨超精密金刚石镜面切削刀具，该刀 具可广泛用于加工各种纳米级精度的超精表面。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 真空等离子化学抛光法的加工原理 f i g 1 2 v f l t 2 _ 2 b t n # a s mc h e m i s t r y p o l i s h i n g m e t h o d ( 3 ) 无损伤机械化学抛光法 该方法是在n a o h 溶液中加入适量的细金刚石粉和更细微( 达纳米级) 的硅粉，带强 负静电的细微硅粉会吸附在粒度大得多的单个金刚石微粒上形成具有硅吸附层的金刚 石磨料，然后将其涂敷在多孔的铸铁磨盘上对被加工金刚石进行研磨。研磨时，吸附在 金刚石微粒上的硅粉一方面可阻止金刚石微粒对被加工金刚石表面的直接冲击，保护金 刚石表面不会产生深度损伤，另一方面可与被加工金刚石表面发生反应并通过其微弱的 磨削作用将反应层去除。该方法的磨削速度非常低，仅为每分钟一个原子层。 ( 4 ) 热化学抛光法 在温度为8 0 0 0 c 时，若使金刚石表面与铁接触，金刚石晶体中的碳原子能够摆脱自 身晶格的约束，扩散到铁晶体晶格中去。热化学抛光法即是运用此机理对金刚石表面进 行研磨加工。研磨时，在氢气气氛中将铁质研磨盘加热到8 0 0 0 c ，使被加工金刚石表面 与铁质研磨盘接触并相对滑动，金刚石晶格中的碳原子就会扩散到铁晶体晶格中，达到 磨削金刚石的目的。进入铁晶格中的碳又与氢气反应生成甲烷并随气流散发到空气中。 该方法的磨削速度为每秒4 0 2 0 0 0 个原子层。利用该方法刻蚀金刚石，还可在其表面加 工出图案和花纹，制成各种精美的金刚石工艺品。 使用上述几种加工方法，被加工金刚石表面无冲击，避免了机械加工方法造成的表 面冲击沟痕，使被加工表面异常光洁，其表面粗糙度可达l n m 。被加工金刚石表面与研 磨盘之间的接触力非常小，易于研磨出高质量的刀刃。被加工金刚石表面的损伤与变质 层较浅，可提高金刚石刀具的寿命。 此外，采用机械方法加工制成的金刚石刀具用于镜面切削时，通常存在一个“磨合 期”即需要经过一段时间的切削过程，刀具才能达到最佳加工效果。究其原因，是由于 刀刃圆弧实际是由一些不规则的折线组成。研究文献表明，化学研磨方法可得到比机械 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 加工方法光滑得多的刀具刃口圆弧，制成的刀具在使用过程中可消除“磨合期”，且工 件表面加工质量得以大幅度提高。 但是上述几种加工方法的应用是受到限制的，由于加工时磨削速度很低，只适用于 精磨加工后的超精密抛光。因此目前金刚石的加工还是主要采用机械加工的方法。 1 6 国内外研究概况及发展趋势 天然金刚石刀具刃磨技术一直是超精密加工领域的关键技术。天然金刚石精密与超 精密加工实现的条件有：锋利的金刚石刀具，高刚度、高精度的切削机床以及一些其它 相关技术的支持。 金刚石刀具的刃磨本身就属于精密和超精密加工的范畴。目前在金刚石刀具材料方 面主要分为两种：天然金刚石和聚晶金刚石。天然金刚石以其优良的刃磨性能，在超精 密加工领域成为首选材料。现在天然金刚石的刃口半径可以刃磨n 0 0 0 5 “m ，刀刃的直 线度可达o 1 0 0 l i m a ，在4 0 0 倍显微镜下观察切削刃光滑平整，没有缺口、崩刃等缺陷。 我国的金刚石刀具刃磨水平与国外先进水平还存在很大的差距，我国在这方面具有 很大的研究发展空间。金刚石刀具的刃磨工艺属于比较敏感的技术，在公开发表的文献 中很少有这方面的具有实用性的工艺技术资料。 在金刚石刀具刃磨设备研究方面，研究的重点在研磨设备主轴上。现在主轴的轴承 形式有如下几种： ( 1 ) 滚动轴承支承形式。 ( 2 ) 双顶尖支承形式。 ( 3 ) 单顶尖滑动轴承支承形式。 ( 4 ) 液体静压轴承支承形式。 ( 5 ) 气体静压轴承支承形式。 上面后两种形式的主轴研磨质量最好，但是主轴的制造难度大，成本高。 在研磨设备的整机研制上，在国外已形成专门化生产，如瑞士的r s l 2 、台湾的 f c 一2 0 0 d 等研磨机床，都具有很好的刚度和研磨精度。我国的3 0 3 所和哈尔滨工业大学 联合研制的金刚石刀具刃磨设备采用了空气静压轴承主轴，研磨质量比较高。 金刚石刀具研磨的发展趋势，主要体现在： 金刚石刀具刃磨技术在研磨设备的研究方面，自动化技术将是批量研磨的必然选 择，另外，检测设备与研磨设备的集成，形成刀具的在线检测，会有助于减少由于重复 装夹带来的误差，保证研磨精度；液体静压轴承和气体静压轴承会在以后的研磨设备中 广泛采用，目前气体静压轴承主轴的跳动己经能够控制在o 1 i _ t r n 以上精度。 8 大连理工大学硕士学位论文 在研磨工艺研究方面，多种方法优化复合的复合研磨技术，是制造超精密加工金刚 石刀具的必然趋势，目前在日本和英国，刃磨刀具刃口半径精度可达纳米级，而且日本 利用金刚石刀具切削出了l n m 厚的切屑，从而推断刃口半径在2 , , - 4 r i m ，基本上己达到 理论刃口半径水平。 