房丰洲 (中国天津市南开区卫津路92号天津大学精仪学院, Tianjin 2, 300072, CN)
ZHANG, Hongwei (College of Precision Instrument, Tianjin University92# Weijin Road, Nankai District, Tianjin 2, 300072, CN)
张宏伟 (中国天津市南开区卫津路92号天津大学精仪学院, Tianjin 2, 300072, CN)
天津大学 (中国天津市南开区卫津路92号, Tianjin 2, 300072, CN)
FANG, Fengzhou (College of Precision Instrument, Tianjin University92# Weijin Road, Nankai District, Tianjin 2, 300072, CN)
房丰洲 (中国天津市南开区卫津路92号天津大学精仪学院, Tianjin 2, 300072, CN)
ZHANG, Hongwei (College of Precision Instrument, Tianjin University92# Weijin Road, Nankai District, Tianjin 2, 300072, CN)
| 权 利 要 求 1、 一种超精密切削加工中多物理场作用抑制单晶金刚石刀具磨损的方法， 其特征是： 在 金刚石刀具周边施加物理场， 物理场是电场、 磁场或者激光辐射， 通过形成较低能量 状态的位错形式， 改变晶体界面构造和界面能， 使纳米级精度切削过程中的材料发生 固态相变， 从而改善材料的切削性能， 抑制超精密加工中单晶金刚石刀具的磨损。 2、 根据权利要求 1 所述的一种超精密切削加工中多物理场作用抑制单晶金刚石刀具磨损 的方法， 其特征是： 所述的在金刚石刀具周边施加物理场的加载方式是： 围绕金刚石 刀具周边布设一个或多个小型物理场加载执行元件， 各加载元件附着在金刚石刀具上 与金刚石刀具同时运动； 还使用微处理器控制电机系统实现组合后的一个或多个物理 场加载单元的空间位姿变换， 使一个或多个小型物理场加载执行元件能够根据具体的 加工对象和加工环境进行相对于金刚石刀具的空间位姿调整； 还根据物理场加载执行 元件的属性设计相应的信号发生电路或调制电路， 信号发生电路或调制电路用于向物 理场加载执行元件提供不同频率、 不同相位和不同幅度的激励信号。 3、 根据权利要求 2所述的一种超精密加工中多物理场作用抑制单晶金刚石刀具磨损的方 法， 其特征是： 所述的信号发生电路或调制电路提供激励信号的形式是： 直流信号、 交流信号或脉冲信号， 所述信号发生电路或调制电路用以调节直流信号电流或电压信 号的幅度， 所述信号发生电路或调制电路用以调节交流信号电流或电压信号的幅度、 频率、 相位， 所述信号发生电路或调制电路用以调节脉冲信号电流或电压信号的幅度、 频率、 相位和占空比。 4、 根据权利要求 2所述的一种超精密加工中多物理场作用抑制单晶金刚石刀具磨损的方 法， 其特征是： 所述在金刚石刀具周边施加物理场是采用电磁线圈施加磁场到微接触 加工区域， 采用信号发生电路对激励信号进行调节， 并调节电磁线圈的匝数、 面积、 磁导率。 5、 根据权利要求 2所述的一种超精密加工中多物理场作用抑制单晶金刚石刀具磨损的方 法， 其特征是： 所述在金刚石刀具周边施加物理场是采用电极施加电场到微接触加工 区域， 采用信号发生电路对激励信号进行调节。 6、 根据权利要求 2所述的一种超精密加工中多物理场作用抑制单晶金刚石刀具磨损的方 法， 其特征是： 所述在金刚石刀具周边施加物理场是采用激光诱导或辐射到微接触加 工区域， 采用调制电路对激励信号进行调节， 采用不同的调制方式， 调制方式是连续 调制、 脉冲调制或脉冲编码调制。 |
