一种精密光学玻璃超长毛细孔钻头制作方法

技术领域

本发明属于精密光学玻璃加工领域，具体涉及一种精密光学玻璃超长毛细孔钻头制作方法。

背景技术

光学玻璃材料主要应用于精密光学检测设备上，通光镜头、光学腔体应用最多。光学玻璃材料一般包括普通玻璃、微晶玻璃、红宝石、蓝宝石、尖晶石等，这些光学玻璃材料都具有硬度大、脆性大、难加工等特点，在光学检测仪器上应用都比较广泛，一般这些光学零件还要加工出槽、孔等形状，部分测量仪器上还要加工超长毛细孔通光，由于这些材料本身的特性使孔加工的难度很大。光学玻璃材料钻孔一般采用激光打孔、超声波钻孔、电镀金刚石钻头钻孔等方法，每种方法钻孔后孔壁的光洁度也有很大的差异。激光打孔的原理是用激光高温烧灼零件产生孔，由于孔壁表面是烧灼的，显微镜下观察孔壁凹凸不平，而且孔的圆度不圆，受激光功率的影响，一般只能加工0-30mm深度的孔，深度再深孔就不能加工；超声钻孔是超声波震动加工钻孔，钻头通过超声震动把工件材料震碎来钻孔，孔内壁会产生微裂纹，长时间使用会有影响。通光孔孔壁的微观质量对光学零件的性能有直接的影响，孔壁粗糙通光效果差，光通过时受孔壁影响大损耗就多，光学零件使用性能就受到很大影响；孔壁光滑通光效果好，光通过时受孔壁影响小损耗就少，光学零件使用性能就会有很大的提高。所以如何提高通光孔孔壁的光洁度是直接影响光学零件性能的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服上述超长毛细孔加工的不足，提供一种精密光学玻璃超长毛细孔钻头制作方法，从而提高超长毛细孔的光洁度。

为了达到上述目的，包括以下步骤：

S1，加工空心钢管，作为钻头基体，在空心钢管的端部加工台阶面，在空心钢管的轴面上加工若干通孔；

S2，加工堵头，将堵头的一端插入空心钢管上具有台阶面的一端，堵头包括单直边内孔堵头、双直边内孔堵头、正方形内孔堵头和六边形堵头；

S3，固定空心钢管，将堵头插入到装有金刚砂的铸砂槽液里，通电后，使金刚砂粒以镍做粘结剂堆积在堵头上，铸砂时间到时完成钻头铸砂；

S4，对铸砂后的钻头进行磨削，使钻头刀头铸砂处和刀杆的同轴度符合要求；

S5，对铸砂钻头进行动平衡检测；

S6，对完成动平衡检测的铸砂钻头进行修磨，完成钻头的制作。

空心钢管和堵头通过紧配合连接。

直边内孔堵头的横截面为圆形，内孔为具有一个竖直边的圆形；

双直边内孔堵头的横截面为圆形，内孔为具有两个竖直边的圆形，两个竖直边平行设置；

正方形内孔堵头的横截面为圆形，内孔为正方形；

六边形堵头的横截面为六边形，内孔为六边形。

铸砂时，根据堵头的尺寸和铸砂后的尺寸计算出所需电流参数，将堵头插入到装有需要粒度大小的金刚砂铸砂槽液里，使金刚砂层与刀杆上的台阶面平齐，在刀杆上端和镍板上连接导线，通电进行铸砂。

对铸砂后的钻头进行磨削的方法如下：

把完成铸砂的空心钢管装夹在电火花外圆磨床上，用杠杆百分表量测铸砂后的钻头上方刀杆的外圆跳动，跳动小于阈值则开始磨刀头铸砂处外圆，使钻头刀头铸砂处和刀杆的同轴度符合要求，之后磨削刀头外圆至要求尺寸。

对铸砂钻头进行动平衡检测时，通过动平衡检测仪检测出动平衡的数值，若动平衡的数值小于阈值，则完成动平衡检测；若动平衡的数值大于阈值，则对偏心位置进行扩孔，再进行动平衡检测，直至完成动平衡检测。

修磨时，装夹完成动平衡检测的铸砂钻头，用250#-320#白刚玉油石修磨铸砂钻头铸砂处的端面和外圆，修磨5-8次。

修磨后的钻头进行试钻孔，试钻后，观察孔壁的光洁度，若孔壁的光洁度不符合使用要求，则对钻头重新进行修磨和试钻孔，直至孔壁的光洁度符合使用要求。

空心钢管采用316不锈钢空心钢管。

与现有技术相比，本发明通过对堵头进行铸砂、磨削、动平衡检测和修磨处理，形成了铸砂金刚石钻头，钻头前端金刚石层采用电铸烧结的工艺制作，能够很好的提高金刚砂的粘结力，而且前端磨削部分全部是金刚砂层，使钻头在10000-15000转的高转速钻孔时，极大的提高了钻头的使用寿命和毛细孔孔壁光洁度。并且，本发明通过改变钻头的外径、内孔的形状，解决了钻深孔时排屑的问题和内孔芯子断裂堵刀的问题，本发明能够极大的提高了钻头的使用寿命，加工的工件装配到光学检测仪器上，能够大大提高仪器的检测精度。

