金刚石刀具的磨损机理
机械研磨过程中金刚石刀具材料去除机理
机械研磨过程中金刚石刀具材料去除机理摘要在用金刚石刀具的机械研磨过程中，为了揭示表层金属的去处特性,以及解释材料去除的各向异性，建议用一个脆——塑性转变的研磨机里来达到此目的。
对于不同平面，不同方向上的脆——塑性转变，这动态临界切深能被计算出来。
只要金刚石磨粒嵌入研磨表面层的深度小于相应的临界切深，金刚石刀具的研磨表面层将以塑形的形式被去除。
在被命名为(100)和(110)的平面上所执行的研磨实验，以及通过原子力显微镜测量的研磨表面。
实验结果表明所有金刚石刀具的被抛光表面是由以纳米为单位塑形槽和在不同方向不同表面上有明显各向异性最大槽深组成，这些槽深和临界切深很好地相一致。
因此，通过比较在不同晶体学表面和确定表面上不同方向临界切深来分析抛光表面层金属材料去除率量上的各向异性。
关键词：金刚石工具；机械研磨；材料去除机理；脆-韧性转变。
1介绍到目前为止，机械抛光是磨削单体金刚石表面最常用的方法。
虽然这种技术被广泛应用，但是很少有研究报告揭示抛光表面层金属的去除机理和解释在研磨过程中的去除率的各向异性。
Tolkowsky（1920）依据去除率的各向异性和观察到在被抛光金刚石表面研磨过程中的微芯片的形态，认为沿着（111）平面微区解理做为研磨的机理。
[2]Bowden et al.（1965）认为热磨损为研磨机理。
烧伤和碳化在较高温度下将发生。
[3]Brezoczky et al.（1990）提出一个电化学磨损理论，该理论认为静电引力能分解金刚石材料，该引力是通过在旋转磨盘上金刚石磨粒和研磨表面几纳米到数十纳米之间磨擦电而形成的。
[4]Couto et al.（1992）认为在‘硬的’方向，金刚石以断裂或者微晶片的形式被去除。
1994年，他们也认为在‘软的’方向金刚石表面层以纳米槽的形式被抛光的。
[6]而且，Grillo和Field（1997——2000）提出另一个全新的机理，该机理金刚石的立方轨道杂化将在研磨‘软的’方向转变成无定形碳的平面轨道杂化。
PCD刀具金刚石砂轮刃磨质量的研究
PCD刀具金刚石砂轮刃磨质量的研究PCD刀具在加工工件之前必须保证良好的刃口，金刚石砂轮刃磨是目前使用最广泛的方法。
研究表明，刃口质量越高，在工件加工表面刀具几何复映区交界处留下的刀痕越细，加工工件的表面光洁度越高。
因为刃口崩缺或扩展极易引起刀具磨损或损坏，降低刀具使用寿命。
刃口崩缺是金刚石刀具刃口质量的关键指标。
PCD刀具的刃磨机理：金刚石砂轮的磨粒不断冲击PCD材料，使PCD上的金刚石发生脆性破碎（包括晶内微细破碎、沿晶破碎和解理破碎）、滑擦磨损、刻划作用；热化学作用则是磨削过程中产生的高温使金刚石发生氧化或石墨化。
影响PCD刀具的刃口质量的因素很多，PCD复合片中金刚石微粉颗粒度、金刚石砂轮种类、设备性能及工装夹具刚性等。
1.PCD复合片中金刚石微粉颗粒度在其他条件相同的情况下，PCD材料的金刚石微粉颗粒度与刀具刃口崩缺呈正相关关系，即微粉粒度越大，刃口崩缺也越大。
同时，混合粒度的刃口崩缺小于粗颗粒的，更接近中粒度的，这是因为单纯的粗颗粒中间填充的是金属结合剂，而混合粒度是在粗颗粒之间既有结合剂又有其他细粒度级配。
在刃磨过程中砂轮金刚石的磨粒不断冲击PCD刀具刃口处，PCD刀具塑性较差，刃口处就会产生微观崩刃。
从微观方面分析，PCD刀具中的金刚石颗粒在被挤压、摩擦中出现脆性破碎并形成崩缺，而脆性破碎形成的崩缺大小与金刚石微粉颗粒度成正相关，粒度越大，刃口崩缺也越大。
此外，由于细砂轮的金刚石磨料硬度低于中、粗颗粒PCD中的金刚石微粒，磨料的刻划作用弱，但细砂轮的磨料易磨损和堵塞，磨削温度高时，滑擦和热化学作用占主导，这样就减小或消除了脆性破碎出现的较大崩口，故最终形成的刃口崩缺小于粒度尺寸。
2.金刚石砂轮种类刃口崩缺顺序：金属结合剂砂轮＞陶瓷结合剂砂轮＞树脂结合剂砂轮。
砂轮粒度大于W10时，刃口崩缺值对砂轮粒度很敏感，并随粒度增大而增大；当砂轮粒度小于W10时，刃口崩缺值对砂轮粒度不敏感。
金属结合剂金刚石砂轮磨粒在磨削过程中发生破碎以保持锋利状态，从而实现磨削，树脂结合剂金刚石砂轮表面会因为受热而发生变形，宜采用较低磨削速度，陶瓷结合剂是由多种材料配压而成，磨削过程中结合剂和金刚石磨粒容易集体脱落，致使PCD刀具表面处留下凹坑。
论述金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具是超精密切削中常用的刀具材料，其切削机理、条件和应用范围如下：
1.切削机理：
⏹金刚石刀具的切削刃非常锋利，在切削过程中能够实现“切入式切削”，
使切削力大大减小。
⏹金刚石的硬度极高，切削时不易被工件材料磨损，能够保持良好的切削刃
形状。
⏹金刚石的传热性能极佳，能够快速地将切削热量传递出去，从而降低切削
温度，减少热损伤。
1.切削条件：
⏹刀具刃口半径：为了实现超精密切削，需要将刀具的刃口半径减小到亚微
米级，以提高切削的精度和表面粗糙度。
⏹切削用量：为了减小切削力和热量，需要选择较小的切削深度和进给速度，
以提高切削效率。
⏹工件材料：金刚石刀具适用于加工各种硬材料，如淬火钢、硬质合金等。
但是，对于一些韧性较大的材料，需要进行预处理或选择其他刀具材料。
1.应用范围：
⏹金刚石刀具广泛应用于超精密切削领域，如光学零件、轴承、硬盘磁头、IC
芯片等高精度、高表面质量的零件加工。
⏹在加工过程中，金刚石刀具还可以用于制作各种微细结构，如微孔、微槽
等。
综上所述，金刚石刀具的超精密切削需要满足一定的条件，并具有广泛的应用范围。
超精密加工中的金刚石刀具及刀具磨损分析
理论与实践经济与社会发展研究超精密加工中的金刚石刀具及刀具磨损分析齐齐哈尔工程学院 武晓迪摘要：各种超精密加工应用中将金刚石用作切削工具已经成为现实，然而其目的与意义并没有得到实质性分析。
据此，本文对超精密加工中应用金刚石作为切削刀具的现实意义进行分析。
关键词：超精密加工；切削工具；刀具磨损一、技术背景分析使用高速超精密车床加工玻璃和硅等脆性材料时，当所施加的切削深度低于临界值时，则认为其处于延性模式，并且可以容易地加工而不会形成裂纹。
因此，对于这些材料的延性至脆性转变具有重要意义，在这些材料中，临界切削深度的大小取决于零件的特性而变化。
通常，单晶硅经常用在微机电系统（ＭＥＭＳ）中，在该系统中，最终将材料加工成优质产品，并进行超精密研磨和抛光操作。
尽管硅材料的行为在室温下很脆，但建议使用金刚石车削工具以延性模式加工硅。
这减少了由陶瓷材料的脆性断裂引起的损坏，并提高了最终零件的生产率。
使用金刚石工具对铜，铝和镍等有色金属材料进行高速加工，以评估工具的磨损，切削力和表面光洁度。
实验针对不同的切割速度进行，例如较低的１５０ｍ／ｍｉｎ的速度和较高的４５００ｍ／ｍｉｎ的速度。
在较低的切削速度下观察到的刀具磨损率大于较高的切削速度。
这可能是由于以较高的速度减少了刀具与工件啮合的时间。
它还降低了工具和工件界面之间的化学亲和力。
具有高负前角的金刚石工具可用于以超精密精度精加工该材料。
二、金刚石作为切削工具的意义制备塑料模具的需求不断增加，而塑料模具是制造ＣＤ光学头的非球面透镜和照相机的智能透镜所必需的。
刀具的切削刃必须锋利且没有不规则形状，以加工高精度非球面。
基于工具的清晰度，单晶金刚石（ＳＣＤ）和多晶金刚石（ＰＣＤ）之间存在主要差异。
ＳＣＤ工具的切削刃是均匀的且没有不规则性，而ＰＣＤ工具的切削刃则显示出微观的不规则性，从而导致金刚石颗粒的去除。
与ＰＣＤ工具相比，ＳＣＤ工具的主要缺点是其磨损寿命短。
它还用于将铝基板加工成精细的镜面涂层，该涂层用于计算机存储系统的硬盘驱动器中。
金刚石刀具刃口的钝化原理
金刚石刀具刃口的钝化原理
金刚石刀具在使用过程中，刃口会因为摩擦、磨碎等原因产生钝化。
钝化是指金刚石刀具刃口表面的结晶体被摩擦或磨碎，使其变得平滑，失去了切割或磨削的锋利度。
钝化主要有以下几个原理：
1. 疲劳磨损：刃口在使用过程中受到不断的摩擦和压力作用，使得金刚石结晶体出现裂纹、磨损等现象，最终导致刃口变钝。
2. 磨粒堆积：在切削或磨削过程中，金刚石刀具表面随着磨粒和被加工材料的摩擦，磨粒会聚集在刃口处，形成一层摩擦层，阻碍了新的磨削过程，导致刃口钝化。
3. 焊接磨损：在高温和高压下，金刚石刀具的刃口可能与被加工材料发生焊接现象，使金刚石结晶体受到严重的热变形和应力，导致刃口钝化。
4. 渗碳作用：金刚石刀具在高温和高压下，被加工材料中的元素可能渗透进入金刚石结晶体内部，与金刚石发生化学反应，改变其晶格结构，使刃口变得钝化。
总之，金刚石刀具刃口钝化是由于摩擦、磨碎、疲劳、热变形等因素的综合作用而导致的。
为了延长金刚石刀具的使用寿命，需要定期对刃口进行磨削、修复和保养。
石材锯切机理与金刚石工具磨损机理的研究现状
石材锯切机理与金刚石工具磨损机理的研究现状1 引言硬脆材料是指具有高硬度、高脆性的材料，通常为非导电体或半导体，如各种石材、玻璃、硅晶体、石英晶体、硬质合金、陶瓷等。
随着科学技术和现代工业的发展，硬脆材料的应用领域日益扩展，硬脆材料加工技术也不断发展。
在各种硬脆材料加工方法中，切割加工占有重要地位。
例如，在建筑装饰板材和岩石材质精密零部件的加工中，锯切加工是机械加工的第一道工序，锯切加工成本占整个加工成本的50%以上。
目前，石材等硬脆材料的切割加工主要采用各种金刚石切割工具。
由于金刚石是自然界已知的最硬物质，其优异性能决定其在石材等硬脆材料切割加工领域具有广阔的发展前景。
应用金刚石工具锯切硬脆材料的加工方式主要有：圆锯片切割、金刚石带锯切割、金刚石框架锯切割、金刚石串珠锯切割等。
尽管每种方法各有其不同特点和应用范围，但其切割机理和金刚石磨损机理都大致相同。
由于岩石切割是金刚石切割工具最主要的用途，因此，深入研究石材锯切机理和金刚石切割工具的磨损机理对于金刚石切割工具的合理制造与正确使用具有重要意义。
长期以来，国内外专家学者对金刚石工具锯切花岗岩的加工机理、金刚石工具的磨损机理以及锯切加工过程中的锯切力作了大量试验和研究，取得了令人瞩目的成果，对岩石锯切加工以及金刚石工具的研究开发起到了积极的理论指导作用。
2 金刚石切割石材锯切机理的研究金刚石磨料通常通过烧结或电镀的方式制成切割工具。
金刚石工具的切割过程类似于磨削加工，但由于受材质影响，岩石、陶瓷等硬脆材料的加工机理与金属加工机理不同，且加工过程更为复杂。
由于金刚石切割工具最早应用于石材切割，因此对金刚石切割石材的机理研究较多。
国内外学者对金刚石工具锯切花岗岩的加工机理进行了长期研究：从早期应用岩石在压头侵入下的断裂理论、单颗粒金刚石划伤表面形貌观察法逐渐发展到综合应用偏光显微镜和扫描电镜观察岩石加工表面形貌以及裂纹的产生和扩展规律、用声发射信号评价岩石的切削状态等。
影响单晶金刚石刀具的研磨的因素分析
影响单晶金刚石刀具的研磨的因素分析1金刚石刀具的研磨方法单晶金刚石刀具的制造工序一般包括选料、定向、锯割、开坯、装卡、粗磨、精磨和检验。
将选定的金刚石原石经定向后沿最大平面锯割开，可得到两把刀具的坯料，这样既能提高金刚石材料的利用率，又可削减总研磨量。
