【摘要】：微細零部件系統(tǒng)是微小尺度范圍內(nèi)綜合機、電、液等技術(shù)而形成的高新技術(shù)產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用在綠色能源、信息電子、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)和儀器儀表等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。微細切削是一種在介觀尺度直接對工件進行切削去除的加工技術(shù),具有卓越的三維加工能力、加工材料的普適性、加工效率和加工成本方面的綜合優(yōu)勢,是微細零部件加工技術(shù)體系的重要組成部分。在微細切削過程中,由于刀具與工件間極高的切削速度會帶來的二者間劇烈機械摩擦,這對微細刀具的耐磨損性能和抗工件粘附性能提出了比傳統(tǒng)刀具更高的要求。普通硬質(zhì)合金微細刀具在高速微細切削過程中,磨損嚴重、易折斷、易粘附工件材料、效率低且消耗大。因此,微細切削行業(yè)迫切需要研究耐磨損性能更好、工作壽命更長的新型微細刀具來滿足行業(yè)的發(fā)展需求�；瘜W氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)金剛石薄膜具有硬度高、摩擦系數(shù)低、耐磨性強、表面化學惰性高,以及與許多工程材料間弱粘附性等優(yōu)異的機械及摩擦學性能。由于熱絲化學氣相沉積(Hot Filament CVD,HFCVD)法制備金剛石薄膜具有設(shè)備簡單易控、沉積效率高、加工成本低、基體形狀不受限制等優(yōu)點,現(xiàn)已成為刀具金剛石涂層的主要方法之一。因而,采用HFCVD法在微細刀具上涂覆金剛石薄膜能有效延緩切削刃的磨損失效,提升微細刀具耐用度,或許能成為突破微細切削發(fā)展技術(shù)瓶頸的有效手段。本文以HFCVD法為基礎(chǔ),致力于解決高性能CVD金剛石涂層微細刀具制備及其應(yīng)用過程中的四個關(guān)鍵技術(shù)問題,即:CVD金剛石薄膜的制備及其耐磨損性能研究、批量化制備金剛石涂層微細刀具的溫度場仿真優(yōu)化、高性能金剛石涂層微細刀具的制備工藝優(yōu)化以及適應(yīng)石墨、印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)和7075鋁合金專屬加工特性的高性能金剛石涂層微細刀具的開發(fā)與應(yīng)用。主要工作概括為如下幾點:1.CVD金剛石薄膜的制備及其耐磨損性能研究。CVD金剛石薄膜的基礎(chǔ)特性直接影響其在微細刀具上的切削應(yīng)用性能。本部分圍繞微米金剛石(Micro Crystalline Diamond,MCD)和納米金剛石(Nano Crystalline Diamond,NCD)兩種典型的CVD金剛石薄膜,對比研究了在硬質(zhì)合金基體上二者微觀形貌、表面粗糙度、晶粒取向、金剛石純度及其與基體附著強度的差異,并進一步提出了通過mcd薄膜和ncd薄膜對磨來定量對比二者耐磨損性能的新方法。實驗結(jié)果揭示:金剛石薄膜互磨時主要的磨損機理為薄膜的自拋光機理引起的磨粒磨損效應(yīng)。在對磨條件相同時,ncd薄膜的磨損率約為mcd薄膜的2倍,主要原因是mcd薄膜中硬度較高的mcd顆粒凸起較易插入ncd薄膜中,進而導致ncd薄膜被快速刮落和磨損。