附图说明

图1为实施例中钻头基体形状尺寸示意图；其中，(a)为主视图，(b)为(a)中B向视图；

图2为实施例中钻头截面形状示意图；其中，(a)为单直边内孔堵头，(b)为双直边内孔堵头，(c)为正方形内孔堵头，(d)为六边形堵头；

图3为实施例中钻头完工形状尺寸示意图；

图4为实施例中钻头基体示意图；

图5为实施例中动平衡检测仪的示意图；

其中，1、空心钢管；2、堵头；3、通孔；4、螺杆；5、可调节高度高速钻；6、高速钻头；7、固定支架；8、底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1、图3和图4，本发明包括以下步骤：

S1，加工空心钢管1，作为钻头基体，在空心钢管1的端部加工台阶面，在空心钢管1的轴面上加工若干通孔3；

S2，加工堵头2，将堵头2的一端插入空心钢管1上具有台阶面的一端，空心钢管1和堵头2通过紧配合连接。

S3，固定空心钢管1，根据堵头2的直接确定所需电流，将堵头2插入到装有320#金刚砂的铸砂槽液里，插入深度8mm，使槽液里的金刚砂层与刀杆上的台阶面平齐，空心钢管1作为刀杆，在刀杆最上端和镍板上连接导线，根据堵头2的尺寸和铸砂后的尺寸计算出所需电流参数，通电后，使金刚砂粒以镍做粘结剂一层一层均匀的堆积在堵头2上，时间到后完成钻头铸砂；

S4，对铸砂后的钻头进行磨削，把空心钢管1装夹在电火花外圆磨床上，用杠杆百分表量测铸砂后的钻头上方刀杆的外圆跳动，跳动小于阈值则开始磨刀头铸砂处外圆，使钻头刀头铸砂处和刀杆的同轴度符合要求，之后磨削刀头外圆至要求尺寸；

S5，对铸砂钻头进行动平衡检测，通过动平衡检测仪检测出动平衡的数值，若动平衡的数值小于阈值，则完成动平衡检测；若动平衡的数值大于阈值，则对偏心位置进行扩孔，再进行动平衡检测，直至完成动平衡检测；

S6，对完成动平衡检测的铸砂钻头进行修磨，装夹完成动平衡检测的铸砂钻头，用250#-320#白刚玉油石修磨铸砂钻头铸砂处的端面和外圆，修磨5-8次，修磨后的钻头进行试钻孔，试钻后，观察孔壁的光洁度，若孔壁的光洁度不符合使用要求，则对钻头重新进行修磨和试钻孔，直至孔壁的光洁度符合使用要求，完成钻头的制作。

铸砂钻头制作前需要先制作基体，分为刀杆和刀头，刀杆采用316不锈钢空心钢管，在钢管前端内孔里固定铝芯或石墨芯，基体成形后在铝芯或石墨芯的外层用电铸烧结的工艺一层一层的金刚砂，根据每小时金刚砂层增加的厚度尺寸和最后完工需要的尺寸，计算出需要电铸成形的全部时间，能够精确的控制好完工的尺寸；电铸完工后再把铝芯或石墨芯取出，铝芯用氢氧化钠溶液浸泡慢慢取出，石墨芯直接捅出即可；最后在磨床上把刀杆和刀头连接处的凸起磨平，电铸钻头就做好了。根据钻头直径的大小和钻孔深度，可以把铝芯或石墨芯做成不同的形状，改变钻头内外圆的形状，可以更好的提高钻头的使用寿命和钻孔后孔壁的光洁度。

参见图2，堵头2包括单直边内孔堵头、双直边内孔堵头、正方形内孔堵头和六边形堵头；

单直边内孔堵头的横截面为圆形，内孔为具有一个竖直边的圆形；

双直边内孔堵头的横截面为圆形，内孔为具有两个竖直边的圆形，两个竖直边平行设置；

正方形内孔堵头的横截面为圆形，内孔为正方形；

六边形堵头的横截面为六边形，内孔为六边形。

再者铸砂钻头内孔和外圆不做成圆的，如图2所示，通过改变钻头内孔和外圆不同的形状，还可以在钻深孔时使钻头有很好的冷却和排屑作用，减小钻孔后中间的芯子直径，让芯子直径小于刀杆内孔直径，可以有效避免芯子卡在刀杆内孔的情况。一般钻头直径小于

每个长钻头装夹好后先用动平衡仪检测钻头的动平衡，要求钻头的动平衡值小于0.5μm，达到此精度要求的才能进行试钻孔深度100mm，钻孔后测量孔的直线度小于0.01mm，孔和孔的平行度小于0.015mm。若检测动平衡值大于0.5μm时则需要调节，调节方法如下：刀杆端部外圆有4个通孔，通孔直径