技术领域
本发明属于超精密加工过程中抑制单晶金刚石 刀具磨损， 具体涉及超精密切削加工中 多物理场作用抑制单晶金刚石刀具磨损方法。 背景技术
单晶金刚石刀具被广泛应用于超精密切削加工 中， 已成为制作高精度光学器件和高精 度模具的重要加工方法。 然而在加工黑色金属， 特别是加工用途最广的工程材料——钢铁 材料时， 刀具的化学磨损现象非常明显。 研究表明， 刀具化学磨损的决定性因素是金刚石 发生了某种固态相变， 又称为金刚石的石墨化。
长期以来， 国内外研究人员一直致力于分析研究其磨损形 态和磨损机理， 并提出了一 些抑制单晶金刚石刀具磨损的方法， 但效果都不十分理想。 这些方法基本上可以分为三种 类型： 刀具材料特殊处理、 加工材料特殊处理以及加工过程的改善。
从改善刀具入手， 如采用保护涂层， 利用 TiN、 TiC 建立扩散屏障等方法。 德国 WZL 实验室的 Klocke等人使用物理气相沉积法在金刚石表面形 成 TiN保护层， 也是从材料化 学角度进行尝试。 但涂层附着力和硬度远远不及金刚石基体， 加工过程中同工件接触的刀 具涂层部分非常容易磨损，对最终金刚石刀具 磨损的改善作用很小，实际应用的意义有限。
从改善加工材料入手， 德国不莱梅大学 E. Brinksmeier 的研究组和天津大学房丰洲 研究组等从对材料热处理的工艺入手， 尝试使用在钢铁材料表面进行渗氮处理得到较 好效 果。 但是将其应用于工程实际中还存在一定难度。
从改善加工过程入手， 研究人员尝试采用超低温环境切削、 在氮或氩等的保护气体气 氛中加工或引入刀具超声振动等方法。 美国 C. Evans 等利用液态氮及低温夹头系统冷却 金刚石刀具， 使其在 -14CTC左右温度下切削不锈钢零件， 由于只考虑了温度因素对金刚石 刀具磨损的影响， 所以抑制磨损的效果有限。 美国加利福尼大学 Lawrence Livenmore 国 家实验室采用甲烷气体作为保护气， 在碳饱和条件下进行加工试验， 取得了一定的效果。 哈尔滨工业大学袁哲俊等采用将雾化的液氮注 入切削部位的方法， 从试验结果上看也起到 了一定的改善效果。 然而， 这些超低温和加入保护气体的方法一般不适合 于大批量加工生 产中推广使用。 日本神户大学 Moriwaki和 Shamoto等采用了超声振动辅助加工技术， 这 种方法对金刚石刀具磨损的改善相比其他方法 而言更为成功。 通过沿切削方向对刀具加入 超声振动来切削不锈钢零件,或者加入椭圆振 的方法来切削淬硬钢零件， 取得了很好的 效果。 但由于超声振动会对工件表面引入波纹， 从而影响了加工后表面的粗糙度， 很难获 得光学级表面， 而且加工曲面时精度很难保证。 国内北京航空航天大学、 哈尔滨工业大学 和大连理工大学等也都开展了超声振动辅助的 方法进行单晶金刚石刀具加工钢铁材料的 研究， 但实验结果还需进一步改进。 除此以外， 德国不莱梅大学 E. Brinksmeier 课题组 采用超低温、 保护气体和超声振动三种方法相结合来试验， 但同单独引入超声振动比， 数 据上改善不明显。
以上提到的方法中，无论是对待加工材料表面 进行渗氮处理、加工区域充入惰性气体， 或者刀具的超声振动， 都不能从根本上解决批量加工生产中刀具磨损 的问题， 到目前为止 仍未发现一种有效抑制或减缓纳米切削加工过 程中单晶金刚石刀具磨损的实用方法。 发明内容
