一種激光排布技術(shù)及對(duì)其磨削力和磨損的評(píng)價(jià)講解

1、一種激光排布技術(shù)及對(duì)其磨削力和磨損的評(píng)價(jià)傳統(tǒng)的超硬磨料砂輪的制造方法導(dǎo)致磨粒固結(jié)在砂輪表面呈無(wú)規(guī)則隨機(jī)排布。 為了合理的解決這些問(wèn)題，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)按需三維可控優(yōu)化金剛石微排 布的方法。第一，在CVD化學(xué)氣相沉積）生成的厚膜上利用脈沖ND:YAG激光器 精確的實(shí)現(xiàn)微晶體磨粒各種新奇排布的要求。并且晶體的尺寸，晶體位置和方 位都可通過(guò)選擇合適的激光掃描路徑及操作參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制。評(píng)價(jià)金剛石磨 粒排布的幾何特征，確保激光排布技術(shù)的可重復(fù)利用性，并為在磨削傳統(tǒng)的超硬磨料砂輪的制造方法導(dǎo)致磨粒固結(jié)在砂輪表面呈無(wú)規(guī)則隨機(jī)排布。 為了合理的解決這些問(wèn)題，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)按需三維可控優(yōu)化金剛石微排 布

2、的方法。第一，在CVD化學(xué)氣相沉積）生成的厚膜上利用脈沖ND:YAG激光器 精確的實(shí)現(xiàn)微 晶體磨粒各種新奇排布的要求。并且晶體的尺寸，晶體位置和方 位都可通過(guò)選擇合適的激光掃描路徑及操作參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制。評(píng)價(jià)金剛石磨 粒排布的幾何特征，確保激光排布技術(shù)的可重復(fù)利用性，并為在磨削實(shí)驗(yàn)中比 較晶體磨粒的磨損狀況打下基礎(chǔ)。第二，實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鱐I-6AL-4V合金工件，在試驗(yàn)中評(píng)價(jià)分析多晶金剛石和優(yōu)化排布磨粒（100和110晶面）的單晶CVD（相沉 積）金剛石的晶體磨損機(jī)理以及切削力的大小。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金剛石晶體在 110 晶向上比金剛石晶體在 100晶向磨損更嚴(yán)重，同時(shí)，在兩種排布模式下，切削 力的大小和

3、工件的表面粗糙度大小也十分接近。然而，利用CVD法生產(chǎn)的特定磨粒排布的金剛石刀具與多晶金剛石刀具相比，其切削力和晶體磨損水平都較 小。因此，盡管這種新穎的生產(chǎn)磨粒按需排布金剛石砂輪的觀點(diǎn)只是處于初級(jí) 的實(shí)驗(yàn)階段。但是本文為發(fā)展一度為人所忽略的微細(xì)加工指明了方向。1 、引言在 19 世紀(jì) 50 年代，隨著利用石墨化技術(shù)在高溫高壓下合成金剛石技 術(shù)的發(fā)展，合成金剛石已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在切削和磨削中。金剛石磨粒具有較 高的硬度（Knoop硬度接近100GPa和較高的導(dǎo)熱系數(shù)，這使得磨削熱能夠很 快的從磨削區(qū)中傳遞出去，同時(shí)也保證即使在加工難加工材料時(shí)也能夠保持較 高的材料去除率。另外，金剛石具有較高的

4、耐磨性，能夠滿(mǎn)足砂輪表面較高的 尺寸穩(wěn)定性要求，可以確保加工出的工件高形狀精度要求。在眾多高附加值的磨削應(yīng)用中（如航天航空、醫(yī)藥、自動(dòng)化），對(duì)于機(jī)械加工 形狀精度及表面質(zhì)量，加之高生產(chǎn)率的需要，需要仔細(xì)考慮金剛石砂輪的規(guī)格 （如磨粒尺寸、結(jié)合強(qiáng)度）以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。傳統(tǒng)超硬材料（如金剛石）砂輪 的制造方法通常是：將選定特性和尺寸的金剛石磨粒與結(jié)合劑混合，然后將混 合物根據(jù)模型做成需要的形狀。這些模型（基體）通常是以金剛石晶體隨機(jī)分 布和晶體間距不同為特征的。就分布在超硬砂輪表面的磨粒來(lái)說(shuō)，這些磨粒典 型的呈散置的或鑲嵌的狀態(tài)分布在砂輪表面（即隨機(jī)分布），通常采用電鍍或 燒結(jié)的方法將磨粒固定在砂輪