通过开坯可使刀具形状达到装卡（镶嵌或钎焊）要求。
开坯和粗、精磨加工均采纳研磨的方法。
金刚石的研磨加工在铸铁研磨盘上进行。
研磨盘的直径约为300mm，由材料组织中孔隙的形状、大小和比例均经过优化的研磨金刚石专用高磷铸铁制成。
研磨盘的表面镶嵌有金刚石研磨粉，其颗粒尺寸可从小于1m直到40m。
粗颗粒的金刚石粉具有较高的研磨速率，但研磨质量较差，因此粗磨时一般采纳粗粉，而精磨时则采纳尺寸小于1m的细粉。
研磨前，首先将金刚石粉与橄榄油或其它仿佛物质混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盘表面，放置一段时间使研磨膏充分渗入研磨盘的铸铁孔隙中，再用一较大的金刚石在研磨盘表面进行来回预研磨，以进一步强化金刚石粉在铸铁孔隙中的镶嵌作用。
研磨时，一般将被研磨的金刚石包埋在锡斗中，只露出需研磨的面。
研磨时的研磨盘转速约为2500r/min，研磨压力约为1kg/mm2。
金刚石的研磨与其它刀具材料的加工有很大区分，其研磨机理至今尚未得到令人信服的阐释，影响研磨质量的因素也是多方面的。
下面就金刚石刀具研磨的一些工艺问题进行讨论。
2磨削量的影响因素通过试验发觉，磨削量与研磨条件的关系为V=kvp式中V研磨体积k磨削率v磨削速度p研磨压力此外，金刚石的磨向、磨料的粒度、磨粒在铸铁孔隙中的镶嵌情形等因素也会更改磨削率的大小，从而影响磨削量。
3研磨质量的影响因素金刚石硬度高、脆性大，研磨时虽然刀具表面粗糙度较易保证，但刀刃简单显现崩口，刀刃锯齿度不易降低。
超精密加工要求刀具刃口在500倍显微镜下察看无崩口，因此需要从各方面优化研磨过程，以获得平直完美的刀刃。
研磨粉粒度和研磨盘表面状态对研磨质量的影响可以看出，由于粗粉对刀刃的冲击性较大，研磨后刀刃锯齿度也较大，基本上难以研磨出无崩口的刀刃；而采纳细粉时，经过几分钟的研磨后刀刃即变得平直，锯齿度趋向于零。
金刚石切削黑色金属时刀具磨损机理的摩擦磨损试验
金刚石切削黑色金属时刀具磨损机理的摩擦磨损试验周明;邹莱【摘要】With the purpose of reducing the tool wear in a diamond cutting operation of ferrous metals and improving the machined surface quality and machining precision,the tool wear mechanism wasstudied.Experiments of the frictional wear between diamond and steel were performed to imitate the tool wear process in a practical diamond cutting.The wear morphology of workpiece surface,the changes in chemical composition of work samples,and the transformation of crystal structure of diamond specimens were detected by the Scanning Electron Microscopy(SEM),X-ray Energy Spectrometer(EDS)and the Raman Spectroscopy(RS).Then,the graphitized degree of diamond was proposed as a criterion for assessing diamond wear in tests.The experimental results reveal that the wear of diamond relies heavily on mechanical forces and temperatures,and less on the sliding speeds and carbon contents of materials in the test.The wear mechanisms of diamond in this frictional wear experiment include graphitization,diffusion wear and oxidation wear,and the graphitization is found to be the dominant wear mechanism for diamond wear.In addition,the graphitized degree increases up to 83％with temperature rising of 15 ％.In conclusion,the tool wear mechanism should be considered comprehensively in condition of thermal-force coupling for further exploring technological measures with respect to reduce the tool wear.%为了降低黑色金属金刚石切削过程中的刀具磨损,提高表面加工质量和精度,对刀具磨损机理进行了研究.通过黑色金属金刚石摩擦磨损试验,模拟了实际切削过程中的刀具磨损行为;分别采用扫描电镜(SEM) 、X射线能谱仪(EDS)以及拉曼光谱仪(RS)对工件表面形貌、实验前后工件表面化学组分变化以及金刚石磨损表面的晶体结构转变进行了检测,同时提出了用石墨化程度作为试验过程中评价金刚石磨损的指标.试验结果表明:金刚石的磨损主要与机械力和温度有关,摩擦速度和工件材料中的含碳量对其影响相对较小;石墨化磨损、扩散磨损和氧化磨损等磨损机理共存,其中石墨化为导致金刚石磨损的主要原因.结合红外热像仪测温和热传导理论推算,近似获得了摩擦界面的真实温度,且随着温度升高15％,金刚石石墨化程度显著加剧83％.作者提出,应当综合考虑热-力耦合作用下的刀具磨损机理,以便进一步探寻抑制刀具磨损的工艺措施.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)007【总页数】9页(P1786-1794)【关键词】超精密加工;金刚石切削;黑色金属;摩擦磨损;磨损机理【作者】周明;邹莱【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG501.1;TH117.11 引言黑色金属由于具有其它材料难以替代的性能优势而在模具行业有着广泛的应用前景，其超精密加工的需求也日益增多。
金刚石切削黑色金属时刀具磨损机理的摩擦磨损试验
＊Ｃ０ ｒ ｒ 已 ｓ ０ ｇ ａ ｕ ｔ ｈ ｏ ｒ，Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｚ ｈ ｏ ｕ ｍｉ ｎ ｇ ＠ｈ ｉ ｔ ． ｅ ｄｕ ． ｃ ｎ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｐ ｕｒ ｐｏ ｓ ｅ ｏｆ ｒ ｅ ｄ ｕｃ ｉ ｎｇ ｔ ｈｅ ｔ ｏ ｏ ｌ ｗｅ ａ ｒ ｉ ｎ ａ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎｄ ｃ ｕｔ ｔ ｉ ｎｇ ｏｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｕｓ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｓ
金刚石车削刀具的磨损分析与改进
金刚石车削刀具的磨损分析与改进金刚石车削刀具是现代制造业中不可或缺的重要工具。
然而，由于其高硬度和脆性，金刚石车削刀具在长时间使用过程中会遭受磨损，降低其使用寿命和切削性能。
为了延长金刚石车削刀具的寿命并提高加工质量，对其磨损进行分析并进行改进是非常必要的。
首先，我们可以从金刚石车削刀具的磨损形式入手，分析其磨损的原因。
金刚石车削刀具的磨损形式包括磨粒磨损、界面磨损、热磨损等。
磨粒磨损主要是由于工件材料中的硬质粒子与金刚石颗粒之间的相互作用引起的，界面磨损则是金刚石与工件材料之间的高温热膨胀不匹配导致的。
此外，热磨损主要是由于金刚石车削刀具在高温环境中的氧化、脱碳和加工液中的化学反应引起的。
了解磨损形式和原因可以为改进金刚石车削刀具提供方向。
接下来，我们可以从材料和结构两方面入手改进金刚石车削刀具的磨损问题。
首先，从材料方面，可以选择更高质量的金刚石颗粒和更合适的金刚石结合剂，以提高金刚石车削刀具的硬度和抗磨损性能。
此外，还可以利用纳米材料技术，将纳米材料与金刚石结合，形成复合材料，提高金刚石车削刀具的稳定性和耐用性。
其次，从结构方面，可以设计更合理的刀具形状和刀具表面涂层，以减少刀具与工件之间的摩擦和热量积聚，降低磨损。
还可以采用刀具冷却技术，使金刚石车削刀具在加工过程中保持低温状态，减少热磨损的发生。
除了材料和结构方面的改进，还可以通过改善刀具使用条件和加工工艺来减少金刚石车削刀具的磨损。
例如，可以优化切削参数，选择适当的切削速度、进给量和切削深度，减少刀具与工件的摩擦和磨损。
此外，还可以采用有效的冷却和润滑技术，提高切削液的质量和使用效果，降低热磨损和界面磨损。
同时，定期进行刀具的维护保养，及时更换磨损严重的刀具，也是保护金刚石车削刀具的重要措施。
综上所述，金刚石车削刀具的磨损是制约其使用寿命和加工质量的关键因素。
通过对金刚石车削刀具磨损形式和原因的分析，并进行材料和结构的改进，以及改善使用条件和加工工艺，可以有效延长金刚石车削刀具的寿命，提高加工质量。
金刚石刀具这么硬，他的磨削特点真的不一般！
金刚石刀具这么硬，他的磨削特点真的不一般！一．金刚石刀具磨削的工艺特点金刚石刀具的磨削有其自身的工艺特点，比较突出的特点为是材料硬度高，导致砂轮在磨削过程中损耗过快，尺寸不稳定；其二，金刚石刀具多数为车刀或刀片，其磨削部位相对于机床的位置是不确定的（如刀片厚度的变化），引起磨削点的变化。
其三，磨削抗力大，使砂轮、刀具、卡具和机床组成的工艺系统产生比较大的弹性变形，从而产生比较大的“让刀”现象。
这三个特点是实现自动化磨削的三只“挡路虎”，直接影响刀具的模削后的尺寸精度。
如果不妥善解决，必然引起磨削尺寸精度和粗糙度一致性差，磨削效率低，不适合大批量生产。
声控技术在金刚石工具磨床上的使用，能有效地解决这个三个问题。
二．自适应控制技术在粗磨时的应用粗磨金刚石的主要任务是：提高磨削效率，也就是尽量少地设定安全距离，减少“磨削”空气的时间；在机床刚性能承受的范围内，尽快地去除磨削余量；尽早地发现磨削余量已经去除（标志是磨削抗力减少到最小）。
