黑色金属金刚石切削刀具磨损研究

论文摘要

黑色金属因其具有良好的机械力学性能,在工业和国民经济领域中具有广泛的应用。然而在实际生产中,有很多形状复杂且加工精度要求极高的黑色金属制成的零件,加工方式仍采用传统的磨削、研磨及抛光工艺,其加工效率低且加工精度难以保证。单晶金刚石是世界上公认的超精密切削用刀具材料,但常规条件下因其磨损速率太快而不能用于黑色金属切削。因此,研究黑色金属金刚石切削刀具磨损机理,对扩大金刚石超精密切削技术的应用领域具有重要的意义。本文基于摩擦化学理论,分析了黑色金属金刚石切削过程中刀具磨损的主要影响因素。在此基础上,设计了黑色金属金刚石摩擦磨损试验装置和试验方案,并搭建了相关的试验平台。为研究黑色金属金刚石切削刀具磨损机理,本文采用差热分析法和热重分析法,研究了Fe催化作用下单晶金刚石在氩气和空气环境中的石墨化温度、金刚石中的碳原子向工件材料中扩散的规律以及黑色金属金刚石界面发生的化学反应类型和条件,为后续摩擦磨损试验的研究提供了依据。在上述研究的基础上,本文通过黑色金属金刚石摩擦磨损试验,研究了机械力、温度、摩擦速度及工件材料组分等对刀具磨损的影响规律。分别采用测力仪和红外热像仪对试验过程中的机械力及摩擦区温度分布进行了测量,对金刚石摩擦磨损表面进行了拉曼光谱分析,并采用扫描电镜和X射线能谱仪对工件表面微观形貌及含碳量变化进行了检测分析。结合各因素对刀具磨损的影响规律,建立了刀具磨损预测模型,为进一步研究黑色金属金刚石切削刀具磨损的抑制措施提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.3.1 黑色金属金刚石切削工艺及刀具磨损机理研究
• 1.3.2 摩擦化学研究现状
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 刀具磨损的摩擦化学理论分析及试验方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 基于摩擦化学原理的刀具磨损机理及主要影响因素的分析
• 2.2.1 机械能对摩擦化学反应的影响
• 2.2.2 摩擦化学反应的引发
• 2.2.3 摩擦化学反应类型及反应速率的研究
• 2.2.4 刀具磨损的主要影响因素
• 2.3 黑色金属金刚石摩擦磨损试验方案设计
• 2.3.1 摩擦磨损试验原理
• 2.3.2 工件材料的选择
• 2.3.3 金刚石刀具的选用及夹具结构设计
• 2.3.4 正交试验设计和分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 黑色金属金刚石界面热腐蚀试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 热分析原理简介
• 3.2.1 差热分析基本原理
• 3.2.2 热重分析基本原理
• 3.3 黑色金属金刚石界面热腐蚀试验方案设计
• 3.3.1 热腐蚀试验基本原理
• 3.3.2 试验材料的选择
• 3.3.3 试验设备
• 3.3.4 试验方案设计
• 3.4 氩气环境中黑色金属金刚石界面热分析试验研究
• 3.4.1 金刚石在氩气中石墨化温度研究
• 3.4.2 金刚石碳原子扩散的研究
• 3.5 空气环境中黑色金属金刚石界面热分析试验研究
• 3.5.1 金刚石在空气中石墨化温度研究
• 3.5.2 黑色金属金刚石界面反应的研究
• 3.5.3 金刚石碳原子扩散的研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 黑色金属金刚石摩擦磨损试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 摩擦界面温度场分布的测量与分析
• 4.2.1 温度场分布的测量方法
• 4.2.2 温度场理论建模分析
• 4.3 摩擦磨损试验结果分析
• 4.3.1 正交试验结果分析
• 4.3.2 试验因素对刀具磨损的影响
• 4.3.3 温度对刀具磨损的影响
• 4.4 刀具磨损预测模型建立
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