5、上?，F(xiàn)在用于商用的超硬度材料晶體具有各向異 性，上述所提到的砂輪制造方法的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致磨粒（砂輪）表面產(chǎn)生顯著的形 態(tài)差異。例如晶格突起和晶向變化。這樣，由于晶格形狀和被測(cè)尺寸的不同會(huì) 導(dǎo)致所有特定金剛石磨粒都存在尺寸特性的不同。解決晶體尺寸測(cè)量問(wèn)題（將三維不規(guī)則晶粒尺寸變成統(tǒng)一的測(cè)量尺寸），晶體 的形狀會(huì)影響晶粒的測(cè)量尺寸，尤其是在被廣泛應(yīng)用在磨削行業(yè)中的脆性磨粒 的生產(chǎn)中，其晶粒形狀會(huì)存在很大的不同。包含在超硬度材料生產(chǎn)中晶粒的測(cè) 量尺寸分布通常可以看做為 Gaussion 分布，任何在分布上傾向都會(huì)對(duì)每克拉金 剛石上的晶粒數(shù)產(chǎn)生直接的影響。同時(shí)，在尺寸大的金剛石上每克拉晶體的數(shù) 目是可以控

6、制的，對(duì)于在磨削應(yīng)用中主導(dǎo)地位的較小尺寸金剛石來(lái)說(shuō)，仍然顯 得不切合實(shí)際。眾所周知，在一個(gè)特定的生產(chǎn)過(guò)程中，金剛石尺寸越小其晶粒 強(qiáng)度越大。在精密磨削中，對(duì)于如何通過(guò)選擇性的定位磨粒位置至關(guān)重要，合理選擇磨粒 位置可以使工作區(qū)存在更多的特性相同的磨粒，并且可以促進(jìn)切屑的流出?，F(xiàn) 在使用掩膜和電解技術(shù)已經(jīng)可以成功的實(shí)現(xiàn)選擇性的定位磨粒，將磨粒固定在 砂輪表面需要的位置；然而，隨著砂輪磨粒尺寸的減小，這些技術(shù)表現(xiàn)出浪費(fèi) 時(shí)間和不切合實(shí)際的趨勢(shì)。進(jìn)一步的研究顯示，選擇具有相似晶面結(jié)構(gòu)的磨 粒，可以成功的實(shí)現(xiàn)砂輪表面完整性的改善，同時(shí)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)砂輪 的工作效率。通過(guò)減少磨粒在工作高度（裸露高

7、度）上的差異，工作負(fù)荷能夠 更加平均的加載在每一顆磨粒上，進(jìn)而顯著提高磨削效率。利用各種（替代） 技術(shù)，通過(guò)合理的選擇磨粒位置可以成功的實(shí)現(xiàn)工件表面粗糙度的改善，便于 排屑，同傳統(tǒng)的表面全部接觸工件的砂輪相比，研究顯示其磨削力會(huì)顯著下 降。伴隨著電火花加工技術(shù)的進(jìn)步，由該方法生產(chǎn)的PCD刀具已經(jīng)廣泛應(yīng)用在微細(xì)加工領(lǐng)域，聚晶金剛石材料廣泛的應(yīng)用在高精度加工的刀具上。利用電火花腐 蝕PC基體，將金剛石晶體結(jié)構(gòu)暴露，制造微細(xì)磨削刀具的方法已經(jīng)處在研究 當(dāng)中。利用激光在PCD刀具機(jī)體上加工孔的技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)了微細(xì)磨削的性 能，微細(xì)加工性能的改善可以從根本上減少刀具負(fù)擔(dān)并幫助排屑。CVD金剛石作為一種