砂轮与金刚石刀具摩擦产生剧烈的声波在工艺装备上传播，对声波的监控能准确地反映出磨削状况，如刀具与砂轮是否接触，刀具与砂轮之间的压力（即磨削抗力）是否消除等。
如果控制系统能实时采集这些信息并进行分析，使机床控制系统与之相适应，这无异于给机床安装上了一只灵敏的耳朵，使机床控制器成为一个更为智能的自适应系统。
事实上，该系统的研发也是受现场工人磨刀的启发。
正常磨削的时候，有两种情况声波频率是有明显特征，一是刀具和砂轮接触的瞬间，二是磨削达到最终尺寸（磨削抗力下降为最小）时，这很容易理解。
前者可以作为快速进给结束，开始磨削进给的分界线；后者则可以作为磨削完成的标志。
即便是在刀具与砂轮“紧密接触”的过程中，声波频率的变化也能反映出刀具与砂轮之间的抗力，将这“信息”反馈给机床控制器，调整伺服的进给速度，使磨削在相对“恒定”的抗力下完成，对于提高磨削效率，延长机床寿命具有很大的意义。
三．“对刀磨法”在精磨上的应用金刚石精磨的主要任务是：准确而稳定地控制磨削的最终尺寸精度。
单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析
单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析磨损分析是评估单晶金刚石车刀在超精密单点切削中使用过程中的性能退化情况。
磨损是由切削力和摩擦力引起的，而超精密单点切削要求较小的切削力和摩擦力。
因此，单晶金刚石车刀的磨损是非常重要的。
首先，单晶金刚石车刀的磨损主要有两种形式：刃口磨损和表面磨损。
刃口磨损会导致车刀的切削边缘变钝，从而降低切削效率和切削质量。
表面磨损主要是由刀具与工件表面接触时产生的摩擦引起的。
这些磨损形式都会导致单晶金刚石车刀的使用寿命减少。
其次，可以通过磨损分析来确定单晶金刚石车刀的磨损程度。
常用的磨损评估方法有：测量切削力和刀具表面形貌、观察工件表面质量等。
测量切削力可以间接评估刃口磨损程度，如果切削力增加，则说明刃口已经磨损。
观察工件表面质量也可以判断磨损情况，如果工件表面粗糙度增加，则说明刃口已经损坏。
最后，还可以通过磨损分析找出导致单晶金刚石车刀磨损的原因。
可能的原因包括：切削条件不合适、切削速度过高、切削液不合适等。
通过找出磨损原因，可以采取相应的措施来减少磨损，延长单晶金刚石车刀的使用寿命。
总之，单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析是评估其使用寿命和性能的重要手段。
通过磨损分析，可以确定磨损程度，找出导致磨损的原因，并采取相应的措施来延长车刀的使用寿命。
此外，单晶金刚石车刀磨损分析还可以提供对刀具寿命的预测和刀具性能的改进。
通过磨损分析，可以获取关于刀具磨损速率和刀具寿命的重要信息。
这些信息对于制定合理的刀具更换计划非常关键，以避免频繁更换刀具或过度使用磨损严重的刀具。
磨损分析还可以帮助改进单晶金刚石车刀的设计和制造工艺。
通过观察磨损形态和区域，可以了解刀具的磨损机制和影响因素。
这对于优化刀具的材料、几何形状和涂层等方面非常有价值。
例如，可以针对刀具的磨损情况进行改进，使其更耐磨、更耐用，并提高切削效率和切削质量。
此外，磨损分析还可以通过对比不同切削条件下的磨损情况，寻找最佳的切削参数组合。
聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理
聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王 奔1 刘东玺1 王明海1,2印文典1 郑耀辉11.沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室,沈阳,1101362.北京航空航天大学,北京,100191摘要:针对各向同性热解石墨切削过程中刀具磨损过快的问题,采用聚晶金刚石(P C D )刀具进行了切削加工试验㊂研究了切削过程中P C D 刀具的磨损形式㊁磨损规律以及刀具磨损对表面加工质量的影响㊂试验结果表明:P C D 刀具磨损主要发生在后刀面上,磨损形式为磨粒磨损和氧化磨损㊂磨损区域可以分为平行沟槽和严重磨损两种形貌㊂初始磨损阶段,磨损带长度急剧增大,并在切削1200m 后进入正常磨损阶段㊂切削过程中还出现了石墨切屑在磨损区域的黏附堆积和刀具崩刃现象㊂切削初期,随着切削距离的增大,加工表面粗糙度值急剧增大,切削距离为600m 时表面粗糙度达到最大值1.7μm ㊂关键词:各向同性热解石墨;聚晶金刚石刀具;刀具磨损;表面粗糙度中图分类号:T H 161 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.20.005W e a rM e c h a n i s mo f P C DT o o l d u r i n g C u t t i n g o f I s o t r o p i cP y r o l y t i cG r a ph i t e W a n g B e n 1 L i uD o n g x i 1 W a n g M i n g h a i 1,2 Y i n W e n d i a n 1 Z h e nY a o h u i 11.K e y L a b o r a t o r y o f F u n d a m e n t a l S c i e n c e f o rN a t i o n a lD e f e n s e o fA e r o n a u t i c a lD i gi t a l M a n u f a c t u r i n g P r o c e s sS h e n y a n g A e r o s p a c eU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g,1101362.B e i h a n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g,100191A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t h e r a p i d t o o lw e a r d u r i n g c u t t i n g o f i s o t r o p i c p y r o l y t i c g r a p h i t e ,a t u r n i n ge x p e r i m e n t of i s o t r o p i c p y r o l y t i cg r a phi t ew a s c o n d u c t e du s i n g PC Dt o o l s .T h ew e a r f o r m a t i o n o f P CD t o o l ,t o o l l i f e a n d t h e e f f e c t s o f t o o lw e a r o n t h em a c h i n e ds u r f a c ew e r e s t u d i e d .B a s e do nt h e e x p e r i -m e n t a l r e s u l t s a n d a n a l y s e s ,t h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e P C D t o o l w e a rm a i n l y oc c u r r e s i n t h e f l a n k f a c e ,a nd t h ewe a rf o r m s a r e a b r a s i v ew e a r a n d o x i d a t i o nw e a r .T h ew e a r a r e a c a nb e d i v i d e d i n t o t w ok i n d so fm o r p h o l o g y :p a r a l l e l g r o o v e s a n d s e v e r ew e a r .T h e l e n g t h o fw e a r r e gi o n i s i n c r e a s e d f a s t i n t h e f i r s t s t a g e .W h e n t h e c u t t i n g d i s t a n c e i s l a r g e r t h a n 1200m ,t h e c u t t i n g t o o l e n t e r s t h e n o r m a lw e a r s t a ge .B e s i d e s ,c h i p a c c u m u l a t i o n i nw e a r r e g i o na n d t o o l e d g ec h i p p i n g a p p e a r i nt h ec u t t i n gpr o c e s s .W i t h t h e i n c r e a s e o f c u t t i n g d i s t a n c e ,t h e r o u gh n e s so fm a c h i n e ds u r f a c e i n c r e a s e s f a s t .A n d t h em a x i m u m r o u g h n e s s i s a s 1.7μm w h e n t h e c u t t i n g di s t a n c e i s o f 600m.K e y wo r d s :i s o t r o p i c p y r o l y t i c g r a p h i t e ;p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d (P C D )t o o l ;t o o lw e a r ;s u r f a c e r o u gh n e s s 收稿日期:20150121基金项目:国防基础科研计划支持项目0 引言各向同性热解石墨不仅具有传统碳质材料的共性优点,如耐高温㊁高导热/导电性㊁耐磨性和润滑性等,而且相对于碳/碳复合材料还具有气密性好㊁抗粘结性强㊁热膨胀系数低和对高低温交变的适应性良好[1‐3]等特点㊂目前,各向同性热解石墨已经成为机械密封领域中关键部件的首选材料,主要应用于航空航天㊁精密机械㊁核工程㊁医学等现代高科技行业,例如飞机的刹车盘㊁航空发动机涡轮轴间密封环㊁固体火箭发动机喷管喉衬部件㊁医学人工心瓣等[4‐5]㊂各向同性热解石墨材料属于脆性材料,硬度很高,在较小的弹性变形之后就会发生脆性断裂㊂另外,在各向同性热解石墨的制备过程中,由于设备㊁理论和工艺的不完善,在其内部的局部区域存在孔隙㊁夹杂硬质颗粒㊁裂纹等组织缺陷,这些组织缺陷会严重影响加工过程的稳定性和成品件的加工质量[6‐9]㊂各向同性热解石墨切削加工过程中的问题较多,主要集中在表面加工质量和形面精度低㊁边缘断裂和崩角现象严重㊁刀具磨损严重[3]等,其中,刀具磨损严重已经成为限制各向同性热解石墨广泛应用的瓶颈㊂国内外学者对石墨材料加工过程中刀具磨损机理进行了研究㊂钟启茂[10]研究了金刚石涂层㊃1272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王 奔 刘东玺 王明海等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.