mcd、ncd薄膜的對磨實驗顯示,mcd薄膜的耐磨損性能優(yōu)于ncd薄膜。2.批量化制備金剛石涂層微細刀具的溫度場仿真研究。介于基體溫度會顯著影響金剛石薄膜的質(zhì)量的沉積機理,本部分利用計算流體動力學仿真軟件,探討了不同熱絲排布方式對基體表面溫度分布的影響。對于批量化微細刀具的溫度場仿真,首先采用測溫實驗驗證了復雜三維仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置的正確性;進而采用正交試驗方法研究了熱絲的直徑d、高度h、間距d和長度l等熱絲排布參數(shù)對微細刀具基體表面溫度場分布的影響,并獲得了熱絲優(yōu)化排布方案(d=0.65mm,h=12mm,d=27mm,l=160mm)。該熱絲排布方案對應(yīng)的刀具溫度場分布均勻,不同位置微細刀具薄膜沉積區(qū)域溫度波動范圍極小。實際薄膜沉積實驗顯示,采用優(yōu)化的熱絲排布方式可批量化獲得金剛石薄膜顆粒尺寸和厚度相近的cvd金剛石涂層微細刀具。3.高性能cvd金剛石涂層微細刀具的制備工藝優(yōu)化研究。為制備斷裂強度高、薄膜均勻一致性好、膜-基附著強度高的高性能cvd金剛石涂層微細刀具,本部分從預處理和沉積工藝兩方面入手,對金剛石涂層微細刀具的制備過程進行了優(yōu)化。首先,通過靜載微細刀具壓斷實驗,發(fā)現(xiàn)只預處理刀具切削部分可顯著減輕預處理對微細刀具斷裂強度的弱化作用。其次,通過基體表面形貌、元素組成分析和壓痕實驗獲得了可對刀具基體表面進行有效粗化和去鈷的堿處理(10分鐘)和酸處理時間(10秒)。隨后,通過形核反應(yīng)氣壓、基體溫度和碳源濃度對金剛石薄膜形核密度、生長速率及均勻性影響規(guī)律的研究,確定了優(yōu)化的形核反應(yīng)氣壓(1.6kpa)、基體溫度(850oc)和碳源氫氣流量比(1:2.75)。在此基礎(chǔ)上,針對摻硼金剛石(borondopeddiamond,bdd)薄膜在沉積過程中可阻止基體鈷元素高溫溢出但耐磨性不及mcd薄膜的特點,提出了bdd+mcd復合金剛石薄膜新工藝。石墨切削實驗顯示,bdd+mcd復合涂層微細鉆頭的鉆削壽命約為mcd或bdd涂層微細刀具工作壽命的2-3倍。4.石墨加工用高性能cvd金剛石涂層微細刀具的開發(fā)與應(yīng)用研究。本部分主要從涂層類型和厚度兩方面優(yōu)化了石墨加工專用cvd金剛石涂層微細刀具的切削性能。石墨與MCD、NCD薄膜以及硬質(zhì)合金的對磨試驗顯示,MCD薄膜具有更高的石墨去除率。切削石墨實驗顯示MCD涂層微細刀具的工作壽命分別為NCD、DLC、TiAl N涂層以及未涂層微細刀具工作壽命的1.5、2、6和9倍。通過對平片上不同厚度MCD薄膜的檢測分析發(fā)現(xiàn),隨著厚度的增加,MCD薄膜表面金剛石純度和硬度逐漸提高,表層殘余壓應(yīng)力逐漸減小,薄膜附著強度逐漸降低。不同厚度MCD涂層微細刀具的石墨切削實驗顯示,當MCD涂層厚度為2.5μm時,微細刀具的工作壽命最長,且實驗過程中其鉆孔孔壁清晰無破損。該厚度MCD薄膜集合了高耐磨性和與基體間高附著強度兩方面的優(yōu)勢,因而其表現(xiàn)出最優(yōu)的石墨切削性能。5.PCB板加工用CVD金剛石涂層微細刀具的優(yōu)化制備研究。本部分首先研究了MCD、NCD薄膜和硬質(zhì)合金與PCB板間的摩擦磨損性能并發(fā)現(xiàn)NCD薄膜與PCB板間摩擦系數(shù)最小(0.35)。