[實用新型]一種用于金剛石刀具切削黑色金屬的裝置

有效

• 申請號: 201320805287.6
• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN203578791U
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 徐文驥;劉新;黃帥;陳發澤;金洙吉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23B25/00
• 分類號: B23B25/00;B23Q11/10
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術領域

本實用新型涉及一種用于金剛石刀具切削黑色金屬的裝置，屬于機械制造的切削工藝技術領域。

背景技術

金剛石刀具有硬度高、導熱性好等特性，可磨制成刃口極其鋒利的超精密切削刀具。但其與Fe原子的高化學親和性導致切削黑色金屬時易發生石墨化，產生嚴重的化學磨損，難以應用于黑色金屬超精密切削中。

利用超聲振動輔助切削黑色金屬，刀具磨損有較大改善，但超聲振動產生的振紋限制表面質量的提高。利用液氮冷卻可有效抑制金剛石化學磨損，但工件因冷卻變形難以達到較高精度。對黑色金屬表面滲氮后進行金剛石切削可減輕刀具磨損，但預處理引起工件變形等問題難以規避。上述方法雖可實現改善金剛石刀具磨損，但也改變了工件表面性能。

公開號為CN102059350A的實用新型專利介紹了一種使用干式靜電冷卻的切削方法，干式靜電冷卻技術是將經過電暈放電處理的空氣流作為切削區潤滑冷卻介質的綠色加工技術。離子化空氣流中的活性粒子作用在工件表面可減小材料的塑性變形抗力，同時刀-工接觸區所形成的邊界薄膜和鈍化層降低了摩擦力，使切削力大幅度降低。但干式靜電冷卻技術中空氣的電離程度很低，氣流中的活性粒子濃度也較低，無法達到更好的效果。

冷等離子體是一種宏觀溫度較低的等離子體，富集大量的離子、電子、激發態原子、分子及自由基等活性粒子，因此，更易于和所接觸的材料表面發生反應。冷等離子體射流是將微小空間內的等離子體放電引出形成的射流狀冷等離子體，其離子和亞穩態原子濃度較高、電子溫度高、宏觀溫度低、均勻部分較大、可控性好，方便應用于小范圍或局部處理。切削加工時，冷等離子體中的活性粒子在復雜的熱和力作用下易與新生黑色金屬表面反應生成與金剛石化學親和性低的物質，同時黑色金屬表面吸附的活性粒子可阻止金剛石刀具與黑色金屬直接接觸，抑制金剛石刀具的化學磨損。

另外，裸電極在大氣壓下放電產生冷等離子體，可防止電極與工件放電。石墨針裸電極放電可產生含有活性碳粒子的冷等離子體射流，切削加工時，射流中的活性碳粒子聚集在金剛石刀具與黑色金屬的接觸界面，碳飽和環境有利于減弱金剛石石墨化。

超聲振動輔助切削可避免刀具與工件的高頻摩擦，改善工件表面質量，有效防止刀尖崩碎，抑制積屑瘤和鱗刺的產生，降低工件表面的殘余應力。

超聲振動輔助金剛石刀具切削的同時，將大氣壓冷等離子體射流噴向切削區，使刀-工、刀-屑界面浸沒在冷等離子體射流的高濃度活性粒子中，可有效抑制金剛石刀具的化學磨損，同時起到比干式靜電冷卻技術更佳的潤滑冷卻效果。超聲振動輔助金剛石刀具切削結合大氣壓冷等離子體射流調控切削區以抑制金剛石刀具化學磨損的相關研究，至今未見報道。

實用新型內容

本實用新型提供了一種用于金剛石刀具切削黑色金屬的裝置，超聲振動輔助切削與大氣壓冷等離子體射流調控切削界面相結合。本實用新型用石墨針裸電極放電在大氣壓條件下產生冷等離子體射流。冷等離子體引出后用絕緣導管輸送至切削區域，可有效調控金剛石刀具與黑色金屬的接觸界面。射流中的活性碳粒子聚集在金剛石刀具與黑色金屬的接觸界面，有利于減弱黑色金屬催化金剛石石墨化。黑色金屬表面吸附的活性粒子可阻止金剛石刀具與黑色金屬直接接觸，抑制金剛石刀具的化學磨損。超聲振動的空化作用形成高壓和切削時的復雜熱力作用促進冷等離子射流中的活性粒子與新生的黑色金屬表面反應，生成與金剛石化學親和力比黑色金屬低的物質。超聲振動裝置可進行一維或二維超聲振動輔助切削。

一種用于金剛石刀具切削黑色金屬的裝置，包括冷等離子體射流發生裝置和超聲振動裝置。

冷等離子體發生裝置包括石墨針裸電極冷等離子體射流發生器、可調流量計、減壓閥、工作氣體源、高壓電源和導管。工作氣體源經過減壓閥和可調流量計進入石墨針裸電極冷等離子體射流發生器；高壓電源的高、低壓輸出端分別與石墨針裸電極冷等離子體射流發生器的電極相連；將石墨針裸電極冷等離子體射流發生器固定在機床上，使其能與金剛石刀具同步進給；導管安裝在刀尖附近，并且出口正對切削區的位置。

超聲振動裝置包括超聲波信號發生器、超聲振動裝置和金剛石刀具。其中，超聲振動裝置由兩個振動系統構成，可獨立控制，實現一維超聲振動輔助切削或二維超聲振動輔助切削。

切削時，打開減壓閥，調整可調流量計，使工作氣體以合適的流量進入石墨針裸電極冷等離子體射流發生器中；開啟高壓電源，逐漸提高輸出電壓，直到導管的出口產生穩定的等離子體射流；調整導管的位置和方向，使切削區刀-工、刀-屑接觸界面能夠浸沒在冷等離子體射流之中。