飞秒激光制备正前角金刚石磨粒及其磨削试验研究

摘要

金刚石作为一种高硬度、高强度、具有优异的导热性以及耐磨性的超硬材料，被广泛地运用于制作加工刀具与磨具。然而，金刚石的高硬度、高强度等特点使得其在传统的磨削加工过程中容易出现加工效率低、加工质量差以及加工周期长等难题；在采用长脉冲激光进行加工时存在能量积累，容易出现热损伤等不良影响，这些问题的出现极大地限制了金刚石刀具与磨具的进一步应用以及相关技术的发展。由于飞秒激光具有脉宽极短、单脉冲能量极高等特点，在加工时，与被加工材料无直接接触，因此能够克服传统磨削加工时加工时间长与工具损耗大等问题，而且不会出现长脉冲激光加工时的能量累积等问题，在金刚石等材料的微细加工方面有着明显优势。一般金刚石磨具磨削时其前角为负前角，容易造成磨削时磨削力较大，影响磨削后的表面质量。针对以上问题，本文搭建了用于加工单晶金刚石的飞秒激光试验平台，制备得到有着正前角结构的金刚石磨粒，并设计制造了金刚石砂轮磨具，开展了正、负前角金刚石磨粒磨削试验，验证正前角磨粒的磨削性能。主要内容如下：　　(1)介绍了金刚石加工难点与飞秒激光技术，概述了飞秒激光加工金刚石与单颗磨粒磨削国内外研究现状。搭建了用于单晶金刚石飞秒激光加工的试验平台。　　(2)建立了单颗粒磨削仿真模型，分别对具有正前角和负前角的金刚石磨粒磨削难加工材料Ti6Al4V开展了有限元模拟，仿真模拟了不同工艺参数与磨削力及最高磨削温度之间的关系，仿真结果表明正前角磨削时磨削力更小，且最高磨削温度更低。　　(3)基于前期研究，采用最佳工艺参数加工得到有着正前角结构的金刚石磨粒，而且制备了用于磨削试验的金刚石砂轮磨具。　　(4)分别采用正前角金刚石磨粒和负前角金刚石磨粒对难加工材料Ti6Al4V进行磨削试验，对磨削过程中的磨削力进行测量，对磨削后的表面形貌进行观测，对磨削后的表面粗糙度进行测量，证明了使用正前角磨粒磨削可以明显地减小磨削力，提升磨削后难加工材料的表面质量。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 飞秒激光加工金刚石概述

1.2.1 飞秒激光加工技术

1.2.2 金刚石材料加工特点

1.3 单颗磨粒磨削概述

1.3.1 单颗磨粒磨削实验研究

1.3.2 单颗磨粒磨削仿真研究

1.4 国内外研究现状

1.4.1 飞秒激光加工金刚石研究现状

1.4.2 单颗粒磨削研究现状

1.5 本文研究内容及目标

第 2 章 飞秒激光加工单晶金刚石试验平台搭建

2.1 引言

2.2 飞秒激光加工试验平台设备

2.2.1 飞秒激光器

2.2.2 扫描振镜系统

2.2.3 位移加工平台

2.3 单晶金刚石加工试验平台

2.4 精密平面磨床

2.5 测试仪器

2.5.1 视频显微镜

2.5.2 超景深三维显微镜

2.5.3 蔡司倒置金相显微镜

2.5.4 测力仪

2.5.5 表面粗糙度测量仪

2.6 本章小结

第 3 章 单颗正负前角金刚石磨粒磨削有限元仿真

3.1 引言

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 几何模型

3.2.2 材料模型

3.2.3 摩擦模型

3.2.4 切屑分离准则

3.2.5 仿真参数设计

3.3 有限元仿真结果及分析

3.3.1 单颗正负前角磨粒磨削力仿真结果

3.3.2 单颗正负前角磨粒磨削温度仿真结果

3.4 本章小结

第 4 章 正前角金刚石磨粒制备及磨具装置设计

4.1 引言

4.2 试验材料及方案

4.2.1 单颗粒磨具结构设计

4.2.2 金刚石磨粒镶块制备

4.2.3 正前角金刚石磨粒制备试验方案设计

4.3 正前角磨粒制备

4.3.1 最佳加工工艺参数的确定

4.3.2 金刚石烧蚀结果分析

4.4 本章小结

第 5 章 正负前角金刚石磨粒磨削试验

5.1 引言

5.2 试验材料与试验装置及方案

5.2.1 试验材料与夹具

5.2.2 单颗磨粒磨削加工路径

5.2.3 单颗磨粒磨削试验装置与方案

5.3 正负前角金刚石磨粒磨削试验结果分析

5.3.1 磨削力结果与分析

5.3.2 表面形貌及表面粗糙度结果与分析

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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