MCD、NCD、DLC和TiAlN薄膜涂層微細鉆頭鉆削PCB板的實驗顯示基于NCD薄膜兼具耐磨和與PCB板摩擦系數(shù)低兩方面的優(yōu)點,NCD涂層微鉆的工作壽命最長。在優(yōu)化的薄膜類型基礎(chǔ)上,分別在PCB微鉆上沉積了不同厚度的NCD薄膜。結(jié)合鉆孔形貌、鉆削力和刀具磨損情況分析可知:當NCD涂層為3μm時,微鉆鉆孔數(shù)最多,其工作壽命約為未涂層PCB板微鉆的5-7倍。6.鋁合金加工用CVD金剛石涂層微細刀具的開發(fā)與應(yīng)用研究。針對7075鋁合金粘著性好且硬度較高的加工特點,本部分首先采用摩擦實驗研究了CVD金剛石薄膜及硬質(zhì)合金與鋁合金間的摩擦磨損特性,發(fā)現(xiàn)了NCD薄膜與鋁合金對磨時摩擦系數(shù)和磨損率均明顯低于MCD薄膜和硬質(zhì)合金的特性,揭示了其主要原因為NCD薄膜良好的耐磨損性能,及其與鋁合金間較高的化學惰性和低粘附強度。隨后,MCD、NCD、DLC、TiAlN涂層和未涂層微細鉆頭鉆削鋁合金的實驗顯示,NCD涂層微細刀具的工作壽命最長。其原因在于,鉆削過程中,NCD涂層微鉆的切削刃保持完整,平均進給力一直處于較低水平,鉆孔孔壁清晰且具有很高的圓度�；趦�(yōu)化的薄膜類型,不同厚度NCD涂層微細刀具切削實驗顯示,當NCD涂層厚度為4.5μm時最為合理,既不太厚以致影響切削刃鋒利性;同時也能有效地保護切削刃。此時,微鉆的工作壽命為未涂層微鉆的4.5倍,且明顯高于其他厚度的NCD涂層微細鉆頭。高性能CVD金剛石涂層微細刀具的成功研制與應(yīng)用,有效拓展了CVD金剛石薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域、提高了石墨、PCB板和鋁合金零件的生產(chǎn)效率,降低了相應(yīng)產(chǎn)品的制造成本;同時也為實現(xiàn)傳統(tǒng)硬質(zhì)合金微細刀具行業(yè)的技術(shù)升級提供了有力的技術(shù)保障。
【圖文】：

涂層類型的基礎(chǔ)上進一步探究的可成功應(yīng)用于石墨、印刷線的微細刀具表面硬質(zhì)涂層薄膜綜述的制備及其耐磨損性能研究同素異形體，，其內(nèi)部的碳原子面體晶胞的立方面心晶體[1]。是現(xiàn)今人類已知的最硬的工程材高硬度、低磨損率和強化學惰泛的工程材料。

圖 1- 2 微細機械加工的尺寸范圍[21]Figure 1- 2 Dimentional size of micro mechanical machining具對于微細切削加工過程十分重要，因為工件的加工細刀具的特性密切相關(guān)。因此，如何提高微細刀具的外學者研究的重點方向。國內(nèi)外研究主要從微細刀具及刀具涂層等方面進行微細刀具切削性能的優(yōu)化。的熱硬性和韌性，鎢鈷類超細顆粒硬質(zhì)合金被廣泛用微細切削過程中，微細刀具不僅需要高的強度和韌性利度，這要求微細刀具的基體材料應(yīng)采用晶粒度小于前，國際上已有廠家量產(chǎn)晶粒尺寸為 0.5～1.0 μm 的超材料，微細刀具的切削刃圓弧半徑可降低到幾微米，利度。刀具的幾何形狀也會對其切削性能產(chǎn)生巨大的影響。等設(shè)計了一種半圓微細銑刀。有限元分析結(jié)果顯示該銑
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4;TG71

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本文編號：2535561