[发明专利]一种降低金刚石刀具磨损的方法

说明书

技术领域

 本发明属于超精密加工领域，具体涉及一种降低金刚石刀具磨损的方法。

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、在氮或氢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-140 ℃ 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，或者加入椭圆振动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

本发明为克服现有技术的不足，目的在于提供一种降低金刚石刀具磨损的方法。

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。