高精度金刚石刀具的机械刃磨技术及其切削性能优化研究

摘要

计准则，而金刚石刀具要获取最佳抗磨损性能则需以金刚石晶体难磨方向的动态微观抗拉强度作为前后刀面的设计准则。
　　基于金刚石晶体的动态微观机械强度，本文通过分析刀具刃口的受力情况，从理论上推导出了金刚石刀具的刃口极限锋利度，即(110)晶面作前刀面时可以达到1～6nm，而(100)晶面作前刀面时则可达2～5nm。根据理论推导的假设条件，开发出了新型的热-机耦合刃磨工艺。刃磨实验结果表明，前后刀面分别定向为(110)和(100)晶面的金刚石刀具经过新工艺处理可获取2～9nm的切削刃钝圆半径，实验数据与理论值很好的吻合。
　　另外，本文经过对单晶硅进行大量的超精密切削实验，发现了金刚石刀具发生急剧磨损的主要原因是刀具后刀面的沟槽磨损。进一步的研究又表明，沟槽磨损的产生则是由于碳化硅和类金刚石超硬微颗粒形成后在金刚石刀具后刀面发生刻划和耕犁所导致。
　　最后，本文基于有限元仿真技术和通用旋转组合实验设计方法，建立了高导无氧铜超精密切削的已加工表面残余拉应力和残余压应力对刀具几何参数的二次回归数学模型，由此通过分析刀具几何参数对残余应力的影响，优选出了适于塑性材料超精密切削加工的金刚石刀具几何参数，即在切削刃钝圆半径100～300nm、切削速度2～10m/s、前角-15°～15°和后角2°～10°的取值范围内，刀具的优化参数为：前角5°，后角10°，刀具切削刃钝圆半径则越小越好。

目录

高精度金刚石刀具的机械刃磨技术及其切削性能优化研究

MECHANICAL LAPPING TECHNIQUES ANDCUTTING PERFORMANCE OPTIMIZATION OFHIGH-ACCURACY DIAMOND CUTTING TOOLS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题的背景和来源及研究的目的和意义

1.2 国内外金刚石刀具刃磨技术水平的对比

1.3 金刚石刀具刃磨关键技术的国内外发展概况

1.4 金刚石刀具切削性能优化技术的国内外发展概况

1.5 本课题的主要研究内容

第2 章 金刚石晶体的机械研磨机理

2.1 金刚石晶体的物理和化学及力学特性

2.2 金刚石晶体脆塑转变机械研磨机理的提出

2.3 金刚石晶体脆塑转变临界研磨深度的实验验证

2.4 金刚石晶体机械研磨的碎屑相变问题

2.5 脆塑转变研磨机理在金刚石刀具刃磨中的利用

2.6 本章小结

第3 章 高精度金刚石刀具的机械刃磨工艺

3.1 表面粗糙度相关工艺参数对切削刃钝圆半径的影响

3.2 接触精度相关工艺参数对切削刃钝圆半径的影响

3.3 刃磨工艺参数的优化组合

3.4 前后刀面定向对切削刃钝圆半径的影响

3.5 时间序列法分析切削刃钝圆半径的变化规律

3.6 本章小结

第4 章 金刚石刀具的极限锋利度

4.1 金刚石晶体动态微观机械强度的理论推导

4.2 金刚石刀具极限锋利度的理论预测

4.3 金刚石刀具极限锋利度的实验验证

4.4 本章小结

第5 章 金刚石刀具的抗磨损性能优化

5.1 金刚石刀具抗磨损性能研究的实验条件

5. 2 金刚石刀具抗磨损性能的理论预测

5.3 金刚石刀具抗磨损性能的实验验证

5.4 本章小结

第6 章 金刚石刀具几何参数的有限元优化

6.1 有限元模型的建立和边界条件的设定

6.2 超精密切削的加载和卸载及散热过程模拟

6.3 有限元仿真实验的通用旋转组合设计

6.4 回归方程预测数据可靠性的实验验证

6.5 已加工表面残余应力的影响因素分析

6.6 本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读博士学位期间发表的论文

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

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致 谢

个人简历