微圆弧金刚石刀具FIB加工工艺与SPH方法切削仿真的研究
发布时间：2021-09-01 04:54
圆弧刃金刚石刀具作为超精密切削加工中的重要组成部分,其刃磨质量将直接影响到对材料的加工质量和刀具的使用寿命。目前金刚石刀具刃磨工艺还存在较大的发展空间,常规的刃磨方法——机械研磨法是目前比较成熟且是唯一的批量生产手段,其他的特种加工手段如聚焦离子束（Focus Ion Beam,FIB）刻蚀法正处于研究阶段。本课题围绕金刚石刀具FIB刻蚀工艺展开了详细研究,提出了基于FIB的微圆弧刀具加工可行性方案,同时辅以SPH切削仿真的手段对金刚石刀具的切削参数展开了相关研究。在FIB刻蚀法中,离子束的参数选择、离子束聚焦的优化和加工方式与步骤是控制刀具刻蚀质量的重要因素。目前对于使用FIB加工圆弧刃的金刚石刀具的研究十分稀少,因此本课题选择以金刚石刀具的FIB刻蚀工艺为研究重点,对FIB刻蚀中的离子电压、束流强度、驻留时间、加工角度等参数开展了仿真和实验研究。在仿真与实验的研究基础上,制定了圆弧刃金刚石刀具的FIB刻蚀方法,并在一把圆弧刃刀具的基础上成功加工出了带有齿形微结构的刀具,对其进行粗糙度的测量,对比机械研磨法制备的金刚石刀具后刀面粗糙度,两者粗糙度均良好,验证了FIB刻蚀加工金刚石刀具...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超精
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题研究背景和意义自20世纪60年代起，精密、小型化产品（如集成电路）和航空航天等尖端技术的需求日益提高，超精密加工技术从中起到了越来越重要的作用。超精密加工技术在民用领域影响着我们的生活，如隐形眼镜片、计算机的芯片、用于屏幕投影和太阳能聚光等多处用途的菲涅尔透镜等[1]，微纳米级别的加工产品已经融入了现代社会中。a)隐形眼镜片b)计算机芯片c)菲涅尔透镜图1-1超精密加工产品由于加工尺度太小，超精密加工质量受到各种因素的影响会更大，如精密加工车床、刀具或砂轮、加工方法和参数、加工的对象、夹具和外界环境等[2]。在超精密切削中，作为直接接触被加工材料的车刀，其切削刃质量决定了加工质量。一般选择天然单晶金刚石作为超精密切削车刀材料，主要得益于其自身的良好物理化学特性，如高硬度、耐磨能力高、导热能力良好等。目前，我国的超精密加工研究深度不及发达国家，国产金刚石刀具的质量不高，而国外对我国也存在技术封锁，从国外进口高质量的刀具成本颇高。因此，提升超精加工工具制造工艺对于国家发展是有着重要意义的。金刚石刀具的制备方法主要有：机械研磨法、热化学抛光法、激光刻蚀法和离子束刻蚀法等[3]，目前机械研磨法是最成熟且应用最广泛的。特种加工方法目前虽无法用于生产，但各有优点，还有很大的研究空间和研究价值。金刚石刀具的制备过程中，往往存在微观损伤。刃磨损伤影响其加工性能和使
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-度小于动态脆塑转变临界深度，便发生塑性去除。李增强[10]用分子动力学研究金刚石的材料去除机理，仿真中金刚石磨粒在金刚石表面滑动，一部分的碳原子从sp3杂化轨道转变为sp2，金刚石相变成了无定型碳，而在实验中也在其表面测量出了石墨相的存在。由此提出了难磨方向和易磨方向与周期键链有关的结论。由于周期键链上的原子相互作用以拉压为主，结合实验可推断易磨方向主要产生相变，难磨方向主要发生微观破损。研磨盘加工金刚石刀具时会产生不连续冲击，造成微缺陷，在一定程度上影响了刀具性能。对于圆弧刃金刚石刀具成品质量，有几项主要参考指标：刃口钝圆半径（锋利度）、前后刀面粗糙度和刃口微缺陷程度。