8、高性能的切削刀具材料，已經(jīng)得到認(rèn)可并逐步得到廣泛應(yīng) 用，但是直到現(xiàn)在仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種可以成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的磨削刀具材料。 現(xiàn)在的CVD金剛石合成技術(shù)，例如微波等離子體化學(xué)氣相沉積MPCV和熱絲化學(xué)氣相沉積HFCVD兩種方法都可以用來(lái)合成各種圓柱體形狀的單晶和聚晶金剛 石，生產(chǎn)的商用CV金剛石被用作基體涂層薄膜（&t ;0.5mm）或者是具有自支 撐結(jié)構(gòu)的厚膜（0.5-2.5mm），這些結(jié)構(gòu)最初固結(jié)在合適的基體材料上并在后續(xù) 加工中去除。在這種方法中，可以生產(chǎn)直徑超出100mm勺圓盤(pán)。然而，金剛石薄膜已經(jīng)成功的用作切削刀具的涂層，將薄膜用作砂輪基體涂層的實(shí)驗(yàn)工作也 已經(jīng)有了相關(guān)報(bào)道。這個(gè)觀點(diǎn)證明

9、，通過(guò)使涂覆磨具基體上磨粒具有特定的排 布、占據(jù)準(zhǔn)確的位置以及明確的工作高度，可以成功實(shí)現(xiàn)磨削性能的顯著提單個(gè)的單晶金剛石晶體（合成的或天然的），提供了一種生產(chǎn)刀具的可能，這 種刀具可以按需排布晶粒以適應(yīng)磨削狀況要求。金剛石各向異性的特性導(dǎo)致不 同的晶面或在同一個(gè)晶體上的不同方向都存在獨(dú)特的機(jī)械和物理性能（例如耐 磨性、強(qiáng)度和摩擦因數(shù)）。較硬的和較軟的晶面和它們的方向都可以運(yùn)用在刀 具設(shè)計(jì)之中。據(jù)報(bào)道單晶金剛石刀具邊緣的切削性能和磨損特性取決于其晶體 方向和負(fù)荷（切削力）方向的相互位置關(guān)系。同時(shí)這種關(guān)系還與刀具的磨削和 切削性能有關(guān)，這種關(guān)系也可以應(yīng)用在磨削之中。2、研究范疇研究了在利用HD:

10、YAG永沖激光器制作的有序排列的金剛石 CVD薄膜微排列和測(cè) 試切削這些材料時(shí)的操作參數(shù)（例如激光功率密度、進(jìn)給速度）的影響。如果 排列方法得到優(yōu)化，在數(shù)控五軸磨床上模擬磨削實(shí)驗(yàn)，比較單晶金剛石和多晶 金剛石的性能。另外，利用在高增值磨削行業(yè)（醫(yī)藥、航空）中應(yīng)用較廣泛的 TI-6AL-4V 試驗(yàn)，測(cè)試其各種排列的金剛石的磨損特性。除了一定排列的金剛 石的磨損特性，比較磨削實(shí)驗(yàn)中使用單晶金剛石和多晶金剛石刀具所需的磨削 力和所達(dá)到的表面粗糙度。確保優(yōu)化排列的觀念具有應(yīng)用在精密磨削中的潛 力。3、優(yōu)化排列磨粒金剛石的主要觀點(diǎn)利用激光燒結(jié)技術(shù)使金剛石磨粒排布優(yōu)化，提供了一種應(yīng)用在精密磨削中生產(chǎn) 金剛石刀具的新方法。這個(gè)方法指明了砂輪表面磨粒和磨粒群可控的優(yōu)點(diǎn)，具 有同樣需要的尺寸，相同的工作高