金刚石材料逆向磨损去除加工的研究

发布时间：2018-05-12 07:09

本文选题：金刚石磨损去除 + 铁系金属材料　；参考：《吉林大学》2016年博士论文

【摘要】：金刚石作为自然界一种特殊的材料,以其独特的机械、力学、热学、光学和电学等诸多方面的性能,在众多领域中有着越来越广泛的应用。同时,几乎所有的金刚石元件,都需要被加工成所要求的尺寸和结构,因此,如何高效、高质量、低成本的加工出所需的金刚石零件成为学术界研究的热门内容。目前,现有的加工金刚石的方法主要有:化学气相沉积法、微刻蚀和抛光等方法,但是这类方法均存在着如加工效率低、工艺方法复杂、成本高等不足,因此,需要研究一种加工金刚石的方法,以克服上述不足。众所周知,金刚石刀具在加工铁系金属材料时,金刚石刀具在高温高压下会发生剧烈的磨损,那么以此为依据,将铁系金属材料作为加工工具来加工金刚石工件,在理论上是可行的。本文旨在提出并研究一种将铁系类金属材料作为加工工具,对金刚石材料进行逆向磨损去除的加工方法,以最终获得所定义的金刚石工件的尺寸和结构。因此,本文对金刚石材料逆向磨损去除加工做了初步的应用基础研究,主要内容如下:1.评述了现有的化学气相沉积法、微刻蚀和抛光等用于加工金刚石材料的方法,介绍了金刚石作刀具的磨损机理及控制方法以及Nakamoto教授和Brinksmeier教授的研究工作。2.从分子动力学角度对金刚石材料逆向磨损去除加工进行了模拟分析。提出并分析了工件“表面织构”及其“尺寸效应”对加工过程的影响,研究表明被加工工件材料的原子尺寸大小和表面粗糙度值的大小决定了工件的表面织构,工件表面越粗糙,表面织构的“尺寸效应”亦即对加工过程的影响就越明显;通过观察模拟的切削过程,分析了逆向磨损去除加工过程中金刚石工件和加工工具材料内部晶格结构的演变过程和规律,以及切削力的变化过程,并以此为依据从分子动力学的角度揭示了逆向磨损去除加工中金刚石工件的材料去除机制;通过改变切削工艺参数,对切削过程进行分子动力学仿真,揭示了切削工艺参数对切削力的影响规律。3.设计并研制了一种用于测量嵌入式微小型工件切削量的测量装置,该装置用于测量金刚石工件的材料去除量,进而可计算出单位时间的材料去除率。提出了通过测量位移的变化量来测量材料去除量的测量原理,设计了装置的整体结构和布局,设计或选择了测量装置的相关元件,并对该装置的关键元件进行了有限元分析,以证明设计的合理性。在完成搭建测量系统后,对测量装置进行了测试实验,实验结果证明该装置满足设计要求,能够完成金刚石工件材料去除量的测量工作。4.研究了金刚石材料逆向磨损去除加工中加工过程的影响因素及其规律。主要针对加工工具转速、进给量和切深等切削工艺参数,以及不同的铁系金属材料对金刚石工件的材料去除率、切削力和表面粗糙度的影响规律。研究表明加工工具转速的大小对金刚石工件的材料去除率影响是十分显著的,以45#钢作为加工工具,当加工工具转速为1000r/min时,金刚石工件的材料去除率较小,仅为0.001mm/min,而当加工工具转速为2000r/min和3000r/min,金刚石工件的材料去除率分别可达到0.037mm/min和0.059mm/min。加工时要选择较低进给量(f=0.001mm/r)和较小的切深(dc=0.03mm),以防止损坏金刚石工件;对比了20#钢、45#钢和T10钢对金刚石材料去除率的影响。研究结果表明:20#钢无法对金刚石工件实现有效的去除,T10钢仅适用于切深较小的工况(dc=0.01mm),其在此工况下所获得的金刚石工件的材料去除率略小于45#在切深dc=0.03mm的材料去除率;所测得的切削力呈明显的周期性变化,其周期的数值等于主轴的回转频率的数值,说明这一现象是由机床主轴的几何精度和误差等因素引起的,同时这一现象也会影响被加工的金刚石工件的精度;针对45#钢和T10钢两种铁系金属材料,对所加工的金刚石工件的表面粗糙度的影响进行了研究,研究结果表明:以T10钢作为加工工具时,由于其切深较小,所加工的金刚石工件的表面粗糙度略优于以45#钢作为加工工具时的情况。同时,实验结果证明了多次加工可提高工件的表面质量。5.通过实验研究,揭示了含有H原子的物质作为独立辅助介质对逆向磨损去除加工中加工过程的影响。根据不同的含有H原子的物质的属性,选择水蒸汽和H2O2作为实验所用的含有H原子的辅助介质。实验研究验证了在加工金刚石的过程中,在切削区域注入大量的高温水蒸汽,可以显著提高金刚石的材料去除量和材料去除率,亦即验证了含有H原子的辅助介质可以提高逆向磨损加工中金刚石工件的材料去除率。注入水蒸汽后,在加工工具转速为1000r/min、2000r/min和3000r/min时,金刚石工件的材料去除率分别为0.004mm/min、0.051mm/min和0.082mm/min,与未加入辅助介质的情况相比,分别提高了3倍、37.84%和38.98%。同时,在注入水蒸汽后,金刚石工件的表面粗糙度的值也略有降低为0.468μm。小剂量的H2O2对金刚石工件的材料去除量和去除率影响很小,大剂量的H2O2是否对金刚石逆向磨损去除加工的加工过程有影响有待进一步验证。本文将为金刚石逆向磨损去除加工提供基本的工艺理论,为提高金刚石的材料去除率提供新的基本方法,为加工金刚石材料提供一种高效低成本的方法,对于创新性的解决金刚石材料的加工有重要意义。
[Abstract]:This paper presents and studies the process of removing the diamond workpiece from the angle of molecular dynamics . The effect of machining tool rotating speed on the removal rate , cutting force and surface roughness of diamond workpiece is studied . The results show that the material removal rate of diamond workpiece is 0.037mm / min and 0.059mm / min . The results show that the material removal rate of diamond workpiece can be 0.037mm / min and 0.059mm / min . The results show that the machining tool speed is 2000r / min and 3000r / min . At the same time , after injecting water vapor , the surface roughness of diamond workpiece is reduced to 0.468 渭m . The effect of small dose H2O2 on the removal and removal rate of diamond workpiece is very small .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ163

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