在研磨机理研究方面，就目前已经明确的研磨盘研磨的热化学磨损机理的基础上， 对于金刚石化学磨损机理的运用还有和好的前景，e d g e t e c h n o l o g i e s 公司就是利用的化 学磨损去除原子级的金刚石。由于机械研磨方法本身的不足，会造成一些明显或潜在缺 陷，这些需要采用非机械的方式来进一步对刃口进行精加工。 加大刀具的磨损机理的研究力度，有助于发展更好的刀具研磨方法，以及针对不同 工件材料的减少磨损的方法，从而达到延长刀具寿命的目的。另外，在刀具刃口钝圆半 径的检测利用原子力显微镜( a f m ) 技术需要更加深入。 在刀具的应用研究上，采用圆弧刃金刚石刀具会逐渐占据主要位置。据资料显示， 直线刃刀具切削可得到0 0 0 4 p x n 的表面，用圆弧刃切削可得到r a 0 0 1 9 i n 的表面，但是 在曲面加工领域具有不可替代的作用。尽管目前人造金刚石刀具得到了更加广泛的应 用，但是天然单晶金刚石刀具在精密与超精密加工的一些领域仍旧具有绝对优势。 总之，金刚石切削技术的研究将会随着科技的进步与需求更加走向深入，金刚石切 削技术将在超精密加工方面发挥更大作用，金刚石刀具刃磨的质量将是实现纳米级加工 的关键影响因素。 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 2 单晶金刚石刀具的设计与制造及刃磨技术基础 2 1 单晶金刚石刀具设计与制造流程 天然单晶金刚石刀具制造过程一般是指图2 1 所示流程，要想制作一把高质量的金 刚石刀具，应该做好每一步工作。 刀具几何参数设计 叫选料卜h 晶体定向l h 锯割 检验卜h 精磨h 粗磨h 焊接h 开坯 图2 1 单晶金刚石刀具制作流程 f i 9 2 1p r o c e s so f s i n g l ec r y s t a ld i a m o n dt o o l sf a b r i c a t i n g 2 2 单晶金刚石刀具几何参数设计 单晶金刚石刀具都用于超精密切削。衡量金刚石刀具质量的好坏，首先是能否加工 出高质量的超光滑表面，其次是它能否长时间保持刀刃锋锐，一般要求切削长度数百千 米后，仍能切出极高质量的加工表面。金刚石刀具的设计，主要就是要满足上述要求。 2 2 1 刀头形式 金刚石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交为一点的尖锐的刀尖，这样的刀尖 不仅容易崩刃和磨损，而且在加工表面上留下加工痕迹。通常，在金刚石刀具的主副切 削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用，这有利于获得好的加工表面质量。 毋对 辨鹞 3 )4 ) 1 ) 尖刃2 ) 小圆弧3 ) 直线修光刃 4 ) 圆弧修光刃 图2 2 金刚石刀具的不同刀头形式 f i g 2 2d i f f e r e n tf o r m so f d i a m o n dc u 仕e r 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 是几种不同的刀头形式。其中图1 1 一般不用。国内在加工圆柱面、圆锥面和 端平面时，多采用制造容易的直线修光刃金刚石刀具。这种刀要求对刀良好，直线修光 刃应严格和进给方向一致，可以得到令人满意的加工表面( r a s n ，则总的走步过程结束，步进电机停止运行，从控制 函数返回，进行其它的处理。控制函数流程图如图5 1 0 所示。 按上述方法将升降速曲线离散化，并将对应的定时常数制成表格存于程序存储器 r o m 中。在程序运行时，使用查表方式重装定时常数，这样可节省运算时间，提高系 统的响应速度。 由于本系统中的工作台需要纵向往复运动，因此步进电机必须周期性的正转和反 转。本文由于篇幅所限，只画出升速过程的控制函数流程图，如图5 所示。 图3 1 8 升速过程控制函数流程图 f i g 3 1 8t h ef l o wc h a r o f c o n t r o lf u n c t i o nw i t ht h ep r o c e s so f a c c e l e r a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 3 8 结论 ( 1 ) 经过离散处理，对于输入不同的稳定运行频率，使频率按照指数规律上升， 符合步进电机的转矩频率特性，并且使它在较短的时间里获得较高的工作频率。 ( 2 ) 数控系统以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，扩展外围部件构成了单片机对步进电机 的控制系统，进行了键盘输入、l c d 显示，并且价格低廉，系统性能稳定，效果良好。 