刀具高速铣削石墨时的磨损形态与过程,发现金刚石涂层刀具的磨损形式为薄膜的破损脱落,较大的切削用量㊁切削过程中的交变载荷和交变应力㊁积屑瘤等因素是造成涂层薄膜脱落的主要原因㊂闫秋生[11]研究了A G 2陶瓷刀具和YG 类硬质合金刀具切削烧结石墨材料时的刀具磨损机理,发现磨料磨损和粘结磨损是刀具的两种主要磨损形式,磨损区域主要发生在刀具的后刀面㊂杨小璠等[12]研究了具有超细晶粒和粗晶粒金刚石涂层的双刃整体硬质合金铣刀加工G S K 高纯度石墨的刀具磨损情况,发现细晶粒的金刚石涂层刀具表面涂层性能良好,刀具磨损缓慢,刀具寿命是粗晶粒金刚石涂层刀具寿命的1.4倍,磨粒磨损㊁粘结磨损以及早期涂层脱落是刀具主要的磨损形式㊂魏莎莎等[13]研究了C V D 金刚石涂层刀具和硬质合金刀具切削石墨时的刀具磨损情况,发现硬质合金刀具在很短的时间内发生剧烈磨损㊂C V D 金刚石涂层铣刀在铣削石墨材料时表现出较高的耐用度和良好的抗黏着性,刀具寿命是未涂层的硬质合金刀具寿命的10~20倍㊂M a s u d a 等[14]研究了用硬质合金刀具切削石墨和热解碳时的刀具磨损问题,发现石墨材料发生脆性裂断,产生的石墨颗粒沿前刀面流出,刀具磨损区域主要在前刀面,磨损形式是月牙洼㊂C a b r a l等[15]研究了采用时效处理的C V D 金刚石刀具切削石墨的刀具磨损问题,发现刀具磨损区域主要在前刀面和后刀面,而且切削过程中产生的颗粒状石墨切屑会加速刀具磨损㊂聚晶金刚石(P C D )是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微颗粒聚集烧结合成的多晶体材料[16]㊂由于金刚石微颗粒在空间上排列呈无序状态,所以聚晶金刚石的整体表现为各向同性,再加上硬度高且硬度均匀㊁热膨胀系数低㊁弹性模量高和摩擦因数小等诸多优点,使聚晶金刚石成为一种理想的超硬刀具材料㊂P C D 刀具刃口锋利,硬度高达8000M P a ,而且P C D 刀具前刀面比较光滑,表面粗糙度甚至可达0.1μm ,切屑可以很容易地沿前刀面流出㊂另外,P C D 刀具与非金属材料间的亲和力很小,从而可以避免切屑在前刀面大量堆积[17]㊂目前,P C D 刀具在非金属硬脆材料如高耐磨材料㊁复合材料㊁高硅铝合金及其他韧性有色金属材料的精密加工领域得到了广泛的应用[18‐21]㊂因此,P C D 刀具也是切削各向同性热解石墨的理想刀具㊂性热解石墨材料切削过程中P C 的研究较少㊂本文以P C D 刀具和硬质合金刀具车削各向同性热解石墨作为研究对象,重点分析了车削加工过程中P C D 刀具的磨损形式和刀具磨损规律,并研究了各向同性热解石墨表面质量变化规律㊂1 切削试验1.1 刀具和试件材料试验使用P C D 刀具和硬质合金刀具,前角为-20°,后角为5°,刀尖圆弧半径为2mm ,其中,P C D 刀具中金刚石微颗粒的粒度为10μm ㊂P C D刀具的形貌如图1所示㊂为了便于观察刀具的磨损情况,采用的是可装夹式的刀具(有利于保证每次测量前后刀具相对工件的位置保持不变)㊂试件材料为各向同性热解石墨,基本性能参数见表1㊂表2为能谱仪(E D S )分析的各向同性热解石墨化学元素成分结果㊂(a )P C D 刀具整体形貌(b)后刀面图1 P C D 刀具的形貌表1 各向同性热解石墨材料的基本参数密度(g/c m 3)肖氏硬度抗折强度(M P a)抗压强度(M P a)1.78110150250弹性模量(G P a )热膨胀系数(10-6/℃)热导率(W /(M ㊃K ))显微硬度(M P a )20.06.5050.0600表2 各向同性热解石墨材料的质量分数㊃2272㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月1.2 试验条件切削参数设置如下:切削速度v c= 100m/m i n,切削深度a p=0.06mm,进给量f= 25μm/r㊂在车削试验的过程中,采用基恩士V H X‐2000型超景深三维显微系统观察刀具磨损区域的形貌,并记录刀具后刀面的磨损带宽度B 和磨损带长度d;采用X射线能谱仪(E D S)对加工后的P C D刀具磨损区域表面元素进行分析,同时采用拉曼光谱(HO R I B A,L a b R AM H R800)对P C D刀具后刀面存在的化合物进行分析;用T R240表面粗糙度仪检测已加工表面粗糙度,为了增加测量结果的准确性和有效性,每个取样点测量10次,然后取其算术平均值㊂2 结果与讨论2.1 刀具磨损形式各向同性热解石墨属于脆性材料,切削加工过程中产生的切屑与前刀面的接触距离很短,而且石墨切屑产生的塑性变形小,因此,P C D刀具前刀面磨损较小㊂图2所示为切削300m后刀具的磨损形貌㊂从图2a可以看出,当切削距离达到300m时,前刀面上磨损很小,在放大倍数为100的显微镜下观察不到任何磨损迹象㊂从图2b可以看到,后刀面磨损区域分布着深度和长度各异的磨损沟槽,沟槽的方向平行于切削方向,相邻两条沟槽之间的距离与金刚石微颗粒的粒度大小相当㊂同时,P C D刀具磨损区域可以分为严重磨损的A区域与平行沟槽的B区域两部分㊂此时硬质合金刀具的磨损情况如图2c㊁图2d所示㊂从前刀面来看,前刀面上没有发现明显的磨损迹象,圆弧形刀尖已经被磨损成直线形,线段的长度约521μm㊂与P C D磨损形貌相似,硬质合金刀具后刀面磨损区域也是平行沟槽状的磨损形貌,而且相邻两沟槽之间的距离变化较大㊂从刀尖区域的快速磨损来看,硬质合金刀具不适合作为各向同性热解石墨材料的切削刀具㊂由图2b可以看出,P C D刀具磨损区域的形状类似抛物线,而且可以分为严重磨损的A区域㊁平行沟槽的B区域两种存在差异的形貌㊂图3所示为石墨试件和刀具的相对位置㊂刀尖A区域是实际参与切削加工的刀具区域,该部分刀具切削刃及后刀面所承受的冲击载荷和切削应力都比较大,因此,A区域刀具磨损也比较严重;刀尖B区域实际参与切削加工过程的程度有限,该部分刀具的主要作用是修整已加工表面,刀具后刀面与试件之间的接触方式主要是滑动摩擦,在切(a)P C D刀具前刀面(b)P C D刀具后刀面(c)硬质合金刀具前刀面(d)硬质合金刀具后刀面图2 切削300m后刀具磨损区域的形貌削加工过程中产生的一些硬质颗粒难免会进入滑动摩擦副,从而对B区域刀具后刀面产生 划擦”作用,因此,B区域刀具出现平行沟槽磨损现象㊂从P C D刀具的磨损形貌来看,P C D刀具的磨损形式之一是磨粒磨损㊂最初的后刀面磨损是由各向同性热解石墨中的球形硬颗粒碳㊁夹杂的㊃3272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理 王 奔 刘东玺 王明海等Copyright©博看网. All Rights Reserved.图3 刀具和试件相对位置硬质颗粒引起的磨损㊂随着切削距离的增加,后刀面上磨损更严重㊂这导致刀具后角减小,后角减小增加了摩擦阻力㊂另外,P C D材料烧结时所用的钴等金属结合剂也因为脆性断裂而失去其应有的作用,金刚石微颗粒就会脱离刀具表面[22‐23]㊂在交变载荷和交变应力的综合作用下,这些硬质颗粒在已加工表面和P C D刀具后刀面之间滚擦,并对P C D刀具的后刀面形成 划擦”作用㊂通过检测,两条相邻沟槽之间的距离为9~12μm,结合P C D刀具中金刚石微颗粒粒度(10μm)可以看出,两者大小基本一致㊂因此,由磨损区域两条相邻平行沟槽的间距与金刚石微颗粒粒度的关系可知,金刚石微颗粒对P C D刀具后刀面的 划擦”作用是形成平行沟槽磨损形貌的主要原因㊂随着金刚石微颗粒的持续脱落,后刀面将产生更剧烈的磨损㊂各向同性热解石墨的主要结构单元为球形颗粒状碳结构,由于球形颗粒状碳结构内部材料致密㊁石墨化程度低以及球形颗粒碳结构的尺寸较小等因素,导致球形颗粒的硬度比较高[8]㊂因此,石墨材料中的球形颗粒碳㊁夹杂的硬质颗粒也是造成P C D刀具后刀面平行沟槽磨损形貌的原因之一㊂硬质合金刀具后刀面平行沟槽状磨损形貌主要由夹杂的硬质颗粒㊁颗粒状切屑等硬质点造成㊂由于这些硬质点的尺寸大小不一,故形成的两平行沟槽的间距变化也比较大㊂为进一步研究P C D刀具的磨损机理,采用能谱仪(E D S)对刀具后刀面的表面化学元素进行分析㊂P C D刀具表面能谱分析的检测位置如图4a 所示,其中,1点为刀具基体即刀具基体,2点为B 区域即刀具平行沟槽磨损区域,3点为A区域即刀具表面产生严重磨损区域㊂图4b为图4a中第2点处的检测结果㊂结合能谱仪对P C D刀具后刀面的表面化学元素分析结果,P C D刀具表面C㊁O㊁C o㊁W四种化学元素的质量分数变化情况见表3㊂(a)P C D刀具表面元素分析检测位置(b)2点处的检测结果图4 能谱仪检测位置和检测结果表3 P C D刀具后刀面3个取样点化学元素的质量分数%取点序号C O C o W197.140.011.021.83299.050.070.270.61399.090.170.340.40从表3可以看出,P C D刀具磨损前后C㊁O 元素含量有所增加,C o㊁W元素含量有所减少㊂化学元素含量的变化表明P C D刀具在切削各向同性热解石墨的过程中发生了氧化磨损㊂切削速度为100m/m i n左右时,切削温度高达500℃,而且切削温度与切削速度成线性关系[14]㊂P C D刀具后刀面磨损区域和切削刃区域的温度则会更高㊂由于温度的升高,P C D刀具表面可能逐渐发生一系列氧化反应,如金属钴与氧气发生氧化反应生成氧化钴;金刚石颗粒与氧气发生氧化反应生成一氧化碳和二氧化碳;一氧化碳和金刚石颗粒发生氧化反应生成二氧化碳和石墨㊂其中对P C D刀具磨损影响最严重的是金属钴与氧气的氧化反应,金属钴元素在P C D刀具材料中充当结合剂的作用,由于氧化反应造成金属钴元素的流失,进而导致P C D刀具中金刚石微颗粒的大量脱落,刀具磨损也会更加剧烈㊂上述一系列氧化反应的化学反应式如下:C o+O2→C o3O4+C o OC(金刚石)+O2→C O+C O2C O+C(金刚石)→C O2+C(石墨)㊃4272㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.2.2 刀具磨损规律为了研究P C D 刀具磨损规律,对刀具磨损区域进行了检测㊂图5a 为P C D 刀具后刀面磨损带长度d 和宽度B 的测量示意图㊂图5b ㊁图5c 所示为整个切削过程中P C D 