为克服现有技术的不足， 本发明的目的在于提供一种用于单晶金刚石超 精密切削加工 的多物理场作用方法， 抑制黑色金属材料切削过程中出现的金刚石刀 具磨损， 为黑色金属 材料的超精密切削研究开辟了一条新的道路。
为达到上述目的， 本发明采用的技术方案如下： 在金刚石刀具周边施加物理场， 物理 场是电场、 磁场或者激光诱导或辐射， 通过形成较低能量状态的位错形式， 改变晶体界面 构造和界面能，使纳米级精度切削过程中的材 料发生固态相变，从而改善材料的切削性能， 抑制超精密加工中单晶金刚石刀具的磨损。
所述的在金刚石刀具周边施加物理场的加载方 式是： 围绕金刚石刀具周边布设一个或 多个小型物理场加载执行元件， 各加载元件附着在金刚石刀具上与金刚石刀具 同时运动； 还使用微处理器控制电机系统实现组合后的一 个或多个物理场加载单元的空间位姿变换， 使一个或多个小型物理场加载执行元件能够根 据具体的加工对象和加工环境进行相对于 金刚石刀具的空间位姿调整； 还根据物理场加载执行元件的属性设计相应的 信号发生电路 或调制电路， 信号发生电路或调制电路用于向物理场加载执 行元件提供不同频率、 不同相 位和不同幅度的激励信号。
所述的信号发生电路或调制电路提供激励信号 的形式是： 直流信号、 交流信号或脉冲 信号， 所述信号发生电路或调制电路用以调节直流信 号电流或电压信号的幅度， 所述信号 发生电路或调制电路用以调节交流信号电流或 电压信号的幅度、 频率、 相位， 所述信号发 生电路或调制电路用以调节脉冲信号电流或电 压信号的幅度、 频率、 相位和占空比。
所述在金刚石刀具周边施加物理场是采用电磁 线圈施加磁场到微接触加工区域， 采用 信号发生电路对激励信号进行调节， 并调节电磁线圈的匝数、 面积、 磁导率。 所述在金刚石刀具周边施加物理场是采用电极 施加电场到微接触加工区域， 采用信号 发生电路对激励信号进行调节。
所述在金刚石刀具周边施加物理场是采用激光 器照射激光到微接触加工区域， 采用调 制电路对激励信号进行调节， 采用不同的调制方式， 调制方式是连续调制、 脉冲调制或脉 冲编码调制。
本发明能够带来如下技术效果： 本发明通过在微接触加工区域施加不同物理场 ， 如电 场、 磁场、 激光辐射等， 影响金刚石刀具对黑色金属材料的切削行为， 改变刀具晶体界面 构造和界面能， 抑制金刚石的石墨化进程， 从而达到改变材料的切削性能的目的， 提高了 加工精度和加工表面质量， 且能实现稳定的纳米级超精密切削。
附图说明
附图 1为单晶金刚石对不同元素的切削性能示意图 [1] 。
附图 2为碳的温度-压力相图 [2] 。
附图 3为可变电磁场作用于纳米切削过程的原理示 图。
具体实施方式
本发明结合纳米精度切削机理及刀具摩擦磨损 的理论分析结果， 借鉴电磁场对材料相 变过程的影响理论， 研究在电场、 磁场、 激光辐射等物理场作用下， 通过形成较低能量状 态的位错形式， 改变晶体界面构造和界面能， 使纳米级精度切削过程中的材料发生固态相 变， 从而达到改变材料的切削性能的目的， 提高金刚石刀具寿命， 实现稳定的纳米级精度 切削的目的。 从分子原子角度对物理场作用下的纳米级精度 切削的行为进行理论分析， 确 定外加物理场对刀具磨损机理的影响规律。 在此理论分析的基础上， 建立外加物理场作用 下的纳米切削实验系统， 分析研究刀具与被加工黑色金属材料的物理化 学特性对不同物理 场的响应关系。 并综合考虑实验设备性能等其他参数的影响， 确定纳米切削黑色金属材料 的最佳工艺参数。
将物理场作用于微接触加工区域是本发明的关 键环节， 不同的物理场加载的操作方式 有差异， 这里选择可变磁场进行案例分析。
