精密与特种加工技术论文

超精密切削金刚石刀具磨损研究

摘要:金刚石超精密切削技术,是超精密加工技术的重要分支, 也是超精密加工技术发展最早的、 应用最为广泛的技术之一。金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论上可以达到原子级的平直度与锋利度,切削时切薄能力强、 精度高、 切削力小; 其高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可保证刀具具有超长寿命, 从而能进行长时间的持续切削, 并可减小因刀具磨损对零件精度的影响; 其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形。 天然单晶金刚石, 由于具有各向异性, 因此各晶面的硬度相差甚大, 在刀具刃磨时, 择其软的一面作为研磨面, 而将其硬的面作为前刀面或后刀面, 这给研磨带来了有利的条件, 因其各向异性, 所以在使用中, 必须考虑到晶面的合理选择, 以利于延长寿命。

关键词: 金刚石刀具 刀具磨损 裂纹

在金刚石精密切削加工中,金刚石刀具的磨损是必然的。在常规条件下,如用金刚石切削黑色金属如钢、铁、锰和某些难加工材料如铬、钛等时,金刚石刀具的磨损特别快,以致于无法维持切削的顺利进行、保证所需加工精度。 为了提高金刚石刀具在切削黑色金属过程中的刀具寿命,需要研究金刚石刀具的具体磨损过程,从机械、热摩擦和热化学的角度对金刚石刀具磨损机理做了分析研究,进而研究了黑色金属材料材质变化及其机械物理性能对金刚石刀具磨损的影响,从而为减缓刀具磨损、提高加工表面质量、扩展金刚石刀具可切削材料提供理论支撑。

金刚石刀具切削黑色金属过程中磨损严重,磨损过程复杂。由于普通切削过程中的切削力和切削温度较高,金刚石刀具的磨损机理主要有机械磨损、热摩擦磨和热化学磨损。这些磨损在切削过程中可能同时发生也可能交互式地发生,从而致金刚石刀具磨损。

1. 机械磨损

金刚石刀具机械磨损主要是有以下两部分组成:工件材料中的硬质点在切 削过程中周而复始地对刀具产生冲击,使金刚石颗粒容易产生微裂解,发生机

械磨损;另一方面由于工件材料中含有的硬质点或积屑瘤的碎片等在刀具表面 上划出沟纹而造成的磨损。而传统的关于塑性材料的机械磨损的观点,如塑性 变形、剪切,对金刚石刀具来说是不合适的,尤其是金刚石刀具加工塑性材料 的情况,即使是碳化物、氮化物等硬质点杂质的硬度仍然不及金刚石。而且在 温度低于1700℃的情况下,金刚石的塑性几乎可以忽略。

但是当金刚石切削塑性材料时,切削刃附近会出现缺口或刻痕,一般认为这是由于材料内部的杂质和硬质点所造成的。虽然微小硬质点颗粒的硬度不如金刚石高,但是微小硬质点的反复作用使金刚石刀具局部区域受到重复作用,再者由于金刚石晶体本身的缺陷以及刀具制造过程中对金刚石表面的损伤所导致的硬度不一致性,使得金刚石的微小区域产生微裂纹而逐渐磨损,最终导致金刚石刀具在切削过程中发生机械磨损。

2. 石墨化磨损

金刚石是亚稳态的。金刚石晶体的同素异变现象是指当温度高时,金刚石 晶体在高温的作用下转变为较软的稳定的石墨组织,从而丧失了其原有的硬度 和强度。金刚石晶体在空气或真空中,由于碳原子要从互锁的杂化轨道上跃迁 出来需要很大的能量,即使加热至 800℃以上时表面也不会发生明显的石墨化 转变;但一旦将金刚石置于某些带有催化作用的介质中时,其发生异变现象的 临界温度将明显下降。如在铁的作用下,在 650℃左右,金刚石的表面就会发 生同素异变,即晶体开始由四边形立方金刚石结构转变成六边形层状的石墨结 构。石墨是金刚石的同素异构体,强度和硬度都较低,从而导致了金刚石车刀 的磨损。

人造金刚石的合成就是使用石墨来完成的,从化学角度上来说这是金刚石刀具石墨化磨损的逆向过程。在合成过程中,石墨和熔化的金属一起高温压缩形成一种过渡化合物促使了金刚石生长。黑色金属、铂或铬系金属,尤其是铁、镍、锰等,是最有效的催化剂。反之亦然,这就是金刚石车刀切削黑色金属材料时磨损较快的重要原因之一。

3. 扩散磨损

扩散磨损就是碳原子从金刚石中进入了被加工工件中。在高温作用下,金 刚石中的碳原子极易向黑色金属工件材料中扩散,从而大大削弱了金刚石刀具

的刃口强度,造成磨损。在扩散过程中,碳原子由高浓度区向低浓度区流动。根据菲克扩散第一定律,对于各向同性介质中的扩散过程,在单位时间内通过 垂直于扩散方向单位截面积的物质流量(称扩散通量)与该截面处的浓度梯度 成正比。设扩散沿x 方向,则数学表达式可表示为


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