刀具后刀面磨损带的变化情况㊂从刀具磨损带的宽度来看,刀具磨损速度变化趋势较稳定,且磨损速度一直减小㊂而从刀具磨损带的长度来看,切削初期,P C D 刀具磨损量急剧增大,切削距离s =1200m 时进入稳定磨损阶段㊂从图5b ㊁图5c 可以看出,切削距离达到4800m 之后,刀具磨损速度开始明显加快,即P C D 刀具磨损进入急剧磨损阶段㊂(a)刀具磨损测量示意图(b )P C D刀具后刀面磨损带宽度曲线(c )P C D 刀具后刀面磨损带长度曲线图5 后面磨损曲线随着切削距离的增加,后刀面上一部分A 区域逐渐被石墨切屑所覆盖㊂当切削距离达到5800m 时,切屑的覆盖区域已经接近切削刃,而且之前出现在磨损区域中较深的沟槽内也开始逐渐出现石墨覆盖现象㊂另外,平行沟槽磨损区域也开始变得模糊,有一部分平行沟槽已经完全消失㊂后刀面的磨损情况如图6a 所示㊂切削刃出现了连续微崩刃式的破损,而且微破损区域已经扩展到了前刀面上,如图6b 所示㊂在P C D 刀具施加的切削力的作用下,各向同性热解石墨材料以解理㊁崩碎形成小碎块的形式脱离试件,在已加工表面上形成不同大小和深度的凹坑,进而导致刀具和试件之间的接触不连续,即切削过程中存在着 空切”阶段,而且各向同性热解石墨材料内部存在的气孔㊁裂纹等组织缺陷也会进一步造成切削过程的非连续性[6‐7,9]㊂因此,在切削加工过程中交变载荷和交变应力的综合作用下,P C D 刀具切削刃就会产生微裂纹,并在加工过程中逐渐扩展,最终导致P C D 刀具崩刃㊂另外,切削加工系统的颤振以及切削参数选择不当也可能是导致刀具崩刃的重要因素㊂(a)后刀面(b)前刀面图6 持续切削至5800m 时P C D 刀具的磨损变化情况切屑形状的变化与刀具的磨损过程紧密相关㊂为进一步研究刀具的磨损机理,对切削过程中的切屑形状进行了检测㊂各向同性热解石墨的切屑为颗粒状,且随切削距离的增加,切屑尺寸逐渐增大㊂切削距离分别为100m 和900m 时的各向同性热解石墨切屑形态如图7所示㊂可以看出,当s =100m 时,各向同性热解石墨切屑的最大对角尺寸约70~95μm ;当s =900m 时,各向同性热解石墨切屑的最大对角尺寸约200~250μm ㊂当s =100m 时,刀具具有较好的锋利性,切削时材料的变形区域相对较小,因此,产生㊃5272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王 奔 刘东玺 王明海等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.的切屑尺寸较小;当s =900m 时,刀具磨损较严重,刀具与材料的接触面积较大,切削过程中材料的变形区域较大,导致产生的切屑尺寸较大㊂(a )s =100m(b )s =900m图7 各向同性热解石墨切屑形态各向同性热解石墨主要结构单元为球形颗粒状碳结构,在沉积过程中就会因为相互搭接而形成一定孔隙(孔隙内分布着片状或者带状的石墨晶体)㊂石墨晶体是六角环形网格堆积而成的层状结构,层与层之间的结合力很弱㊂因此,石墨与后刀面摩擦的过程中,石墨晶体容易发生层间解离,形成碎断的石墨鳞片并黏附在刀具后刀面的磨损区域上[2]㊂这也解释了C 元素参与上述一系列氧化反应后质量反而增加的原因,O 元素的质量分数则由于钴㊁钨等元素的减少而相应地增加㊂为了验证切削过程中发生了石墨转移现象,采用拉曼光谱(HO R I B A ,L a b R AM H R 800)对刀具磨损区域表面存在的化合物进行分析㊂结果如图8所示,石墨峰的出现证明了P C D 刀具后刀面磨损区域石墨的存在㊂2.3 加工表面质量切削距离不同时的各向同性热解石墨加工表面形貌如图9所示㊂当s =100m 时即切削初期,P C D 刀具切削刃相对锋利,加工表面质量好,已加工表面平滑且凹坑深度小㊂当s =600m 时,刀具磨损愈加严重而且此时石墨转移不充分,加工表面质量差,表面出现较大的凹坑㊂当s =1500m 时,石墨切屑在P C D 刀具后刀面达到了充分黏附,一方面延缓了刀具磨损,另一方面改变了图8 P C D 刀具表面成分分析结果刀具与试件之间的摩擦性质,加工表面质量有所改善㊂(a )s =100m(b )s =600m(c )s =1500m图9 试件加工表面形貌为进一步检测加工表面质量,对石墨表面轮廓及表面粗糙度进行了分析㊂切削距离分别为600m 和1950m 时,P C D 刀具加工得到的各向同性热解石墨试件表面微观形貌如图10所示㊂选取图10中A 点为测量起点,B 点为测量终点,图10b 所示为A ㊁B 两点连线的表面轮廓曲㊃6272㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)轮廓测量位置(b)表面轮廓对比图10 加工表面的微观形貌线㊂从图10b 可以观察到,s =600m 时,P C D 刀具的加工表面分布着较大的凹坑和凸峰,起伏范围也比较大,加工表面的最大高度差为105μm ;s =1950m 时,P C D 刀具的加工表面质量明显变好,加工表面的最大高度差为20.15μm ,无论是凹坑的深度还是凸峰的高度相比s =600m 时的加工表面都要小且分布比较均匀㊂加工表面粗糙度R a 与P C D 刀具切削距离的关系如图11所示㊂切削距离小于600m 时,已加工表面粗糙度急剧上升,并在切削距离为600m 时达到了最大值1.7μm ,随后已加工表面粗糙度减小,当切削距离大于1200m 时,表面粗糙度呈现出波浪式变化趋势,上下变化的浮动值约0.4μm ,表明P C D 刀具具有良好的切削稳定性㊂图11 表面粗糙度与切削距离的关系切削初期,P C D 刀具磨损非常快,导致表面粗糙度R a 急剧增大㊂随着切削距离的增加,石墨切屑开始黏附堆积在P C D 刀具的磨损区域㊂当s >600m 时,滑动摩擦副关系由原来的P C D 刀具与石墨之间的摩擦变为石墨与石墨之间的摩擦,摩擦因数逐渐减小,已加工表面粗糙度也会相应地减小㊂但是,石墨切屑在P C D 刀具磨损区域的堆积并不是十分牢固,在切削加工过程中还会不断地从P C D 刀具上破损脱落,与此同时,新产生的石墨切屑还会在磨损区域再次堆积㊂当s >1200m 时,石墨切屑在P C D 刀具磨损区域的黏附堆积是一个动态变化过程,即堆积 破损脱落 再堆积,这也是导致已加工表面粗糙度呈现波浪式变化的原因㊂3 结论(1)P C D 刀具切削各向同性热解石墨材料时刀具磨损主要发生在后刀面上,磨损区域分为平行沟槽和严重破损两种存在差异的磨损形貌,相邻两沟槽之间的距离与P C D 刀具材料中金刚石微颗粒的粒度相当,约9~12μm ,磨损形式是磨粒磨损和氧化磨损㊂硬质合金刀具磨损非常快,作为各向同性热解石墨材料的切削刀具具有较大的局限性㊂(2)随着切削距离的增加,P C D 刀具磨损区域的形状发生了明显变化,由抛物线向长方形演变㊂切削过程中还出现了石墨切屑在刀具磨损区域的堆积和P C D 刀具切削刃崩刃现象㊂(3)切削初期,已加工表面粗糙度值急剧增大,并在s =600m 时达到最大值1.7μm ㊂随后已加工表面粗糙度值减小并呈波浪式变化,这主要是因为石墨切屑在P C D 刀具磨损区域的动态黏附堆积改变了刀具与已加工表面之间的接触状态㊂参考文献:[1] W a n g M H ,W a n g W ,H u a n g S T ,e ta l .S t u d y on t h eM e c h a n i s mo fD i a m o n d W e a r i nP r e c i s i o nC u t -t i n g o f I s o t r o p i cP y r o l y t i cG r a p h i t e [J ].K e y E n g i -n e e r i n g M a t e r i a l s ,2012,499:168‐172.[2] 康晓峰.各向同性热解石墨切削机理研究[D ].沈阳:沈阳航空工业学院,2010.[3] 聂鹏,康晓峰,王明海,等.各向同性热解石墨超精密车削加工机理研究[J ].机械设计与制造,2011(6):177‐179.N i e P e n g ,K a n g X i a o f e n g ,W a n g M i n gh a i ,e ta l .S t u d y o nU l t r a ‐p r e c i s i o nT u r n i n g M e c h a n i s mf o r I -s o t r o p i cP y r o l y t i c G r a p h i t e [J ].M e c h a n i c a lD e s i g n a n d M a n u f a c t u r i n g,2011(6):177‐179.[4] 张淑娟,王俐.浅析热解石墨的制造与应用[C ]//中国电工技术学会碳 石墨材料专业委员会第十五届学术会议.成都,1994:216‐219.㊃7272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王 奔 刘东玺 王明海等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.[5] 黄荔海,李贺军,李克智,等.碳密封材料的研究进展及其在航空航天领域的应用[J].宇航材料工艺, 2006(4):12‐17.H u a n g L i h a i,L iH e j u n,L i K e z h i,e t a l.R e s e a r c hD e-v e l o p m e n t a n dA p p l i c a t i o no fC a r b o nS e a l i n g M a t e-r i a l o n N a v i g a t i o na n dS p a c e f l i g h tF i e l d[J].A e r o-s p a c eM a t e r i a l s&T e c h n o l o g y,2006(4):12‐17.[6] 吴峻峰,白朔,张海峰,等.各向同性热解炭材料中的缺陷分析和超声检测技术[J].航空材料学报, 2011(1):93‐96.W u J u n f e n g,B a iS h u o,Z h a n g H a i f e n g,e t a l.D e f e c tA n a l y s i sa n d U l t r a s o n i cT e s t i n g o f I s o t r o p i cP y r o-l y t i cC a r b o n[J].J o u r n a l o fA e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s, 2011,31(1):93‐96.[7] 李正操,付晓刚,陈东钺,等.各向同性石墨结构与工艺条件的关系[J].