为了使磁场能够以足够强度作用到微接触加工 区域， 就要求整个磁场加载部分是由一 个或多个小型电磁线圈组合而成， 同时还需要将其附着在刀具上与刀具同时运动 ， 并能够 根据具体的加工对象和加工环境进行空间位姿 的调节变化。 除了这种通过电磁线圈不同空 间分布组合造成的特定加工区域的磁场分布变 化之外， 还需要根据线圈属性设计信号发生 电路提供不同频率和不同幅度的激励电流信号 ， 如直流信号、 交流信号、 脉冲信号， 将激 发出的可控时变磁场作用于微加工区域， 影响材料的物理和热化学性能。 作为本发明的重 要创新点之一， 这种可变磁场抑制刀具磨损的方法可以应用于 常态加工环境中， 如图 3所 示。
具体实现过程可以使用微处理器控制信号发生 电路实现多路时变信号的输出， 电磁线 圈的匝数、 面积、 磁导率等参数是可以根据现场环境和不同的加 工对象调节变化的； 电流 信号可以具有脉冲方波、 三角波、 正弦波、 锯齿波等不同波形， 其幅度、 频率、 相位和占 空比都是可变参数； 微处理器还能通过电机系统控制变换多线圈组 合的空间位姿。
对于激光诱导或辐射物理场的加载方式， 可以采用外加调制电路改变输出激光的强 度、频率等参数。按照调制波控制参数的不同 ， 激光调制可分为调幅、调频和调相等类型。 按载波的振荡输出方式不同又可分为连续调制 、 脉冲调制和脉冲编码调制等。 并能够根据 具体的加工对象和加工环境， 选择不同的调制方式， 将激光直接照射于微接触加工区域。
本发明可使用单晶金刚石刀具加工一个自由曲 面零件， 被加工零件的材料是不锈钢。 金刚石刀具的修光刃圆弧半径为 lmm， 切削钝圆半径为 20nm， 背吃刀量 10nm， 进给 量 1微米 /转。
根据零件加工区域曲率变化， 采用步进电机控制， 调节线圈或激光器的空间位姿。 线圈参数： 线圈中径 8mm， 线圈轴向长度 12mm， 线圈匝数 1962， 电感 12.6mH。 电场参数： 电场强度 30MV，m—
激光参数： 使用 Nd:YAG激光器， 发出激光束作用于不锈钢材料上的激光功率密 度为 10 3 W-cm" 2 o
以下给出一些涉及本发明的基础理论分析结果 ：
1、 分析不同材料的微观电子状态对金刚石切削的 影响
从图 1可以看出， 单晶金刚石刀具不适用于对黑色金属的切削。 为了能够合理地解释 这种现象， 需要对不同元素的原子分子的物理化学性质进 行深入地剖析。 表 1给出了部分 元素原子基态的电子组态， 从中能够发现一些统计规律。 金刚石可切削材料 （宽边框黑体 字） 原子的次外层电子轨道都已充满， 如铜的价层 d轨道有 10个电子， 处于饱和状态； 相反地， 金刚石不可切削材料原子的次外层电子轨道并 未充满， 如铁的价层 d轨道只有 6 个电子。 需要指出的是， 不可切削黑色金属大多属于过渡族金属。 它们由于具有未充满的 价层 d轨道， 性质与其他元素有明显差别。 由于空的 d轨道的存在， 趋向于采用杂化轨道 接受电子以达到电子的稳定状态， 即过渡族金属很容易形成配合物。 因此， 黑色金属的微观电子状态和能带分布决定了当 外部条件能够提供足够的能量时， 它 们具有强的吸收外部电子的能力， 进而达到稳定状态。 这一特性很可能是金刚石刀具中碳 原子共价键断裂， 重组生成石墨的微观层面的驱动力所在。
表 1： 部分元素的基态电中性原子的电子组态 ( electron configuration)
2、 分析不同材料的宏观电学特性对金刚石切削的 影响
一般说金属具有良好的导电性能。 金属材料的电学性能依其成分、 原子结构、 能带结 构、 组织状态而异。 外界因素 （如温度、 压力、 形变、 热处理等） 通过改变金属材料内部 结构或组织状态而影响其电学性能。
