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《哈尔滨工业大学》 2015年
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高精度天然金刚石刀具可控刃磨的若干问题研究

杨宁  
【摘要】:超精密机械加工技术在机械制造对高精度的追求中应运而生。超精密机械加工技术是一项复杂的系统性技术,其中的刀具技术对于最终实现工件材料的切削无疑至关重要。目前在已知的工程材料中金刚石是唯一适合用于超精密机械加工的刀具材料。从制作天然金刚石刀具的经济效益和可达到的加工水平看,机械研磨具有绝对的优势。金刚石刀具的研磨涉及具体的研磨工艺技术问题,同时也涉及相关摩擦磨损理论问题。高精度的圆弧刃天然金刚石刀具研磨技术在现代航天等尖端技术发展的需求下已出现在国外的企业中,作为商业机密不为外人所知。金刚石的机械研磨是一项悠久的技艺。金刚石摩擦磨损的科学研究始于20世纪20年代,限于观测技术匮乏,直到1999年金刚石碳原子的非晶化现象才被实验证实,而到了2010年研究人员才对金刚石磨损的各向异性本质做出了解释。金刚石刀具研磨中的磨损源于碳原子的非晶化,非晶化的碳原子形成非晶层并最终被去除掉。作为对金刚石刀具研磨的材料去除机理及工艺技术的进一步研究,本文展开了相关的理论和工艺研究,如下所述:1)通过建立金刚石研磨在微观尺度上的分子动力学仿真模型,从碳原子受力的角度对非晶层形成速率的各向异性给予了解释,同时通过分析碳原子的速度、非晶层的密度和不同杂化类型碳原子的含量沿非晶层厚度方向的分布,揭示了非晶层内部的亚层结构、晶格的变形和碳原子非晶化转变的顺序;2)给出了一种确定研磨方向所在晶向的方法。基于该方法通过实验测得了特定晶向上金刚石在不同研磨速度和接触压强条件下的磨损率,即单位时间内金刚石工件的磨损厚度,发现了金刚石磨损可分为非线性和线性两个阶段。分析了研磨速度和接触压强对非线性段经历的时间的影响。通过分析线性阶段金刚石磨损的规律,依据金刚石碳原子非晶化理论和接触力学理论建立了金刚石磨损率的模型,并做了验证;3)通过实验研究了研磨方向对金刚石研磨表面形貌的影响,并从不同研磨方向上碳原子非晶化的速率和能量角度给予了解释。以此为基础,并应用遗传算法,提出了一种可以得到较好表面粗糙度的金刚石平面研磨的研磨运动设计方法。进一步地,借助小波分析方法比较了3类研磨运动(基本型——仅有主轴转动、2自由度型——在主轴转动的基础上再添加往复运动和3自由度型——在主轴转动的基础上再添加往复运动和行星运动)所得研磨表面形貌之间的差异;4)基于前述研究对金刚石磨损率的认识,针对圆弧刃金刚石刀具后刀面上各点所处晶面晶向各异的特性,提出了后刀面材料去除量各向异性控制的新刃磨工艺方法。同时,给出了后刀面材料去除量的实验测试方法,并分析了测量误差。最后,通过实验验证了所述刃磨工艺方法和测量方法的有效性。本文在金刚石摩擦磨损相关理论研究的基础上以研磨运动的设计为切入点进行工艺研究。本文的研究深化和拓展了对金刚石摩擦磨损的理论认识,同时为金刚石刀具研磨加工的研磨运动设计工艺提供了必要的技术参考。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG71

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