超精密切削黑色金属的工艺及机理研究

论文摘要

为解决单晶金刚石切削黑色金属时产生严重磨损这一制造领域难题，本研究在综述国内外研究现状的基础上提出一套综合解决方案，即采用表面改性、研究新的可金刚石切削模具材料及超声振动辅助切削相结合的方法，以求实用化并推广扩展到其他难加工材料的超精密加工，例如碳化钨材料的高精高效加工。主要研究工作和成果有如下几个方面：(1)深入研究了表面改性方法，探索了部分新元素对金刚石可切削性的影响，结果表明：N元素有助于减少刀具磨损提高刀具寿命，N、Si和Al元素有助于获得光学级质量的表面，而B元素对钢铁材料的金刚石可加工性起负面作用，这些有益的探索为开发新材料提供了依据；(2)探索了深层渗氮工艺并对渗氮后的纯铁进行了金刚石可切削性实验，结果表明：氮化铁物质本身具有被单晶金刚石加工出镜面质量的潜质；(3)提出了整体单相可控氮化铁粉末冶金钢这一新型模具材料，初步切削实验已经证明了其具有较好的金刚石可切削性，此新材料的研制有望进一步揭示表面改性方法减少金刚石刀具磨损的机理；(4)借助分子动力学仿真重点研究了水基切削液和超声振动切削的分离特性对金刚石刀具磨损和工件表面质量的影响，为研制超声振动辅助切削系统提供了依据；(5)用研制的新型超声振动辅助切削系统进行了STAVAX模具钢切削实验，研究了工艺参数对单晶金刚石刀具磨损的影响，以及对不同轮廓形状（平面、凹/凸曲面及非球面）和不同尺寸大小的工件表面质量的影响，通过切削实验确定出了最优工艺参数，使工件表面粗糙度达到10nm以内同时对金刚石刀具磨损起到了有效抑制作用，刀具寿命显著延长；(6)对研制的超声振动辅助切削系统进行了可加工材料的扩展研究，初步对碳化钨材料进行超声振动切削并获得了10nm以内的表面粗糙度，并针对碳化钨材料的硬脆性对金刚石刀具磨损的影响，提出了负前角倾斜超声振动切削方法。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超精密车削技术的发展和应用现状
• 1.3 金刚石刀具切削黑色金属研究综述
• 1.3.1 金刚石刀具切削黑色金属时的磨损机理
• 1.3.2 金刚石刀具磨损机理的主次分析
• 1.3.3 减少刀具磨损方法
• 1.4 各种解决方法的比较分析和新方案的提出
• 1.4.1 各种解决方法的比较分析
• 1.4.2 新解决方案的提出
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 第二章 工件表面改性方法的研究
• 2.1 引言
• 2.2 新渗入元素的选择
• 2.3 新渗入元素的化学热处理工艺实验
• 2.3.1 工件材料的选择及渗前处理
• 2.3.2 化学热处理工艺实验
• 2.3.3 渗层分析
• 2.4 新表面改性工件的切削实验
• 2.4.1 实验条件及实验装置
• 2.4.2 结果及讨论
• 2.5 氮化铁粉末冶金钢的金刚石可切削性实验
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 氮化铁粉末冶金钢的可行性分析
• 2.5.3 氮化铁粉末冶金钢的制备
• 2.5.4 实验条件及实验装置
• 2.5.5 结果及讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 超声振动辅助金刚石切削的机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 振动切削概述
• 3.2.1 振动辅助加工的分类
• 3.2.2 振动辅助加工的特点
• 3.2.3 振动辅助加工的发展趋势
• 3.3 超声振动切削的机理
• 3.4 超声切削中水基切削液对刀具磨损影响的分子动力学仿真
• 3.4.1 问题的提出及研究现状
• 3.4.2 纳米切削模型
• 3.4.3 结果和讨论
• 3.4.4 结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 超声振动辅助金刚石切削系统的研制
• 4.1 引言
• 4.2 超声辅助切削系统的组成和选型
• 4.3 变幅杆设计与动力学分析
• 4.3.1 变幅杆材料的选择
• 4.3.2 变幅杆形状结构的确定
• 4.3.3 模态分析
• 4.4 换能器及其夹持机构设计
• 4.4.1 换能器设计
• 4.4.2 换能器夹持机构设计
• 4.5 超声振动切削系统组装与测试
• 4.5.1 超声振动切削系统的组装
• 4.5.2 超声振动切削系统的测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 超声振动辅助金刚石切削实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 工件表面质量的影响因素分析
• 5.2.1 工件表面轮廓形状与粗糙度的关系
• 5.2.2 超声振动工艺参数与粗糙度的关系
• 5.3 工艺参数选择范围的确定
• 5.3.1 超声工艺参数的确定
• 5.3.2 切削参数的确定
• 5.4 平面工件的超声振动辅助金刚石切削实验
• 5.4.1 实验条件及装置
• 5.4.2 实验设计及实施
• 5.4.3 实验结果分析及最优参数的确定
• 5.5 曲面工件的超声振动辅助金刚石切削实验
• 5.5.1 凹状球面和非球面
• 5.5.2 凸状球面
• 5.5.3 讨论分析
• 5.6 可加工材料的扩展研究——金刚石切削碳化钨
• 5.6.1 可行性分析
• 5.6.2 超声辅助金刚石切削碳化钨实验
• 5.6.3 讨论分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