天然金刚石刀具的刃口机械钝化技术

发布时间：2020-04-28 19:38

【摘要】：天然单晶金刚石具有高硬度、抗磨损和极大的弹性模量,且抗黏结性好,与有色金属等材料间的摩擦系数小,是制作超精密切削刀具的理想材料。目前天然金刚石刀具已广泛应用于精密超精密加工领域,在汽车工业、国防工业、微电子工业等领域都起到了重要作用。因此,如何制造出精度高、使用寿命长、切削质量好的天然金刚石刀具一直是广受学者关注的问题。目前,机械研磨仍然是最主要的天然金刚石刀具制造方法,但是刃磨过后的刀具刃口虽然极其锋利,但会一并出现纳米级豁口、裂纹,因而削弱了刀具耐冲击性,降低了刀具刃口强度,在车削过程中很容易由于机床的振动扩散成大裂纹,加速刀具磨损,甚至产生崩刃现象,导致刀具失效。因此,去除刃口微观缺陷,钝化刃口半径,以提高刃口表面质量和使用寿命,是制备理想天然金刚石刀具的重要一环。本课题将对经过机械刃磨后的天然金刚石刀具再添加一道后续处理工艺,提高刀具使用寿命,即在高精度研磨机床上使用高分子聚合物抛光垫,并在其上涂敷一层含纳米级硬质磨粒的研磨膏,对刀具进行钝化处理以达到在不降低刃口表面质量的前提下提高钝化效率的目的。为达到此目标,本文首先通过分析工况类似的金刚石刀具切削过程中的磨损情况,结合实践经验分析了天然金刚石刀具钝化过程中的可能影响因素,设计了对刀具刃口进行钝化的工艺方法,并搭建了完整的刀具刃口钝化工艺系统,确定重点研究的4个工艺参数,主轴转速w、研磨膏磨粒质量分数y,研磨盘往复运动频率p,刀具摆动速度q;同时提出了6个对刃口钝化过程进行评价的指标,分别为钝化后刃口钝圆半径R、钝化后刃口轮廓算术平均偏差Ra和轮廓最大高度Ry、表面质量提升指标l、材料去除效率指标e、微观缺陷评价指标f。然后,本文采用该系统进行可行性验证实验,由实验结果可知采用研磨膏和抛光垫相结合的工艺方法对天然金刚石刀具进行机械研磨,确实可以起到较好的钝化效果;并基于控制变量法多次实验,确定最适宜钝化的工艺条件为磨粒尺寸30nm的Si O2研磨膏、无沟槽的530N7501抛光垫;此外,本文根据刃口钝化后的拉曼光谱和钝化过程中的实验现象,得出钝化过程中材料去除机理:主轴的高速平稳旋转及软质抛光垫的良好消振为刀具钝化过程提供了高温稳定的反应环境,刃口与研磨膏磨粒、抛光垫的高分子聚合物充分接触,其表层碳原子具有更高能量,进而吸附官能团和聚合物并在摩擦过程中脱离刃口;同时其表层碳原子将产生持续的非晶化过程,因硬度变低可受磨粒微切削作用而脱离刃口表面。最后,本文明确了整个钝化过程中影响钝化质量及钝化效率的全部工艺参数,通过钝化实验获取训练数据,并基于Matlab神经网络工具箱,建立三层径向基函数的钝化工艺参数模型,可在已知钝化时间、钝化工艺参数、初始刀具状态的前提下,得到钝化后刃口钝圆半径R、钝化后刃口轮廓表面平均偏差Ra、表面质量提升指标l、材料去除效率指标e共四个评价钝化质量及钝化效率的指标,最后,分析了求解最优工艺参数组合所需满足的优化目标和边界条件,得出钝化质量最优的工艺参数组合为t=19min、w=1800rpm、y=60%、p=0.312Hz、q=9°/s,此时钝化后的刃口表面质量达到最佳,Ra_(min)=0.6422nm;钝化效率最高的工艺参数组合为t=22min、w=3600rpm、y=55%、p=0.245Hz、q=15°/s,此时钝化过程中的材料去除速率最大,e_(max)=156.7141 nm~2/min。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG711

【参考文献】