金刚石单晶刀具的设计及制备

I摘要本文首先结合一定的理论知识，设计并优化刀具的工艺参数，其中主要包括刀具的基本组成、刀具的切削角度、刀具几何参数的合理选择和单晶金刚石的晶形及特点，为刀具的制备奠定了理论基础。然后根据学校和企业现有的条件，设计出金刚石单晶刀具的工艺流程，从而制备出所需的刀具。其主要制作工序分为五部分：选料，定向，刀杆的线切割与粗磨，钎焊，刀具的粗磨、精磨和检验。而在刀具的制备过程中，对钎焊温度和恒温时间这两个工艺参数进行了探索研究，确定了钎焊时的最佳工艺为钎焊温度850℃，恒温时间为15min。为了研究金刚石单晶刀具切削镁铝合金后刀具的磨损机理，本文设计了三因素三水平的正交实验，其中三因素分别是指刀具前角、主轴转速和进给量。根据设计的正交实验表，制作了九把刀，进行了九次实验。每次切削后通过立式显微镜对切削前后的金刚石单晶刀具进行了检测，获得了刀具前刀面磨损的形貌图，并测得被加工材料的表面粗糙度和刀具前刀面的磨损带宽度值。对正交实验结果进行了极差分析，可得知在金刚石单晶刀具切削镁铝合金时，对被加工材料的表面粗糙度有显著影响的是转速。表面粗糙度随刀具前角和进给量的增加而增大，而转速在3000r/min以上时，表面粗糙度也呈上升趋势。而对刀具磨损影响最主要的因素是刀具前角，其次是转速，最后是进给量。在金刚石刀具的切削过程中，刀具的磨损量当然是越小越好，所以获得了金刚石单晶刀具车削镁铝合金时刀具磨损量较小的最优工艺参数组合：前角10°、转速3900r/min、进给量0.1mm/r。金刚石单晶刀具在最优工艺参数组合下车削镁铝合金，通过对磨损后刀具前刀面形貌特征的分析，发现刀具的刃口发生了轻微磨损，并伴有崩刃和断裂迹象，刀具的前刀面出现了磨损划痕，形成了微沟槽，并发生了缺口破损。这说明刀具的主要磨损形式是机械摩擦磨损。关键词：金刚石单晶刀具；几何参数；镁铝合金；钎焊；磨损机理IIAbstractFirst,thispapercombineswiththecertaintheoreticalknowledge,designsandoptimizestheprocessparametersofthecutter,whichmainlyincludesthebasicpartsofthecuttingtool,theselectionofpropercuttingangleofthecutter,thereasonablechoiceofgeometryparametersofthecuttingtoolandthecrystalshapeandcharacteristicsofsinglecrystaldiamond.Itlaidatheoreticalbasisforthepreparationofcuttingtool.Then,accordingtotheexistingconditionoftheschoolandtheenterprise,theprocessofsinglecrystaldiamondcutterisdesignedandthecuttingtoolisprepared.Themainproductionprocessisdividedintofiveparts:choosingmaterial,directional,thecuttingandcoarsegrindingoftoolrod,brazing,thecoarsegrinding,finegrindingandinspectionofthecuttingtool.Andintheprocessofpreparingtools,thebrazingtemperatureandconstanttemperaturetimewerestudied,whichdeterminesthebesttechnologyofthebrazingforbrazingtemperature850℃,constanttemperaturetimeof15min.Inordertostudythewearmechanismofthesinglecrystaldiamondcutteraftercuttingmagnesiumalloy,thispaperdesignsorthogonalexperimentincludingthreefactorsandthreelevels.Thethreefactorsrespectivelyisreferstotherakeangleofcuttingtool,spindlespeed,andfeed.Accordingtoorthogonalexperimenttable,nineexperimentswerecarriedout.Aftereachcutting,singlecrystaldiamondcuttingtoolsweredetectedbeforeandaftercuttingthroughverticalmicroscope.Thetopographyfiguresofcuttersurfacewearweregained,andthesurfaceroughnessoftheprocessedmaterialandthewidthvaluesofcuttersurfacewearweremeasured.Theresultoftheorthogonalexperimentcanbemaderangeanalysis,whichcanlearninthesinglecrystaldiamondcuttercuttingmagnesiumalloy,thespindlespeedhasasignificanteffectonthesurfaceroughnessoftheprocessedmaterial.Surfaceroughnessincreasessignificantlywiththeincreaseofthecuttingtoolrakeangleandfeed,andatthetimeofthemorethan3000r/minspeed,thesurfaceroughnessisalsoontherise.Andthemaininfluencingfactorsontoolwearisrakeangleofcuttingtool,thesecondisspindlespeed,thelastisfeeding.Inthecuttingprocessofdiamondtool,toolwearvolumeisassmallaspossible,sowhenthesinglecrystaldiamondtoolcutsmagnesiumalloy,theoptimalprocessparameterscombinationofthesmallesttoolwearisrakeangle10°、spindlespeed3900r/min、feeding0.1mm/r。Whenthesinglecrystaldiamondtoolcutsmagnesiumalloyintheoptimalprocessparameterscombination,throughanalyzingthewearmorphologycharacteristicsofthecutterIIIbladesurface,itisfoundthatcuttingtoolhasamildwearandaccompaniesbysignsofthedissociationandfracturewear.Thetoolrakefacehaswearscratches,andformthemicrogroovesandthegapofdamage.Thisshowsthatthemainwearformofcuttingtoolismechanicalfrictionwear.Keywords:Singlecrystaldiamondcuttingtool;Geometryparameters;Magnesium-aluminumalloy;Brazing;Wearmechanism河南工业大学硕士学位论文11绪论1.1引言随着二十一世纪新科技发展和工业技术的进步，我们对机械零件加工精度、表面切削的完整性要求越发的严格。超精密机械零件加工工艺技术的工艺精度也要求的越来越高，目前的加工精度能高达几十纳米，与此同时表面加工粗糙度也达到了几个纳米，这些高达纳米级别的工艺在国防和航天及其新型装备等高尖端产品制造领域得到广泛的应用。金刚石单晶刀具加工的工件光洁度非常高，几乎能达到镜面效果，因此在超精密加工中常常使用金刚石单晶刀具来进行超精密切削，例如军工用品中的陀螺仪、反射镜和透镜、精密仪器仪表等都可以用金刚石单晶刀具来加工。通常来讲单晶金刚石可区分成为两种，即天然与非天然合成金刚石，后者也称之为人工金刚石。总所周知，在自然界中，纯天然金刚石是极其稀少的，而且分布也极其不均匀。截至目前，全球能够找到具有商业价值的金刚石矿床也只有仅仅27个国家。虽然世界天然金刚石近年有较大幅度增长，但仍然远远满足不了全球经济发展的需要。因此人造金刚石的出现正好弥补了产销之间的巨大差额。据称，人造金刚石在世界实际金刚石消费中约占80﹪。因此，金刚石的人工合成研究对人类科技的发展是很重要的。非天然金刚石的人工合成工艺的研究，其实就是在不断探索天然金刚石化学成分的过程中完成的。十七世纪后半期，牛顿提出“金刚石必定是可燃的”这一结论，英国化学家波义耳经实验证实了这一结论。十八世纪末，科学家们发现金刚石和石墨是由碳元素组成的，为人工合成金刚石迈出了艰难的第一步。十九世纪末，法国化学家穆瓦桑和俄国矿物学教授赫鲁晓夫做了一系列的高温实验得到了类似金刚石的晶体，但在后来的工作中证明他们所制成合成物不可能是金刚石，然而他们的研究却为后人积累了宝贵经验。1954年12月8日，美国GE公司的研究发展中心首席科学家霍尔（H·T·Hall）与本迪（F·P·Bundy）等人首次成功地从石墨和含碳物质的金属熔体中提炼合成非天然金刚石，这是当时世界所认可的第一颗人造金刚石，他们的成功在人工合成金刚石领域做出了巨大的的贡献，同时推动了金刚石人工合成工艺的发展研究。应该指出的是，就在几个月前，瑞典的斯德哥尔摩ASEA科学实验室已经有科学家采用高温高压方法，在金属催化剂的作用下，得到了由石墨转变而成的人工金刚石，但当时并没有申请专利，也就此没有及时公布于世人。所以才有后来的美国科学家捧得了首次合成人工金刚石的殊荣。此后短短的几年时间，人造金刚石的合成即已投入商业生产[1]。河南工业大学硕士学位论文2我国人工合成金刚石的研究比国外的起步要晚，但发展较快。1963年12月，我国成功研制了第一颗人造金刚石，其原料是高纯石墨粉，触媒是镍铬合金，在两面顶超高压的国产装置上合成成功的；从1964年4月开始，我国自主研发的6×6MNDS-023A型铰链式六面顶压机成功问世；第二年8月，六面顶压机也研制成功；第三年7月已经正式投入使用同时进行金刚石合成工艺试验，就在这一年时间内，人造金刚石的产量达到一万克拉以上；1969年，仅六年的时间，我国第一个人造金刚石及其制品的专业化生产厂——第六砂轮厂投产[2]，发展之迅速，令国人之震惊。而在机理研究方面，我国在二十世纪六十年代就已制造出耐热性好、无色透明、抗压强度高的人造金刚石；进入九十年代，我国研究合成了金刚石薄膜，使人工合成金刚石的工艺达到了一个新阶段。此后十年时间，全国范围已全面展开对金刚石的生产，与此同时，以6×6MN六面顶设备为特色，我国的人造金刚石工业体系已经成型。1.2金刚石单晶刀具的概述1.2.1金刚石分类及其性质我们比对氮杂质在金刚石晶体中的成分差异，将金刚石分为三种类型，即Ia、Ib、IIa和IIb型。如表1所示[3-5]。表1金刚石分类及其性质I型金刚石II