再者对于毛细孔孔壁光洁度要求更高的，可以采用钻孔完增加扩孔的工艺方法加工，通过设计扩孔钻头的形状结构，在扩孔钻头端部外圆开两个直槽，扩孔时能够很好起到排屑冷却的作用，另外增加扩孔钻头刀杆基体孔壁厚度，提高钻头强度，不会变形，扩孔后能够更好的提高孔的直线度、孔内壁的光洁度，进而提高光学元件的使用精度。

本发明制作的钻头可以根据钻孔后孔壁的光洁度要求选用不同的金刚砂粒度，孔壁光洁度要求不高的铸砂时可选用150#-200#粒度金刚砂，孔壁光洁度要求高的铸砂时可选用300#-400#粒度金刚砂。钻深毛细孔时要先钻4mm深的预钻孔，给要钻的深孔定位，一般预钻孔钻头的直径要比钻孔钻头的直径小0.02-0.04mm最为合适，预钻孔钻完后再用长钻头钻深毛细孔。新钻头或者钻孔大约100-120个孔的钻头，用250#-320#白刚玉油石修磨钻头的端面和外圆，使其锋利。电镀钻头金刚石镀层0.1-0.15mm，钻孔时金刚石镀层磨损后就不能再使用，钻孔数量较少；采用铸砂工艺制作的钻头前端磨削部分都是金刚砂层，整体厚度一般有0.6-0.8mm，长度有5-8mm，所以有很好的耐磨性，例如金刚砂铸砂长度8mm的直径

机床内冷出水系统由多种构件组成，包括内冷泵、溢流阀、精密过滤器、单向阀、电磁控制调压阀、压力表，内冷泵采用浸入式多级增压离心泵，具有压力大压力输出平稳的特点，能够持续保持钻头内冷出水稳定，电磁控制调压阀能够精准控制内冷的出水压力，根据不同直径的钻头，不同的孔壁光洁度要求选用不同的金刚砂粒度，不同的钻孔转速配合进给速度、钻头内冷水的压力等参数相结合，能够加工出高精度的超长毛细孔，提高加工效率和尺寸精度，各参数详细见表1

表1钻孔各参数匹配表

实施例：

制作直径

步骤一：选用外直径

步骤二：按照示图3尺寸加工堵头2，堵头2采用铝芯，堵头2的一端加工直径

步骤三：根据钻头结构选用一个直边的堵头类型，把加工好外圆的基体装夹到机床上，根据图纸尺寸加工一个直边，要求直边到圆柱外圆尺寸0.9mm，加工好后钻头基体就制作完成了；

步骤四：把加工好的基体装夹在工装上，把加工好堵头的那一端朝下插入到装有320#金刚砂的铸砂槽液里，插入深度8mm，刀头铸砂完工尺寸做到

步骤五：把铸砂好的钻头转至磨削工序，用工装把钻头刀杆装夹在电火花外圆磨床上，用杠杆百分表找正刀头铸砂上方刀杆的外圆跳动，要求跳动小于0.05mm，设备设置好参数后开始磨刀头铸砂处外圆，磨轮每一次进刀磨削去除0.05-0.08mm，直到刀头磨削至

步骤六：按照示图5中把制作好的钻头用刀柄4根据所需长度进行装夹，把钻头和刀柄4一起安装在动平衡检测仪上，检测出动平衡的数值，数值小于0.5μm该钻头可正常使用；数值大于0.5μm时，用记号笔标记出钻头偏心的位置。用两个可精密调节高度的固定支架3夹住钻头刀头和刀杆，用螺杆4固定好钻头，在用可调节高度高速钻5上装夹直径

步骤七：动平衡校正好的钻头装夹在机床主轴上，主轴转速1000转/分钟，用300#白刚玉油石修磨刀头铸砂处端面和外圆，修磨5-8次，修好后试钻孔。由于钻头长度较长，不能直接钻孔，要先钻一个深度4mm的预钻孔，要求预钻孔直径要比钻长孔直径小0.02-0.04mm，这样预钻孔能起很好的定心作用，保证长毛细孔的直线度。试孔时用杠杆百分表检测刀头铸砂处跳动，要求小于0.01，钻孔时主轴转速15000转/分钟，钻孔深度150mm，试2个孔后10倍显微镜下查看孔壁的光洁度，孔壁光滑无划痕无明显刀纹则修刀合格；若孔壁粗糙有划痕刀纹则需要使用上述方法继续修磨钻头再试孔，直到孔质量合格。

参见图5，动平衡检测仪包括可调节高度高速钻5、高速钻头6、固定支架7、螺杆4和底座8，可调节高度高速钻5和固定支架7设置在底座8上，固定支架7和螺杆4配合固定空心钢管2，可调节高度高速钻5上设置有高速钻头6，高速钻头6指向空心钢管2。

钻孔时在程序输入M07打开内冷出水系统，输入IN PUT COOLANT[0.4-0.5MPA]，精确控制内冷出水压力。需要更改内冷出水压力时，更改程序中压力的数值。钻孔时配合精密调节的内冷压力，使钻头加工时保持稳定状态，确保钻孔质量的合格。试孔完成后测量孔直径，在钻头上贴上标签，注明钻头规格使用状态，主轴转速、进给速度、内冷压力等，以便正常加工时直接使用。