专利名称：一种锋利刃口微刀具的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微刀具的制造方法，该方法加工的微刀具可用于超精密加工和微细加工领域中的复杂微纳结构和器件的加工制造，也可用于纳米级切削的机理研究应用中。
背景技术：
在超精密加工中要获得零件形状尺寸的高精度和加工表面的超光滑，除了必须拥有超精密的机床、高分辨率的检测仪器和超稳定的加工环境条件以外，还须具备进行切削加工的高精度微型刀具。而刀具刃口半径越小，切削加工中应力越集中，变形越容易，切削力越小，加工表面质量越好。刃口半径对切削过程有较大影响，同时对切削力、切削温度和切屑变形系数都有不同程度的影响。因此，减小刃口半径，可减小刀具对金属的挤压力，使金属的变形程度降低，减缓金属的冷作硬化，有助于提高切削过程的稳定性，改善加工表面质量和延长刀具使用寿命。国内对刀具刃磨技术的研究起步较晚，还不能稳定达到高精度刀具的技术指标。如在刀具刃磨工艺方面，只能将直线刃金刚石刀具的切削刃钝圆半径刃磨到IOOnm左右。本发明首先利用聚焦离子束对刀具进行粗加工，然后采用车削或抛光方法去掉聚焦离子束粗加工中的非晶层，最后利用聚焦离子束精修技术降低微刀具刃口半径，刃口圆弧半径可小于20nm。与其他传统方法相比，此方法具有精度高、可重复性强、适用于多种材料和刀具形状等优点
发明内容
:本发明的技术解决问题是:克服了传统加工方法很难实现的纳米级刃口半径和复杂刀具轮廓加工的缺点，提出一种获得锋利刃口刀具的新方法。本发明采用如下的技术方案:一种锋利刃口微刀具的制造方法，通过以下步骤实现:(I)利用聚焦离子束对微刀具毛坯进行粗加工，加工出刀具前刀面；(2)利用车削或抛光方法去除刀具前刀面因离子束加工产生的纳米尺度非晶改性层，对刀具前刀面进行优化处理；(3)将前刀面优化处理后的微刀具放进聚焦离子束真空样品室内，依据刃口形状和尺寸要求，利用聚焦离子束铣削精修，加工出微刀具的后刀面和侧刀面，实现锋利刃口刀具制造。作为优选实施方式，步骤(I)所述的聚焦离子束为5 50KeV、10 30nA的聚焦离子束；步骤(3)中所述的聚焦离子束铣削加工中所采用的聚焦离子束为I IOKeVU 5nA的聚焦离子束。本发明首先利用聚焦离子束对刀具进行粗加工，然后采用车削或离子束抛光的方法去掉粗加工中的非晶层，最后利用聚焦离子束精修技术降低微刀具刃口半径，有效减小了获得刀具切削刃时微观崩刃等生成机率，获得具有纳米级的圆弧半径刃口的锋利刀具。
图1刀具粗加工过程中非晶层形成示意图，Ca)是俯视图；(b)是侧视图。图2 Ca)为刀具车削加工去掉非晶层过程示意图；(b)为非晶层去除后的刀具形貌。图3抛光加工前后刀具刃口变化示意图，Ca)为抛光加工前的刀具刃口 ；(b)为为抛光加工后的刀具刃口。附图标记说明如下:1-1离子束加工方向1-2 刀具1-3刀具表面非晶层2-1 刀具2-2刀具非晶层被去除2-3被加工材料2-4刀具切削方向3-1 刀具3-2粗加工中形成的非晶层3-3离子束抛光去除非晶层
具体实施例方式本发明的基于镀膜技术的降低刃口半径的新方法，可以用于加工包括车、铣、钻、磨、刨等各种微型刀具。微型刀具的材质可以是单晶金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼、硬质合金和高速钢等典型刀具材料。主要包括下列步骤:首先在聚焦离子束真空样品室内，利用高能量大束流聚焦离子束对微型刀具毛坯进行粗加工，加工出刀具前刀面。聚焦离子束可以是镓离子、铍离子、氩离子、氦离子、氖离子和氢离子束等典型应用离子束；第二步，利用金刚石车削或离子束抛光的处理方法，将粗加工后的刀具在有色金属材料(如铝或者黄铜)上进行车削加工或者离子束抛光加工。加工完毕后利用超声清洗方法取掉表面金属切屑和杂质。然后将优化后的微刀具放进聚焦离子束真空样品室内，依据刃口形状和尺寸等要求，将刀具前刀面背对离子束方向进行刀具的侧刀面和后刀面聚焦离子束精修加工，实现高精度刃口的微型刀具制备。下面结合实施粒对本发明做进一步详述。参见图1 3，首先将待加工微刀具毛坯2安装在聚焦离子束/扫描电镜(FIB/SEM)双束系统样品平台上。利用高能量5 50KeV大束流10 30nA聚焦离子束对微型刀具毛坯进行粗加工，根据设定位置首先加工出刀具前刀面；接着用金刚石车削的单晶铜材料，去掉金刚石表面由于离子注入引起的非晶层。加工完毕后利用超声清洗方法取消表面金属切屑和杂质。将优化处理后的刀具重新装回聚焦离子束加工平台上。将刀具毛坯末端的位置调整到离子束的工作距离19.5mm，然后旋转样品台，使得刀具前刀面背对聚焦离子束方向，力口工刀具的侧刀面和后刀面，刀具后角和侧后角为7 12度。最后用I IOKeVU 5nA聚焦离子束铣削，获得刃口圆弧半径为5-20nm微型刀具制备。
权利要求
1.一种锋利刃口微刀具的制造方法，通过以下步骤实现: (1)利用聚焦离子束对微刀具毛坯进行粗加工，加工出刀具前刀面； (2)利用车削或抛光方法去除刀具前刀面因离子束加工产生的纳米尺度非晶改性层，对刀具前刀面进行优化处理； (3)将前刀面优化处理后的微刀具放进聚焦离子束真空样品室内，依据刃口形状和尺寸要求，利用聚焦离子束铣削精修，加工出微刀具的后刀面和侧刀面，实现锋利刃口刀具制造。
2.根据权利要求1所述的锋利刃口微刀具的制造方法，其特征在于，步骤(I)所述的聚焦离子束为5 50KeV、10 30nA的聚焦离子束。
3.根据权利要求1所述的锋利刃口微刀具的制造方法，其特征在于，步骤(3)中所述的聚焦离子束铣削加工中所采用的聚焦离子束为I IOKeVU 5nA的聚焦离子束。
全文摘要
本发明涉及一种锋利刃口微刀具的制造方法，包括利用聚焦离子束对微刀具毛坯进行粗加工，加工出刀具前刀面；利用车削或抛光方法去除刀具前刀面因离子束加工产生的纳米尺度非晶改性层，对刀具前刀面进行优化处理；将前刀面优化处理后的微刀具放进聚焦离子束真空样品室内，依据刃口形状和尺寸要求，利用聚焦离子束铣削精修，加工出微刀具的后刀面和侧刀面，实现锋利刃口刀具制造。本发明提出的方法精度高、可重复性强、适用于多种材料和不同刀具形状。
文档编号B23P15/28GK103084814SQ20131002061
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月18日 优先权日2013年1月18日
发明者徐宗伟, 兀伟, 房丰洲, 李万里 申请人:天津大学