一种金刚石刀具切削黑色金属的方法

摘要

本发明提供了一种金刚石刀具切削黑色金属的方法，大气压冷等离子体射流调控切削界面与超声振动辅助切削相结合。在大气压条件下，将石墨针裸电极放电产生的冷等离子体射流用绝缘导管引出后输送至切削区域，可有效调控金刚石刀具与黑色金属的接触界面。射流中的活性碳粒子聚集在金刚石刀具与黑色金属的接触界面，同时黑色金属表面吸附的活性粒子可阻止金刚石刀具与黑色金属直接接触，抑制金刚石刀具的化学磨损。超声振动的空化作用形成高压和切削时的复杂热力作用促进冷等离子射流中的活性粒子与新生的黑色金属表面反应，生成与金刚石化学亲和力比黑色金属低的物质，强化抑制金刚石刀具磨损的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石刀具切削黑色金属的方法，属于机械制造的切削工 艺技术领域。

背景技术

金刚石刀具有硬度高、导热性好等特性，可磨制成刃口极其锋利的超精密 切削刀具。但其与Fe原子的高化学亲和性导致切削黑色金属时易发生石墨化， 产生严重的化学磨损，难以应用于黑色金属超精密切削中。

利用超声振动辅助切削黑色金属，刀具磨损有较大改善，但超声振动产生 的振纹限制表面质量的提高。利用液氮冷却可有效抑制金刚石化学磨损，但工 件因冷却变形难以达到较高精度。对黑色金属表面渗氮后进行金刚石切削可减 轻刀具磨损，但预处理引起工件变形等问题难以规避。上述方法虽可实现改善 金刚石刀具磨损，但也改变了工件表面性能。

公开号为CN102059350A的发明专利介绍了一种使用干式静电冷却的切削 方法，干式静电冷却技术是将经过电晕放电处理的空气流作为切削区润滑冷却 介质的绿色加工技术。离子化空气流中的活性粒子作用在工件表面可减小材料 的塑性变形抗力，同时刀-工接触区所形成的边界薄膜和钝化层降低了摩擦力， 使切削力大幅度降低。但干式静电冷却技术中空气的电离程度很低，气流中的 活性粒子浓度也较低，无法达到更好的效果。

冷等离子体是一种宏观温度较低的等离子体，富集大量的离子、电子、激 发态原子、分子及自由基等活性粒子，因此，更易于和所接触的材料表面发生 反应。冷等离子体射流是将微小空间内的等离子体放电引出形成的射流状冷等 离子体，其离子和亚稳态原子浓度较高、电子温度高、宏观温度低、均匀部分 较大、可控性好，方便应用于小范围或局部处理。切削加工时，冷等离子体中 的活性粒子在复杂的热和力作用下易与新生黑色金属表面反应生成与金刚石化 学亲和性低的物质，同时黑色金属表面吸附的活性粒子可阻止金刚石刀具与黑 色金属直接接触，抑制金刚石刀具的化学磨损。

另外，裸电极在大气压下放电产生冷等离子体，可防止电极与工件放电。 石墨针裸电极放电可产生含有活性碳粒子的冷等离子体射流，切削加工时，射 流中的活性碳粒子聚集在金刚石刀具与黑色金属的接触界面，碳饱和环境有利 于减弱金刚石石墨化。

超声振动辅助切削可避免刀具与工件的高频摩擦，改善工件表面质量，有 效防止刀尖崩碎，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，降低工件表面的残余应力。

超声振动辅助金刚石刀具切削的同时，将大气压冷等离子体射流喷向切削 区，使刀-工、刀-屑界面浸没在冷等离子体射流的高浓度活性粒子中，可有效 抑制金刚石刀具的化学磨损，同时起到比干式静电冷却技术更佳的润滑冷却效 果。超声振动辅助金刚石刀具切削结合大气压冷等离子体射流调控切削区以抑 制金刚石刀具化学磨损的相关研究，至今未见报道。

发明内容

本发明提供了一种调控金刚石刀具切削黑色金属的方法，超声振动辅助切 削与大气压冷等离子体射流调控切削界面相结合。本发明用石墨针裸电极放电 在大气压条件下产生冷等离子体射流。冷等离子体引出后用绝缘导管输送至切 削区域，可有效调控金刚石刀具与黑色金属的接触界面。射流中的活性碳粒子 聚集在金刚石刀具与黑色金属的接触界面，有利于减弱黑色金属催化金刚石石 墨化。黑色金属表面吸附的活性粒子可阻止金刚石刀具与黑色金属直接接触， 抑制金刚石刀具的化学磨损。超声振动的空化作用形成高压和切削时的复杂热 力作用促进冷等离子射流中的活性粒子与新生的黑色金属表面反应，生成与金 刚石化学亲和力比黑色金属低的物质。超声振动装置可进行一维或二维超声振 动辅助切削。

用于金刚石刀具切削黑色金属的方法的设备包括冷等离子体射流发生装置 和超声振动装置。

冷等离子体发生装置包括石墨针裸电极冷等离子体射流发生器和供气系 统；工作气体源经供气系统进入石墨针裸电极冷等离子体射流发生器；将石墨 针裸电极冷等离子体射流发生器固定在机床上，使其能与金刚石刀具同步进 给；高压电源的高、低压输出端分别与石墨针裸电极冷等离子体射流发生器的 电极相连；产生含活性碳离子的冷等离子体射流，用绝缘导管引出后传送至切 削加工区域；导管安装在刀尖附近，并且出口正对切削区的位置。