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 4 机械设计 此系统的机械部分，包括滚珠丝杠、直线导轨、支撑机、轴承及其支架全部都装载 在一个可以防水防尘的箱体内，而这个箱体通过平键和螺栓固定在原有普通工具磨床的 工作台上面。 4 1 滚珠丝杠 滚珠丝杠副是数控机床、精密仪器和各种精密机械设备中的关键零部件，它具有传 动效率和传动精度高、能逆向传动、同步性能好、高的性能价格比等特点，在机械设备 中应用极为广泛。 4 1 1 工作原理 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠来使丝杠与螺母之间由滑动摩擦 变成滚动摩擦的丝杠传动。滚珠丝杠副在机械传动中的作用，同样是可以将旋转运动变 为直线运动，也可以将直线运动变成旋转运动。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况， 其传动方式也是多种多样的。 滚珠丝杠副一般是由1 ) 丝杠、2 ) 螺母、3 ) 滚珠以及4 ) 滚珠循环返回装置四个 主要部分组成。 a )b ) 1 ) 滚珠丝杠 2 ) 螺母3 ) 滚珠4 ) 反向器 a ) 为外循环方式b ) 为内循环方式 图4 1 滚珠丝杠结构 f i g 4 1t h es t r u c t u r eo f b a us c s d a r y 从图4 1 可知，滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间，连续填满滚珠 作为中间体的螺旋传动。其工作原理如下： 当2 ) 螺母或1 ) 丝杠转动时，在丝杠与螺母间布置的3 ) 滚珠依次沿螺纹滚道滚动， 同时3 ) 滚珠促使1 ) 丝杠或2 ) 螺母作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上 大连理工大学硕士学位论文 设有4 ) 滚珠循环返回装置( 反向器) ，构成一个封闭的滚珠循环通道。借助于这个返回装 置，可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能 在螺纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚度，滚珠螺母常 由两段组成。外循环方式是指滚珠在循环过程中与丝杠脱离接触的循环；内循环为滚珠 在循环过程中始终与丝杠保持接触的循环。 滚珠丝杠副除了上述四个部分外，还要有擦拭器，擦拭器将异物从滚珠丝杠内部的 关键部件中清除掉，并确保有效润滑。在许多应用场合，擦拭器可延长滚珠丝杠的寿命 并提高机械的可靠性。擦拭器可安装在滚珠丝杠的外部或内部。 4 1 2 滚珠丝杠副的特点 由上述工作原理可知，滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比较，它以滚动摩擦代替滑动摩 擦，因此，具有以下特点： ( 1 ) 摩擦损失小、传动效率高 由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达9 0 9 6 ，约为滑动螺旋机构效率 的2 3 倍。 ( 2 ) 磨损小、寿命长 通常，滚珠丝杠副的主要零件，如丝杠、螺母以及滚珠都是经过淬硬的并且有很低 的表面粗糙度；而且，滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性 能好，工作寿命长。 ( 3 ) 轴向刚度高 由于滚珠丝杠副可以完全的消除传动间隙，而不至于影响丝杠运动的灵活性，因而 可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过预紧来提高轴向刚度。 ( 4 ) 摩擦阻力小、运动平稳 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且静 止摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无 颤动，低速传动时无爬行现象。 ( 5 ) 不能自锁、具有传动的可逆性 由于滚珠丝杠副没有自锁能力，故具有传动的可逆性。当它用于垂直升降传动系统 时，必须增设自锁装置或制动装置，以防止产生逆传动。 由于滚珠丝杠副具有上述优点，所以它日益广泛地应用于精密机械、机床、汽车， 船舶，火炮、航空、航天和纺织等工业部门。但是，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副仍 然存在以下的缺点：结构较复杂，工艺难度大，制造成本高等。 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 4 1 3 滚珠丝杠副的分类 滚珠螺旋传动主要由丝杠、螺母和滚珠等组成。根据构造的差异和类型的不同，其 工作特性、传动精度和制造工艺也不同。对于丝杠的构