软质金属铅超精密切削表面质量调控方法研究

摘要

国防领域武器系统的研究中大科学实验装置涉及的精密物理实验样品对加工表面质量要求极高，样品表面质量将对实验结果造成重大影响，决定实验结果的可靠性，软质金属铅因为其独特的材料特性，在精密物理实验中起到了重要作用。本文采用超精密切削技术对软质金属铅进行加工处理，获得优质表面质量，确保精密物理实验结果的准确性。　　首先，采用超精密切削技术加工软质金属铅，探究影响加工表面质量的因素，结果表明铅在超精密切削过程中加工表面的损伤、材料侧流和金刚石刀具上积屑瘤的产生为影响表面质量的主要影响因素。然后，分析影响表面质量的原因，从不同角度进行加工表面质量调控：1)从材料角度出发，采用滚压处理对铅进行表面改性，滚压处理后铅表面硬度提高，超精密切削过程中表面损伤明显较少，刀具表面积屑瘤消失，表面粗糙度得到一定程度下降，最低表面粗糙度为19.02nm；2)从刀具与材料相互作用角度出发，将油性切削液变为酒精，结果表明加工后材料表面损伤减少、材料侧流减弱、且金刚石刀具表面无积屑瘤形成，表面粗糙度明显降低，最小表面粗糙度到达8.83nm，同时随着进给量的增加，影响表面质量的因素从“晶界台阶”变为材料侧流，然后又变为材料侧流和积屑瘤。3)从切削过程产热角度出发，采用低温装置，在加工过程中营造低温环境，将加工产生的热量快速排出，结果表明低温环境对酒精和油性切削液的作用还存在差异，低进给量且酒精作为切削液时，低温环境对表面质量提升并不明显，甚至可能使表面质量降低，随着进给量的增加，切削热增加，低温环境的作用凸显，但是当采用油性切削液时低温环境立即对加工表面质量起到明显的作用。　　采用摩擦磨损试验研究酒精在超精密切削过程中表面质量提升的作用机理，试验结果显示：与油性切削液相比，采用酒精作为金刚石与铅之间的润滑液时，磨痕形貌较明亮，即摩擦过程中铅的氧化程度较低，摩擦力和摩擦系数较低，即加工过程中产生的热量减少，同时酒精具有易挥发性，能将产生的热量排出，降低了金刚石刀具与铅界面的温度，降低了积屑瘤产生的可能性和防止了因温度而引起的材料软化问题，从而提高了铅超精密切削后表面质量。　　采用分子动力学仿真研究晶粒取向对超精密切削过程中的影响，结果表明加工过程中材料塑性变形主要以肖克莱不全位错进行，{100}＜011＞和{100}＜012＞方向切削后亚表面损伤最轻，{110}＜001＞方向切削后亚表面最严重，这主要因为{110}＜001＞方向在加工时产生孪晶界，孪晶界的出现影响材料的去除和加工表面的形成；切削过程中晶粒取向通过滞留区的形成进而影响切屑和加工表面材料的分离，同时影响加工后表面材料的回复，其中{100}＜001＞方向材料回复高度最小，为0.1nm，{110}＜001＞方向材料回复高度最大，为1nm，晶粒取向引起加工后表面回复高度的不同将增加多晶材料切削表面粗糙度；材料侧流的形成机理是滞留区将使切屑和加工表面材料分离，分离后形成加工表面的材料将被刀具挤压而形成加工表面，在材料挤压变形过程中，材料发生塑性变形，向已加工表面“流动”，其中{100}＜001＞和{100}＜011＞方向材料侧流现象最严重，加工后表面残余高度明显增加，表面粗糙度最低，而{110}＜001＞方向材料侧流现象最弱，加工表面具有最低的残余高度，即加工表面粗糙度最高。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1课题来源及研究背景

1.1.1课题来源

1.1.2课题研究背景

1.2超精密切削技术及其应用

1.2.1超精密切削技术简介

1.2.2切削理论研究进展

1.2.3超精密切削技术的应用

1.3超精密切削国内外现状

1.3.1超精密切削技术研究现状

1.3.2超精密切削的分子动力学模拟研究现状

1.3.3超精密切削表面粗糙度研究现状

1.4 主要研究内容及意义

第2 章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

2.2.1滚压试验

2.2.2超精密切削试验

2.2.3摩擦磨损试验

2.3试验结果表征方法

2.3.1显微组织结构

2.3.2表面形貌观察

2.3.3表面粗糙度测量

2.3.4硬度测试

2.3.5残余应力测试

第3 章 铅超精密切削表面质量的优化

3.1 引言

3.2 探究影响铅加工表面质量的主要因素

3.3 滚压处理对铅超精密切削表面质量的影响

3.3.1滚压力对软质材料铅表面完整性的影响

3.3.2 滚压力对铅超精密切削表面质量的影响

3.4 切削液对铅超精密切削表面质量的影响

3.5 低温环境对铅超精密切削表面质量的影响

3.6 酒精对铅超精密切削的影响机理

3.7 本章小结

第4 章 晶粒取向对铅超精密切削表面质量的影响

4.1 引言

4.2 分子动力学基本原理及仿真模型

4.2.1 分子动力学基本原理

4.2.2 分子动力学仿真模型

4.3 晶粒取向对加工过程中铅微观变形的影响

4.4 晶粒取向对加工过程中材料去除的影响

4.5 晶粒取向对加工过程中材料侧流的影响

4.6 本章小结

总结与展望

总结

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间成果