超声振动装置包括超声波信号发生器、超声振动装置和金刚石刀具。其 中，超声振动装置可实现一维超声振动辅助切削或二维超声振动辅助切削。

切削时，打开供气系统，使工作气体以合适的流量进入石墨针裸电极冷等 离子体射流发生器中；开启高压电源，逐渐提高输出电压，直到导管的出口产 生稳定的等离子体射流；调整导管的位置和方向，使切削区刀-工、刀-屑接触 界面能够浸没在冷等离子体射流之中。

打开超声波信号发生器，超声频电信号传输至超声振动装置，将超声频电 信号转换为超声频机械振动，带动金刚石刀具作超声频机械振动，切削工件。

此时，即可开始对刀、切削。如断续切削或加工断续表面，冷等离子体射 流和超声振动装置可连续工作，中途不必关闭；如切削暂时停止或结束，可直 接关闭冷等离子体发生装置和超声振动装置。下次加工时，只需将冷等离子体 发生装置和超声振动装置直接开启即可产生冷等离子体射流和带动金刚石刀具 做超声频机械振动。

本发明的有益之处在于：大气压冷等离子体射流宏观温度低，其中富集大 量的离子、电子、激发态原子、分子及自由基等活性粒子，切削时可与黑色金 属的新鲜表面反应生成与金刚石化学活性较低的物质，对接触界面实时调控， 而无需对黑色金属进行预处理。超声振动辅助切削可降低切削力、切削热，促 进冷等离子射流中的活性粒子与新鲜的黑色金属表面反应。射流中的活性碳粒 子等聚集在接触界面，可阻止金刚石刀具与黑色金属直接接触，从而提高刀具 寿命。将射流引出形成柔性等离子体射流后传送至切削区域，使用更安全、方 便，操作容易。本发明也可调控各种金属、非金属的切削过程，对环境和操作 人员没有任何危害，是一种绿色切削方法。

附图说明

图1为超声振动和冷等离子体射流辅助切削原理图。

图2为二维振动和冷等离子体射流辅助切削示意图。

图中：1为石墨针裸电极冷等离子体射流发生器，2为超声波信号发生器， 3为超声振动装置，4为金刚石刀具，5为工件，6可调流量计，7减压阀， 8工作气体源，9高压电源，10双通道信号发生器，11功率放大器， 12二维超声振动系统，13冷等离子体射流，14导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。本发明涉及 一种金刚石刀具切削黑色金属的方法，使用此方法的设备包括冷等离子体射流 发生装置和超声振动装置。

冷等离子体发生装置包括石墨针裸电极冷等离子体射流发生器1，可调流 量计6减压阀7，工作气体源8，高压电源9，导管14。

切削前，按照附图将这些设备分别连接：工作气体由工作气体源8经过减 压阀7和可调流量计6进入石墨针裸电极冷等离子体射流发生器1；高压电源9 的高、低压输出端分别与石墨针裸电极冷等离子体射流发生器1的电极相连； 将石墨针裸电极冷等离子体射流发生器1固定在机床上，使其能与金刚石刀具4 同步进给；导管14安装在刀尖附近，并且出口正对切削区的位置。打开减压阀 7，调整可调流量计6，使工作气体以合适的流量进入石墨针裸电极冷等离子体 射流发生器1中；开启高压电源9，逐渐提高输出电压，直到导管14的出口产 生稳定的等离子体射流13；调整导管14的位置和方向，要使切削区刀-工、刀- 屑接触界面能够浸没在冷等离子体射流13之中。

超声振动装置包括超声波信号发生器2，超声振动装置3，金刚石刀具4。

切削前，打开超声波信号发生器2，超声频电信号传输至超声振动装置3， 将超声频电信号转换为超声频机械振动，带动金刚石刀具4作超声频机械振 动，切削工件5。其中超声振动装置3可实现一维超声振动辅助切削或二维超声 振动辅助切削。

此时，即可开始对刀、切削。如断续切削或加工断续表面，冷等离子体射 流和超声振动装置可连续工作，中途不必关闭；如切削暂时停止或结束，可直 接关闭冷等离子体发生装置和超声振动装置。下次加工时，只需将冷等离子体 发生装置和超声振动装置直接开启即可产生冷等离子体射流和带动金刚石刀具 做超声频机械振动。

具体实施例:

本实施例为可实现冷等离子体射流调控二维超声振动辅助金刚石刀具切削 黑色金属。

石墨针裸电极冷等离子体射流发生器1使用裸电极放电的形式，此类电极 产生的冷等离子体射流不会与金属之间发生电弧击穿放电。高压电源9采用中 频正弦波交流电源，高压电源9的高压输出端中心连接针电极，低压输出端连 接喷嘴电极并且接地。

工作气体8采用纯度99.999%的高纯氮气。

工件5和金刚石刀具4在安装、夹紧并且对刀之后，将石墨针裸电极冷等 离子体射流发生器1固定于溜板箱上，使射流导管14出口距刀-工接触区 15mm。

打开减压阀7，调整可调流量计6，使流量达到0.8m3/h；打开高压电源9， 从0开始逐渐增加电源输出电压，直到冷等离子体射流13从导管14喷射而出， 射流温度和室温相当。

进一步调整导管14的方位，使刀具4的尖端完全浸没于冷等离子体射流13 之中并且不影响切削的进行。

打开双通道信号发生器10和功率放大器11。在双通道信号发生器10中设 置好两个正弦信号的幅值和频率，经功率放大器11放大后传输至超声振动装置 12，则金刚石刀具4可沿椭圆轨迹产生超声频振动对工件5进行车削加工。若 双通道信号发生器10中只设置一个正弦信号，功率放大器11只打开一个，则 超声振动装置只沿一个方向振动，实现一维超声振动辅助切削。

调整好冷等离子体射流发生装置和超声振动装置，则可打开机床，开始切 削加工。