深圳大学学报(理工版), 2010,27(2):137‐141.L i Z h e n g c a o,F uX i a o g a n g,C h e nD o n g y u e,e t a l.T h eR e l a t i o n s h i p o fS t r u c t u r ea n dP r o c e s s i n g C o n d i t i o no f I s o t o p i cG r a p h i t e[J].J o u r n a lo fS h e n z h e n U n i-v e r s i t y(S c i e n c e&E n g i n e e r i n g),2010,27(2):137‐141.[8] 吴峻峰,白朔,刘树和,等.大尺寸各向同性热解炭材料的制备与表征[J].新型碳材料,2006,21(2): 119‐124.W u J u n f e n g,B a i S h u o,L i uS h u h e,e t a l.F a b r i c a t i o na n d C h a r a c t e r i z a t i o n o f L a r g eI s o t r o p i c P y r o l y t i cC a r b o n s[J].N e w C a r b o n M a t e r i a l s,2006,21(2):119‐124.[9] 于淑贤,刘明非.石墨电极在S E M下的特征[J].炭素技术,2001(4):19‐22.Y u S h u x i a n,L i u M i n g f e i.C h a r a c t e r i z a t i o n o fG r a p h i t e E l e c t r o d e s b y S E M[J].C a r b o n T e c h-n i q u e s,2001(4):19‐22.[10] 钟启茂.金刚石涂层刀具高速铣削石墨的磨损形态与破损机理[J].工具技术,2009,43(6):36‐39.Z h o n g Q i m a o.W e a rF o r m a n d B r e a k a g e M e c h a-n i s mo fD i a m o n dC o a t e dC u t t e r d u r i n g H i g h‐s p e e dM i l l i n g G r a p h i t e[J].T o o l E n g i n e e r i n g,2009,43(6):36‐39.[11] 阎秋生.烧结石墨的切削加工性研究[J].汕头大学学报(自然科学版),1994,9(2):53‐57.Y a nQ i u s h e n g.A S t u d y o n M a c h i n e a b l i t y o fS i n-t e r e d G r a p h i t e M a t e r i a l[J].J o u r n a lo f S h a n t o uU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),1994,9(2):53‐57.[12] 杨小璠,李友生,鄢国洪,等.超细晶粒金刚石涂层刀具高速铣削石墨的切削性能研究[J].制造技术与机床,2013(6):58‐60.Y a n g X i a o p a n,L iY o u s h e n g,Y a n G u o h o n g,e ta l.S t u d y o n P e r f o r m a n c e so f U l t r a‐f i n e G r a i n D i a-m o n dC o a t e dC u t t e r i nH i g h‐s p e e d M i l l i n g G r a p h-i t e[J].M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y&M a c h i n eT o o l,2013(6):58‐60.[13] 魏莎莎,卢志红.C V D金刚石涂层刀具在石墨加工中的应用[J].燕山大学学报,2006,30(5):403‐406.W e i S h a s h a,L uZ h i h o n g.A p p l i c a t i o no fC V D D i a-m o n dF i l m C o a t e d T o o l st o M a c h i n i n g G r a p h i t e[J].J o u r n a lo fY a n s h a n U n i v e r s i t y,2006,30(5):403‐406.[14] M a s u d a M,K u r o s h i m aY,C h u j o Y.T h e M a c h i n-a b i l i t y o fS i n t e r e dC a r b o n sB a s e do nt h eC o r r e l a-t i o n b e t w e e n T o o l W e a r R a t ea n d P h y s i c a la n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e s[J].W e a r,1996,195(1):178‐185.[15] C a b r a lG,R e i sP,P o l i n iR,e t a l.C u t t i n g P e r f o r m-a n c e o fT i m e‐m o d u l a t e dC h e m i c a lV a p o u rD e p o s i-t e dD i a m o n dC o a t e dT o o l I n s e r t s d u r i n g M a c h i n i n gG r a p h i t e[J].D i a m o n d a n d R e l a t e d M a t e r i a l s,2006,15(10):1753‐1758.[16] 周玉海,秦哲,王成勇.金刚石刀具性能及其应用研究[J].机械设计与制造,2009(6):158‐160.Z h o uY u h a i,Q i nZ h e,W a n g C h e n g y o n g.S t u d y o nP e r f o r m a n c ea n d A p p l i c a t i o n o f D i a m o n d T o o l s[J].M e c h a n i c a lD e s i g na n d M a n u f a c t u r i n g,2009(6):158‐160.[17] 邵芳,刘战强,万熠,等.基于热力学的P C D刀具加工Z L109铝合金的扩散磨损[J].天津大学学报,2010,43(4):315‐321.S h a oF a n g,L i uZ h a n q i a n g,W a nY i,e t a l.D i f f u s i o nW e a rf o r P C D T o o l s C u t t i n g A l u m i n u m A l l o yZ L109B a s e do n T h e r m o d y n a m i c s[J].J o u r n a lo fT i a n j i nU n i v e r s i t y,2010,43(4):315‐321. [18] 白清顺,姚英学,P h i l l i p B e x,等.聚晶金刚石刀具加工强化复合地板时的切削性能及磨损机理研究[J].摩擦学学报,2003,23(2):81‐85.B a iQ i n g s h u n,Y a o Y i n g x u e,P h i l l i p B e x,e ta l.W e a r M e c h a n i s m a n d C u t t i n g P e r f o r m a n c e o fP o l y c r y s t a l l i n eD i a m o n d T o o l i n M a c h i n i n g H i g hP r e s s u r eL a m i n a t e dF l o o r i n g[J].T r i b o l o g y,2003,23(2):81‐85.[19] 石文天,刘玉德,丁悦,等.P C D刀具微细车削硬铝合金的表面质量研究[J].机床与液压,2011,39(17):15‐17.S h iW e n t i a n,L i u Y u d e,D i n g Y u e,e ta l.R e s e a r c ho f S u r f a c eQ u a l i t y i n M i c r o‐t u r n i n g A l u m i n u m A l-l o y U s i n g P C D T o o l s[J].M a c h i n e T o o l&H y-d r a u l i c s,2011,39(17):15‐17.[20] 刘珅琢,李勇,寇自力.P C D刀具连续切削花岗岩的性能研究[J].工具技术,2012,46(9):23‐26.L i uK u n z h u o,L iY o n g,K o uZ i l i.S t u d y o nP e r f o r‐㊃8272㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.m a n c eo fP C D C u t t i n g T o o l s i nC o n t i n u e sC u t t i n g f o rG r a n i t e [J ].T o o l E n g i n e e r i n g ,2012,46(9):23‐26.[21] 任文祥,吴玉厚,赵德宏,等.P C D 刀具切削天然大理石的磨损特性研究[J ].金刚石与磨料磨具工程,2013,33(3):56‐59.R e n W e n x i a n g ,W u Y u h o u ,Z h a o D e h o n g ,e ta l .W e a rC h a r a c t e r i s t i c so fP C D T o o l s W h e nC u t t i n gN a t u r a lM a r b l e [J ].D i a m o n d &A b r a s i v e s E n g i -n e e r i n g,2013,33(3):56‐59.[22] 张岩,吕反修,贺琦,等.P C D 和C V D 金刚石刀具切削性能对比及失效机理初探[J ].