黑色金属具有比一般纯金属高的电阻温度系数 。 由于在 300K温度下 Mn、 Fe、 Ni金 属的电阻已经明显高于 Al、 Cu等有色金属， 而且随着切削的进行温度逐渐升高， 黑色金 属的电阻值将以更快的速度增加。
这似乎可以作为一个参考指标加以分析。
因此， 黑色金属的电阻值高于有色金属， 晶体中有效载流子数目少， 即失去电子的可 能性降低， 那么也就意味着得到外界电子的能力强。 这一特性也会促进金刚石刀具中碳原 子固相的变化。
3、 金刚石与石墨的性能分析和它们在高温、 高压下的转化机理分析
金刚石和石墨是碳的同素异形体， 但晶体里原子的排列方式不同。 金刚石是由碳原子 以共价键连接形成的正四面体空间网状结构的 原子晶体； 石墨是一种层状结构的过渡型晶 体， 层内碳原子以共价键结合形成正六边形网状结 构， 层与层之间距离较大， 相当于分子 间力的作用。 金刚石是硬度最大的物质、 不能导电， 而石墨的硬度较小、 层之间可以相对 滑动、 导电性好。 由于它们都是由碳元素组成， 所以化学性质相差不大。
金刚石是每个碳原子都以 sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价单键， 每个原子分到 2 个价电子。 石墨中的碳原子用 sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以 σ键结合， 而每个碳原 子还有一个 2ρ轨道，其中有一个 2ρ电子。这些 ρ轨道又都互相平行，并垂直于碳原子 sp2 杂化轨道构成的平面， 形成了大 π键。 因而这些 π电子可以在整个碳原子平面上活动， 类 似金属键的性质。 每个原子分到 8/3个价电子。 所以石墨的键能比金刚石要大， 虽然石墨 有层间范德华力， 但是石墨的层内共价键比金刚石的共价键要短 ， 能量高， 因此化学性质 相对稳定。 石墨有可以移动的电子,所以导电。
金刚石和石墨的相互转化都属于相变， 它是朝着能量降低的方向发展， 沿着阻力最小 的途径进行。 图 2 给出了碳的温度 -压力相图， 可知高温状态下， 如果压力下降过快会导 致严重的石墨化现象。
4、 材料电磁工艺的应用
材料电磁工艺 ( Electromagnetic Processing of Materials, EPM) 是指将电场或磁场引入 到材料的制备或加工过程中， 从而实现对材料制备或加工过程和产品质量的 控制及材料组 织和性能的改善。
材料电磁工艺的科学基础包括电磁学、 流体力学、 热力学、 传输和相变理论以及等离 子体工程等领域。 概括地说， 材料电磁工艺中电磁场对材料的作用主要包括 产生电磁力、 产生热量以及对相变和传输过程的特殊作用 （如电迁移等）。 材料电磁工艺的应用范围也 非常广泛， 不仅应用于液态材料的凝固过程， 也应用于固态材料的加工过程。 经过多年来 的发展， 材料电磁工艺已形成多学科交叉、 工艺手段繁多及应用领域广泛的体系。 所采用 的电场或者磁场按照其特征可以分类为： 直流电场、 交流电场和脉冲电场以及直流磁场、 交变磁场、固定磁场、移动磁场和旋转磁场。 很多相关研究已经证明特定磁场可以影响 Fe-C 原子的性态。 参考文献：
[1] Paul E, Evans C, Mangamelli A et al. Chemical Aspects of Tool Wear in Single Point Diamond Turning. Precision Engineering, 1996, 18(1): 4― 19.
[2] 张万甲，冲击引起石墨- >金刚石相转变机理的探讨. 高压物理学报， 2004， 18(3):210-219