张豪兵[11]对金刚石刀具刃磨的影响因素设计了正交试验，分析刀具质量（表面粗糙度、锋利度、单位长度内微观缺陷长度等）的变化规律，得出刀具性能参数受各因素的权重，从弹性力学和有限元仿真的角度分析了刃磨过程中刀具的应力分布，利用数学、力学模型成功预测了指定加工条件下的微观缺陷。秦子龙[12]使用SEM对机械研磨加工的金刚石刀具进行检测，详细展示了多种微观损伤形式，包括鱼鳞状或台阶状解理、裂纹扩展形成的凹槽、裂痕及锯齿状畸变线和刻滑点除等。a)刻滑点除b)鱼鳞解理c)链型裂纹d)解理台阶e)Y型裂缝f)倒三角锥裂坑图1-2金刚石刀具刃磨损伤形式[12]
本文编号：3376299
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超精
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题研究背景和意义自20世纪60年代起，精密、小型化产品（如集成电路）和航空航天等尖端技术的需求日益提高，超精密加工技术从中起到了越来越重要的作用。超精密加工技术在民用领域影响着我们的生活，如隐形眼镜片、计算机的芯片、用于屏幕投影和太阳能聚光等多处用途的菲涅尔透镜等[1]，微纳米级别的加工产品已经融入了现代社会中。a)隐形眼镜片b)计算机芯片c)菲涅尔透镜图1-1超精密加工产品由于加工尺度太小，超精密加工质量受到各种因素的影响会更大，如精密加工车床、刀具或砂轮、加工方法和参数、加工的对象、夹具和外界环境等[2]。在超精密切削中，作为直接接触被加工材料的车刀，其切削刃质量决定了加工质量。一般选择天然单晶金刚石作为超精密切削车刀材料，主要得益于其自身的良好物理化学特性，如高硬度、耐磨能力高、导热能力良好等。目前，我国的超精密加工研究深度不及发达国家，国产金刚石刀具的质量不高，而国外对我国也存在技术封锁，从国外进口高质量的刀具成本颇高。因此，提升超精加工工具制造工艺对于国家发展是有着重要意义的。金刚石刀具的制备方法主要有：机械研磨法、热化学抛光法、激光刻蚀法和离子束刻蚀法等[3]，目前机械研磨法是最成熟且应用最广泛的。特种加工方法目前虽无法用于生产，但各有优点，还有很大的研究空间和研究价值。金刚石刀具的制备过程中，往往存在微观损伤。刃磨损伤影响其加工性能和使
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-度小于动态脆塑转变临界深度，便发生塑性去除。李增强[10]用分子动力学研究金刚石的材料去除机理，仿真中金刚石磨粒在金刚石表面滑动，一部分的碳原子从sp3杂化轨道转变为sp2，金刚石相变成了无定型碳，而在实验中也在其表面测量出了石墨相的存在。由此提出了难磨方向和易磨方向与周期键链有关的结论。由于周期键链上的原子相互作用以拉压为主，结合实验可推断易磨方向主要产生相变，难磨方向主要发生微观破损。研磨盘加工金刚石刀具时会产生不连续冲击，造成微缺陷，在一定程度上影响了刀具性能。对于圆弧刃金刚石刀具成品质量，有几项主要参考指标：刃口钝圆半径（锋利度）、前后刀面粗糙度和刃口微缺陷程度。张豪兵[11]对金刚石刀具刃磨的影响因素设计了正交试验，分析刀具质量（表面粗糙度、锋利度、单位长度内微观缺陷长度等）的变化规律，得出刀具性能参数受各因素的权重，从弹性力学和有限元仿真的角度分析了刃磨过程中刀具的应力分布，利用数学、力学模型成功预测了指定加工条件下的微观缺陷。秦子龙[12]使用SEM对机械研磨加工的金刚石刀具进行检测，详细展示了多种微观损伤形式，包括鱼鳞状或台阶状解理、裂纹扩展形成的凹槽、裂痕及锯齿状畸变线和刻滑点除等。a)刻滑点除b)鱼鳞解理c)链型裂纹d)解理台阶e)Y型裂缝f)倒三角锥裂坑图1-2金刚石刀具刃磨损伤形式[12]
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