金刚石与磨料磨具工程,2009(1):49‐52.Z h a n g Y a n ,L üF a n x i u ,H eQ i ,e t a l .C o m p a r i s o no f C u t t i n g Pe rf o r m a n c e sa n d F a i l u r e M e c h a n i s m o f P C Da n d C V D D i a m o n d T o o l s [J ].D i a m o n d &A b r a s i v e sE ng i n e e r i n g,2009(1):49‐52.[23] 孟剑锋,李剑峰,孟磊.金刚石工具加工硬脆材料时的磨损及其影响因素的研究现状[J ].工具技术,2004,38(3):6‐8.M e n g J i a n f e n g ,L iJ i a n f e n g ,M e n g Le i .P r e s e n t S t a t eof R e s e a r c h o n W e a ro f D i a m o n d C u t t i ng T o o l sWh e nC u tH a r da n dB ri t t l e M a t e r i a l a n d I t sI n f l u e n c eF a c t o r [J ].T o o l E n g i n e e r i n g ,2004,38(3):6‐8.(编辑 陈 勇)作者简介:王 奔,男,1984年生㊂沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室讲师㊂主要研究方向为石墨材料的超精密加工㊁复合材料加工等㊂发表论文10余篇㊂刘东玺,男,1989年生㊂沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室硕士研究生㊂王明海,男,1971年生㊂沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室教授,北京航空航天大学能源与动力工程学院博士后研究人员㊂印文典,男,1989年生㊂沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室硕士研究生㊂郑耀辉,男,1975年生㊂沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室副教授㊂一般样条滤波器及其在表面计量中的应用朴伟英1 袁怡宝2 林海军1 许景波11.哈尔滨理工大学,哈尔滨,1500802.哈尔滨工业大学,哈尔滨,150001`摘要:提出了样条滤波器的一般化表达式,由该表达式可以构造线性样条滤波器㊁稳健样条滤波和一般样条滤波器㊂一般样条滤波器保留了部分线性样条滤波器的特性,又具有稳健性㊂采用T u c k y 估计,分别采用一般样条滤波器㊁线性样条滤波器与稳健样条滤波器在表面计量中进行了对比实验,实验结果表明:当表面存在明显的深谷和尖峰时,采用稳健样条滤波器更为合适;当表面近似服从正态分布时,三种滤波器得到的表面粗糙度参数比较接近㊂关键词:表面计量;样条滤波器;稳健性;滤波中线中图分类号:T B 921 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.20.006AG e n e r a l S p l i n eF i l t e r a n d I t sA p p l i c a t i o n s i nS u r f a c eM e t r o l o g yP a r k W e i y i n g 1 Y u a nY i b a o 2 L i nH a i j u n 1 X u J i n gb o 11.H a r b i nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,Ha rb i n ,1500802.H a r b i n I n s t i t u t e o fT ec h n i o l o g y,H a r b i n ,150001A b s t r a c t :A g e n e r a le x p r e s s i o no fs p l i n ef i l t e rw a s p r o p o s e da n dt h el i n e a rs pl i n ef i l t e r ,r o b u s t s p l i n e f i l t e r a n d g e n e r a l s p l i n e f i l t e rc o u l db ed e r i v e df r o mt h i se x p r e s s i o n .T h e g e n e r a l s pl i n e f i l t e r k e p t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h el i n e a rs p l i n ef i l t e r p a r t l y,a n dh a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o b u s t n e s s .U s i n g T u c k y e s t i m a t i o n ,a l l o f t h e t h r e e k i n d s o f s p l i n e f i l t e rw e r e c o m p a r e d i n s u r f a c em e t r o l o g y.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e r u b o s t s p l i n e f i l t e r i sm o r e s u i t a b l ew h i l e t h e r e a r e s o m e d e e p v a l -l e y s a n dh i g h p e a k s i nt h es u r f a c e ;t h er o u g h n e s s p a r a m e t e r so f a l l s pl i n e f i l t e r sa r ec l o s ew h i l e t h e s u r f a c e a p p r o x i m a t e l y fi t s n o r m a l d i s t r i b u t i o n .K e y wo r d s :s u r f a c em e t r o l o g y ;s p l i n e f i l t e r ;r o b u s t n e s s ;r e f e r e n c e l i n e 0 引言在表面计量中,表面滤波中线的获取是一个非常关键的问题,众多参数的计算均与之相关㊂收稿日期:20150128基金项目:国家自然科学基金资助项目(61179024);黑龙江省基金资助项目(12541152)I S O 11562和I S O 16610‐1规定用高斯滤波器获取表面滤波中线[1‐2]㊂高斯滤波器存在比较明显的边缘效应,为消除边缘效应的影响,通常需要将原始轮廓首尾一定长度内的数据在滤波后舍弃,这会损失一部分有效测量数据㊂由于特殊的加工工艺,某些表面可能存在一些深谷和尖峰,高斯滤波㊃9272㊃一般样条滤波器及其在表面计量中的应用朴伟英 袁怡宝 林海军等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.。
超精密切削金刚石刀具磨损研究论
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。
影响金刚石刀具磨损因素的详细介绍
影响金刚石刀具磨损因素的详细介绍影响金刚石刀具磨损的因素有三个：加工工具、加工条件、被加工条件。
与工具本身有关的因素是影响刀具磨损的重要因素，由于金刚石刀具的磨损与其负载状态密切相关，因此加工条件会对磨损产生明显影响，同的工件材料，其断裂韧性、硬度等均相差较大，所以工件材料的性质也影响金刚石刀具的磨损。
（1）工具金刚石品级、含量、粒度、结合剂与金刚石的匹配及工具形状等与工具本身有关的因素是影响刀具磨损的重要因素。
通常金刚石含量低，功耗也低；但金刚石含量太低，宏观破碎会剧增，从而造成出刃高度不足，使功耗反而增加；金刚石含量高，则功耗增加，进而导致金刚石脱落，工具耐磨性反而下降。
若金刚石品级较高，在较低含量情况下，其完整晶型率仍较高，节块耐磨性高，功耗低，但金刚石品级应与结合剂选择相匹配。
吴健等分析了金刚石品质分散性对锯切过程的影响，指出高质量金刚石的耐磨性好，必须要求结合剂也具有很好的耐磨性，只有这样才能充分发挥高质量金刚石的作用。
而对低质量金刚石，由于其抗压和抗冲击能力都较差，即使切割较容易的矿物成分时也会发生较明显的磨损和破碎，在遇到特别难切割部分时，一般会发生宏观破碎而失去切削能力，此时对结合剂耐磨性的要求应相对低一些，以保证金刚石有足够的出刃高度。
同时，应尽量降低金刚石的品质分散性。
通过分析陶瓷结合剂金刚石砂轮加工蓝宝石过程中的主轴变形（用变形表示磨削所需法向载荷的变化），发现其变形成周期性变化，说明砂轮具有自锋利性，原因是陶瓷结合剂砂轮的磨损是结合剂材料的脆性断裂，从而会快速出现新的磨粒。
而金属和树脂结合剂砂轮的磨损主要为摩擦磨损和磨蚀。
YCFu等给出了砂轮磨削的优化模型，通过此模型，可根据加工要求和磨削参数来优化砂轮（包括磨粒大小、浓度、伸出率和有效磨粒的空间），也可根据砂轮和加工要求优化磨削参数（包括磨削深度、砂轮转速和工件进给速度）。
此外还有不少学者进行了这方面的研究。
（2）加工条件由于金刚石刀具的磨损与其负载状态密切相关，因此加工条件会对磨损产生明显影响。
简述金刚石锯片的磨破损形式：大理石锯片
一段时间的使用往往会产生磨破损。磨破损的形 式主要有以下几种：磨料磨损、局部破碎、大面
积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦
伤。磨料磨损：金刚石颗粒与式件不断摩擦，棱 边钝化成平面，失去切削性能，增大摩擦。锯切
风景画。眺目凭栏晴空万里心飞远结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时， 锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结
合剂软化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒
上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。 无论哪一种磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷
风景画。眺目凭栏晴空万里心飞远，步履阑珊艰难
和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和
冷却润滑条件。
2dn0f2c9b 大理石锯片陶瓷锯片，大理石锯片，马赛克锯片，金刚石锯片，金刚石工具，石材加工工具
热会使金刚石颗粒表面出现石墨化薄层，硬度大
大降低。加剧磨损：金刚石颗粒表面承受交变的 热应力，同时还承受交变的切削应力，就会出现
疲劳裂纹而局部破碎，显露出锐利的新棱边，是
较为理想的磨损形态。大面积破碎：金刚石颗粒 在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和
风景画。眺目凭栏晴空万里心飞远，步履阑珊艰难
金刚石原位原子尺度磨损去除机理研究
金刚石原位原子尺度磨损去除机理研究
金刚石是一种具有极高硬度和良好化学稳定性的材料，通常被用作磨料或涂层材料。
然而，在特定环境中，金刚石可能会出现磨损现象。
金刚石原位原子尺度磨损去除机理的研究旨在深入了解磨损过程中发生的原子尺度变化和相互作用。
金刚石表面的磨损可以通过多种机制发生。
其中一种机制是塑性形变，通过将金刚石晶体表面的原子重新排列来消除磨损。
这可能涉及原子的溢出、重新附着和再排列，从而导致金刚石晶体表面的形态变化。
另一种机制是化学反应，通过金刚石表面与环境中的化学物质发生反应来导致原子的移除。
这可能涉及金刚石表面的化学键的断裂，或者金刚石晶体表面金属杂质的化学反应。
金刚石的化学稳定性对于磨损去除机理的研究非常重要。
磨损去除机理的研究可以利用原子尺度的表征技术，例如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显
微镜（AFM）。
这些技术可以提供对金刚石表面的原子结构
和化学组成的详细信息。
除了实验研究，分子动力学模拟也是研究金刚石原位原子尺度磨损去除机理的重要工具。
通过模拟金刚石表面的原子尺度行为，可以观察和分析金刚石磨损过程中的原子行为和相互作用。
金刚石原位原子尺度磨损去除机理的研究对于理解金刚石的磨
损行为和优化金刚石材料的性能具有重要意义。
这些研究结果可以为磨损机制的控制和开发新型涂层材料提供指导。
金刚石刀具的磨损机理
金刚石刀具的磨损机理摘要：分析和探讨了金刚石刀具的磨损形态和磨损机理，提出了金刚石刀具在制造与使用时应注意的若干问题。
关键词：金刚石刀具、PCD刀具、磨损Wear mechanism of diamond toolsLuan YujianSichuan University College of manufacturing science and EngineeringStudent Number：1143021172Abstract: the analysis and discussion of the diamond tool wear form and wear mechanism, and puts forward some problems that should be paid attention to in diamond tool manufacture and use of.Key Words：Diamond tool、PCD tool、wear引言：由于金刚石材料的高硬度和各向同性使其磨损非常缓慢。
是一种理想的刀具材料。
为了充分发挥PCD刀具的切削性能，世界各国先后投入大量人力物力对PCD刀具进行研究。
1、金刚石刀具的磨损形态金刚石刀具的磨损形态常见于前刀面磨损、后刀面磨损和刃口崩裂。
1、金刚石刀具的磨损机理金刚石刀具的磨损机理比较复杂，可分为宏观磨损与微观磨损。
前者以机械磨损为主，后者以热化学磨损为主。
宏观磨损的基本规律如图，早期磨损迅速，正常磨损十分缓慢。
通过高倍显微镜观察，刃口质量越差及锯齿度越大，早期磨损就越明显。
这是因为金刚石刀刃圆弧采用机械方法研磨时，实际得到的是不规则折线如图，在切削力作用下，单位折线上压力迅速增大，导致刀刃磨损加快。
另一个原因是，当金刚石刀具的刃磨压力过大或刃磨速度过高，及温度超过某一临界值时，金刚石刀具表面就会发生氧化与石墨化，使金刚石刀具表面的硬度降低，形成硬度软化层。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
金刚石刀具的磨损机理
引言：由于金刚石材料的高硬度和各向同性使其磨损非常缓慢。
是一种理想的刀具材料。
为了充分发挥PCD刀具的切削性能，世界各国先后投入大量人力物力对PCD刀具进行研究。
1、金刚石刀具的磨损形态
金刚石刀具的磨损形态常见于前刀面磨损、后刀面磨损和刃口崩裂。
1、金刚石刀具的磨损机理
金刚石刀具的磨损机理比较复杂，可分为宏观磨损与微观磨损。
前者以机械磨损为主，后者以热化学磨损为主。
宏观磨损的基本规律如图，早期磨损迅速，正常磨损十分缓慢。
通过高倍显微镜观察，刃口质量越差及锯齿度越大，早期磨损就越明显。
这是因为金刚石刀刃圆弧采用机械方法研磨时，实际得到的是不规则折线如图，在切削力作用下，单位折线上压力迅速增大，导致刀刃磨损加快。
另一个原因是，当金刚石刀具的刃磨压力过大或刃磨速度过高，及温度超过某一临界值时，金刚石刀具表面就会发生氧化与石墨化，使金刚石刀具表面的硬度降低，形成硬度软化层。
在切削力作用下，软化层迅速磨损。
由此可见，金刚石刀具刃磨质量的高低会严重影响它的使用寿命与尺寸精度的一致性。
当宏观磨损处于正常磨损阶段，金刚石刀具的磨损十分缓慢，实践证明，在金刚石的结晶方向上的磨损更是缓慢。
随着切削时间的延长，刀具仍有几十至几百纳米的磨损，这就是微观磨损。
通过高倍显微镜长期观察以及用光谱与衍射分析后，金刚石刀具的微观磨损原因可能有以下3个：
1随着切削时间的不断延长，切削区域能量不断积聚，温度不断升高，当达到热化学反应温度时，就会在刀具表面形成新的变质层。
变质层大多是强度甚差的氧化物与碳化物，不断形成，不断随切屑消失，逐渐形成磨损表面。
2金刚石晶体在切削力特别是承受交变脉冲载荷持续作用下，一个又一个C原子获得足够的能量后从晶格中逸出，造成晶体缺陷，原子间引力减弱，在外力作用下晶格之间发生剪切与剥落，逐渐形成晶格层面的磨损，达到一定数量的晶格层面磨损后就会逐渐形成刀具的磨损表面。
3金刚石刀具在高速切削有色金属及其合金时，在长时间的高温高压作用下，当金刚石晶体与工件的金属晶格达到分子甚至原子之间距离时，引起原子之间相互渗透。
改变了金刚石晶体的表面成分，使得金刚石刀具表面的硬度与耐磨性降低，这种现象称为金刚石的溶解。
金刚石刀具的磨损程度与磨损速度则取决于金刚石原子在有色金属或在其它非金属材料原子中的溶解率。
实践证明，金刚
石刀具在切削不同的材料时，有不同的溶解率，也就是说金刚石刀具在不同切削条件下切削不同的工件材料，磨损速度与程度是不相同的，溶解率越大，金刚石刀具磨损就越快。
2、金刚石刀具的化学磨损
微切削加工用来制作具有光学表面质量的零件,目前只限于少数材料。
属于这一类的材料主要有高纯度铜、无硅铝合金和含磷量约为12%的非电流析出镍。
工业上很重要的铁基材料则由于单晶金刚石刀具的严重磨损而无法加工。
解决这一问题主要有三种可能的途径,也就是说,通过改进切削加工工艺、刀具材料和被加工材料。
金刚石刀具沉积硬质材料涂层则属于改进刀具材料。
涂层应能阻止金刚石与被加工材料的直接接触。
为了确定适宜的硬质材料涂层,首先应研究切削加工过程中刀具与工件之间存在的界面的相互作用。
切削加工Fe、Ni、Cr、Ti等(门捷列夫元素周期表第-族过渡金属)金属材料时,金刚石刀具则出现严重的化学磨损。
解释化学磨损的一种假设是过渡金属中存在非配对d电子。
过渡金属倾向于通过其d轨道与碳的p轨道
的重叠发生化学反应。
如果发生化学磨损,碳原子便从紧密金刚石晶格中脱除。
碳原子一脱离金刚石晶格:(1)就可能通过与其它碳原子的化合转变成一种软质石墨结构;(2)或与氧发生反应生成CO或CO2,与材料形成碳化物;(3)或扩散到材料中。
据Thornton和Wilks观察,在压力约为13.3Pa的真空中,以约10mmin的很低切削速度车削铁,单晶金刚石刀具磨损严重,刀具温度估计在200℃以下。
在这种情况下,金刚石的严重磨损只能归因于金刚石由刚出现的洁净铁表面所诱发的催化性石墨化。
为了理解洁净铁表面的催化作用,假设金刚石晶格中的碳与铁原子在切削加工时发生化学键合。
Thornton将此分为至少5种化学键合类型,
键合类型1和5分别相当于铁晶格或金刚石晶格中的原子键合;3相当于界面层的铁碳键合;而2和4相当于最上部铁或碳原子位置和紧接着的原子位置之间的化学键合。
键合类型4很有可能弱于其它键合类型。
利用磁控溅射工艺,通过优化沉积TiN、TiAlN和AlN涂层的工艺参数,涂层的成分可接近化学计量,硬度则可高达1460HV0.015到1940HV0.015不等。
厚度约为50nm的TiN、TiAlN和AlN薄膜涂层均呈现非常光滑的细晶表面。
平均粗糙度约为1.0nm。
如果涂层厚度≤50nm,则金刚石刀具的刃口钝化(R\par
通过在金刚石刀具上沉积TiN、TiAlN或AlN涂层,金刚石刀具在试验条件下微切削加工纯铁时的磨损可比未涂层金刚石刀具减少达50%。
3、问题建议
1金刚石刀具在使用时，除有锋利的刀刃外，还应当选取适当的刃区形式见下图，以增强刀刃强度。
2由于用机械方法加工制成的金刚石刀具用于镜面切削时，常常需要一个磨合期，即需要经过一段时间的切削过程，刀具才能达到最佳加工效果。
为了缩短或消除
磨合期，一般可用离子束溅蚀法、无损伤机械化学抛光法、真空等离子化学抛光法与热化学抛光法等研磨方法来解决。
3单晶金刚石各向异性，在不同晶面及不同方向上性能差异甚大，切削不同的材料，应有不同的定向。
4为了提高金刚石刀具的钎焊质量，应选用对金刚石润湿性较好的合金作为钎焊材料，也可适当添加Ti、Cr、V、Mo等元素，以改善在液相下合金焊料对金刚石表面的浸润性，实现焊料对金刚石的牢固粘结。
另外，钎焊必须在真空中惰性气体的保护下进行，钎焊温度应低于金刚石石墨化转变温度（800℃），而且钎焊时动作要快，以避免出现刀片开裂等现象。
刀片钎焊后可适当延长保温时间，
以消除钎焊应力。
5刀具宜采用逐渐减载的研磨工艺，既可保持较高的研磨效率，又可降低研磨后表面硬度的软化层深度，从而延长刀具的使用寿命。
单晶金刚石刀具则在高精密研磨盘上研磨，并选用较小的刃磨角与适当的偏向角，使用极细的金刚石研磨粉，采用精度高、运转平稳且振动小的研磨机床（如空气静压轴承研磨机）。
6金刚石刀具适宜在机床—工件—刀具系统刚性足够、转速高、功率大、振动小、平稳性好的组合机床或加工中心上切削有色金属及其合金、纤维增强金属（FRM）、纤维增强塑料（FRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP）等连续表面。
金刚石刀具的检测和调刀应采用光学仪器等非接触式测量方法。