圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧的机械研磨及其检测技术

摘要

超精密切削加工作为超精密加工技术中的代表性技术，现已成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志。实现超精密切削加工，不仅需要超精密的切削机床、高精度的检测仪器和超稳定的加工环境，还需要进行切削加工用的高精度圆弧刃金刚石刀具。美日等国高精度圆弧刃金刚石刀具的水平已能达到刃口钝圆半径（锋利度）10nm以内，刀尖圆弧圆度50nm以内。国内高精度刀具的刃口钝圆半径已接近该先进水平，但刀尖圆弧圆度还存在巨大的差距。因此，解决高精度圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧的研磨问题成为当务之急。
　　金刚石晶体具有很强的各向异性，不同的晶面上乃至同一晶面不同方向上的机械性能差异明显。在圆弧刃刀具的刀尖圆弧上，各段圆弧所处的晶面不同，使得各段圆弧存在迥然不同的磨削性能。如果还是使用简单的圆弧研磨方法，研磨的效率必然非常低下。但目前还没有行之有效的模型来描述刀尖圆弧上材料的磨削性能。加之现有研磨设备和研磨工艺存在的诸多缺陷，使得刀尖圆弧的研磨很难达到较高的精度。因此本文从晶体学入手，对圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧的研磨机理、研磨设备及检测技术等展开系统的研究。具体的研究内容包括以下几个方面：
　　首先运用分子动力学模拟的手段，结合周期键链 PBC理论解释了金刚石刀具机械研磨过程中材料去除的微观机理。这是首次在原子的尺度上从晶体学的角度对金刚石刀具机械研磨过程做出的微观解释。该微观解释为金刚石刀具刀尖圆弧的机械研磨奠定了理论基础。并依此建立了评价金刚石晶体各晶面中任意方向研磨难易程度的PBC模型。随后进行的材料去除率试验很好得证实了该模型的正确性。
　　其次在 PBC模型的基础上，建立了以{100}和{110}晶面为前刀面的金刚石刀具刀尖圆弧上材料去除率比值模型。首次使用数学模型定量地描述了刀尖圆弧上材料的磨削性能。该模型为高效低成本研磨优质圆弧刃金刚石刀具提供了理论依据。并根据该模型得出了不同前刀面刀具刀尖圆弧的优选研磨方向及优选的刀具晶面组合 R(110)F(110)。结合材料去除量公式，提出了适于刀尖圆弧研磨的变研磨压力和变研磨时间两种研磨方法。
　　然后在总结现有圆弧刃金刚石刀具研磨机缺点的基础上，使用Pro/Engineering自顶向下设计了一台新型的圆弧刃金刚石刀具研磨机。该研磨机采用 T型布局，消除了研磨主轴 C轴和往复摆轴 X轴重叠布置所带来的相互误差耦合。刀具摆轴使用速度与位置闭环控制，可实现变研磨压力及变研磨时间两种刀尖圆弧的研磨方式。这里还建立了研磨机的空间误差模型，分析了影响刀尖圆弧研磨精度的主要因素。
　　对磨损的金刚石刀具刀尖圆弧的重新修磨，一直以来都是未解决的技术难题。本文分析了刀具重磨的难点问题，详细探讨了刀具重磨中的关键技术及实现手段，制定了一整套圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧的重新修磨工艺流程。
　　目前还没有合适的方法来测量金刚石刀具刀尖圆弧的圆度。最后本文针对金刚石刀具的测量要求，提出了基于AFM的刀尖圆弧检测方法。对现有的AFM系统进行改造，附加一套精密回转气浮轴系，建立了一套新型的金刚石刀具刀尖圆弧圆度的测量系统。并分析了整个系统的误差来源和误差组成，评定了系统的测量精度。针对金刚石刀具测量的特点，提出了一种带有半径约束最小二乘圆拟合的数据处理方法。该方法为工程实际中圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧圆度的检测与评定提供了技术支持。

目录

圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧的机械研磨及其检测技术

MECHANICAL LAPPING AND MEASUREMENTTECHNIQUES OF NOSE ARC OF ROUNDEDDIAMOND CUTTING TOOLS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的意义

1.2 金刚石晶体概述

1.3 圆弧刃金刚石刀具刃磨技术研究现状

1.4 圆弧刃金刚石刀具检测技术研究现状

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 金刚石刀具机械研磨的微观机理

2.1 引言

2.2 金刚石晶体中的周期键链

2.3 金刚石刀具机械研磨的分子动力学模型

2.4 金刚石刀具机械研磨的微观解释

2.5 金刚石晶体的各向异性评价

2.7 本章小结

第3章 刀尖圆弧的材料去除率比值建模

3.1 引言

3.2 刀尖圆弧研磨的几何学和动力学分析

3.3 前刀面的材料去除率比值建模

3.4 刀尖圆弧上的材料去除率比值建模

3.5 圆弧刃金刚石刀具的设计

3.6 刀尖圆弧研磨方式

3.7 本章小结

第4章 新型金刚石刀具研磨机的设计

4.1 引言

4.2 研磨机功能分析和整体设计

4.3 研磨机的误差建模

4.4 研磨机机械系统设计

4.5 研磨机控制系统设计

4.6 圆弧刃金刚石刀具的重新修磨

4.7 本章小结

第5章 刀尖圆弧圆度检测技术的研究

5.1 引言

5.2 刀具前角对正投影测量的影响

5.3 基于AFM 的圆度测量原理

5.4 系统中的关键技术

5.5 系统误差分析

5.6 检测数据处理方法

5.7 测量实验

5.8 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历