[發(fā)明專利]超精密加工中多物理場(chǎng)作用抑制單晶金剛石刀具磨損方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010129448.5
• 申請(qǐng)日: 2010-03-22
• 公開（公告）號(hào): CN101817694A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 房豐洲;張宏偉;仇中軍;胡小唐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B41/00
• 分類號(hào): C04B41/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國(guó)威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超精密加工過程中抑制單晶金剛石刀具磨損，具體涉及超精密切削加工中多物理場(chǎng)作用抑制單晶金剛石刀具磨損方法。

背景技術(shù)

單晶金剛石刀具被廣泛應(yīng)用于超精密切削加工中，已成為制作高精度光學(xué)器件和高精度模具的重要加工方法。然而在加工黑色金屬，特別是加工用途最廣的工程材料——鋼鐵材料時(shí)，刀具的化學(xué)磨損現(xiàn)象非常明顯。研究表明，刀具化學(xué)磨損的決定性因素是金剛石發(fā)生了某種固態(tài)相變，又稱為金剛石的石墨化。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外研究人員一直致力于分析研究其磨損形態(tài)和磨損機(jī)理，并提出了一些抑制單晶金剛石刀具磨損的方法，但效果都不十分理想。這些方法基本上可以分為三種類型：刀具材料特殊處理、加工材料特殊處理以及加工過程的改善。

從改善刀具入手，如采用保護(hù)涂層，利用TiN、TiC建立擴(kuò)散屏障等方法。德國(guó)WZL實(shí)驗(yàn)室的Klocke等人使用物理氣相沉積法在金剛石表面形成TiN保護(hù)層，也是從材料化學(xué)角度進(jìn)行嘗試。但涂層附著力和硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及金剛石基體，加工過程中同工件接觸的刀具涂層部分非常容易磨損，對(duì)最終金剛石刀具磨損的改善作用很小，實(shí)際應(yīng)用的意義有限。

從改善加工材料入手，德國(guó)不萊梅大學(xué)E.Brinksmeier的研究組和天津大學(xué)房豐洲研究組等從對(duì)材料熱處理的工藝入手，嘗試使用在鋼鐵材料表面進(jìn)行滲氮處理得到較好效果。但是將其應(yīng)用于工程實(shí)際中還存在一定難度。

從改善加工過程入手，研究人員嘗試采用超低溫環(huán)境切削、在氮或氬等的保護(hù)氣體氣氛中加工或引入刀具超聲振動(dòng)等方法。美國(guó)C.Evans等利用液態(tài)氮及低溫夾頭系統(tǒng)冷卻金剛石刀具，使其在-140℃左右溫度下切削不銹鋼零件，由于只考慮了溫度因素對(duì)金剛石刀具磨損的影響，所以抑制磨損的效果有限。美國(guó)加利福尼大學(xué)Lawrence?Livenmore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用甲烷氣體作為保護(hù)氣，在碳飽和條件下進(jìn)行加工試驗(yàn)，取得了一定的效果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)袁哲俊等采用將霧化的液氮注入切削部位的方法，從試驗(yàn)結(jié)果上看也起到了一定的改善效果。然而，這些超低溫和加入保護(hù)氣體的方法一般不適合于大批量加工生產(chǎn)中推廣使用。日本神戶大學(xué)Moriwaki和Shamoto等采用了超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)，這種方法對(duì)金剛石刀具磨損的改善相比其他方法而言更為成功。通過沿切削方向?qū)Φ毒呒尤氤曊駝?dòng)來切削不銹鋼零件，或者加入橢圓振動(dòng)的方法來切削淬硬鋼零件，取得了很好的效果。但由于超聲振動(dòng)會(huì)對(duì)工件表面引入波紋，從而影響了加工后表面的粗糙度，很難獲得光學(xué)級(jí)表面，而且加工曲面時(shí)精度很難保證。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)等也都開展了超聲振動(dòng)輔助的方法進(jìn)行單晶金剛石刀具加工鋼鐵材料的研究，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果還需進(jìn)一步改進(jìn)。除此以外，德國(guó)不萊梅大學(xué)E.Brinksmeier課題組采用超低溫、保護(hù)氣體和超聲振動(dòng)三種方法相結(jié)合來試驗(yàn)，但同單獨(dú)引入超聲振動(dòng)比，數(shù)據(jù)上改善不明顯。

以上提到的方法中，無論是對(duì)待加工材料表面進(jìn)行滲氮處理、加工區(qū)域充入惰性氣體，或者刀具的超聲振動(dòng)，都不能從根本上解決批量加工生產(chǎn)中刀具磨損的問題，到目前為止仍未發(fā)現(xiàn)一種有效抑制或減緩納米切削加工過程中單晶金剛石刀具磨損的實(shí)用方法。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于單晶金剛石超精密切削加工的多物理場(chǎng)作用方法，抑制黑色金屬材料切削過程中出現(xiàn)的金剛石刀具磨損，為黑色金屬材料的超精密切削研究開辟了一條新的道路。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：在金剛石刀具周邊施加物理場(chǎng)，物理場(chǎng)是電場(chǎng)、磁場(chǎng)或者激光誘導(dǎo)或輻射，通過形成較低能量狀態(tài)的位錯(cuò)形式，改變晶體界面構(gòu)造和界面能，使納米級(jí)精度切削過程中的材料發(fā)生固態(tài)相變，從而改善材料的切削性能，抑制超精密加工中單晶金剛石刀具的磨損。

所述的在金剛石刀具周邊施加物理場(chǎng)的加載方式是：圍繞金剛石刀具周邊布設(shè)一個(gè)或多個(gè)小型物理場(chǎng)加載執(zhí)行元件，各加載元件附著在金剛石刀具上與金剛石刀具同時(shí)運(yùn)動(dòng)；還使用微處理器控制電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組合后的一個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)加載單元的空間位姿變換，使一個(gè)或多個(gè)小型物理場(chǎng)加載執(zhí)行元件能夠根據(jù)具體的加工對(duì)象和加工環(huán)境進(jìn)行相對(duì)于金剛石刀具的空間位姿調(diào)整；還根據(jù)物理場(chǎng)加載執(zhí)行元件的屬性設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)發(fā)生電路或調(diào)制電路，信號(hào)發(fā)生電路或調(diào)制電路用于向物理場(chǎng)加載執(zhí)行元件提供不同頻率、不同相位和不同幅度的激勵(lì)信號(hào)。