（机械制造及其自动化专业论文）各向同性热解石墨切削机理研究.pdf

沈阳航空工业学院硕士学位论文 摘要 各向同性热解石墨广泛应用于航空发动机涡轮轴密封件当中。各向同性热解石墨在 车削加工中易出现边缘碎裂等现象，质量无法保证，其成品率只有2 0 ；同时加工刀具 磨损严重，耐用度非常低。因此，对各向同性热解石墨高效精密切削机理的进行研究， 对降低成本，提高生产效率，保证产品质量等都具有重要的理论意义与实际应用价值。 纳米压痕试验是研究各向同性热解石墨脆塑性转变的重要方法。通过纳米压痕试 验表明，在小印压深度时，各向同性热解石墨材料存在脆塑性转变。即表明了在特定 条件下可以通过塑性域加工获得较好表面质量各向同性热解石墨工件。 本文经过对基于晶体结构和压头形状的应变梯度理论的研究，将应变梯度理论应用 于各向同性热解石墨材料中。计算出其发生脆塑性转变时的临界切削厚度，并建立了 细微观结合的各向同性热解石墨超精密切削模型，然后通过切削试验证实了上述研究结 果的正确性。 通过对各向同性热解石墨加工中金刚石刀具磨损机理与刀具的磨损形貌的研究，表 明了磨粒磨损、粘附磨损和微蹦刃破损是其主要磨损机理。并采用了遗传算法与各向同 性热解石墨加工中的刀具磨损试验数据建立了刀具磨损预测模型，对后续的应用与研究 具有一定指导作用。 各向同性热解石墨的切削参数进行优化。首先采用旋转试验设计方法进行试验规 划，然后基于善于全局搜索的遗传基因算法建立了各向同性热解石墨表面粗糙度预测模 型。应用所建立的表面粗糙度预测模型，分析了切削速度、进给量、背吃刀量对加工表 面粗糙度的影响。结果表明，进给量对表面粗糙度的影响要大于切削速度和背吃刀量对 表面粗糙度的影响。 关键词：各向同性热解石墨；切削机理；脆塑性转变 i a b s t r a c t i s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t ei sw i d e l yu s e di na e r o e n g i n et u r b i n es h a f ts e a l s i ti se a s i l v o c c u r r e dt o f r a g m e n t a r yp h e n o m e n ao ft h ee d g ei nt h et u r n i n gp r o c e s s i n go fi s o t r o p i c p y r o l y t i cg r a p h i t e ，t h eq u a l i t yc a nn o tb eg u a r a n t e e d ，a n di t sf i n i s h e dp r o d u c tr a t ew a so n l v 2 0 ；a tt h es a m et i m e ，w e a ro ft h ec u t t i n gt o o li s s e r i o u s ，t o o ld u r a b i l i t yi s v e r y1 0 w t h e r e f o r e ，f o rs t u d yo nt h eh i g h p r e c i s i o nc u r i n gm e c h a n i s mo fi s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t e ， i ti si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u et or e d u c ec o s t s ，i m p r o v e p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y ，e n s u r ep r o d u c tq u a l i t ya n ds oo n n a n o 。i n d e n t a t i o nt e s ti sai m p o r t a n tw a yt h a t s t u d yo nb f i a l e d u c t i l et r a n s i t i o no 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 t h r o u g hi n d e n t a t i o nt e s t so nt h ei s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t e ，i ti s s h o w e dt h a tt h e r ei st h ee x i s t e n c eo fb r i t t l e d u c t i l et r a n s i t i o ni nas m a l ld e p t ho fp r i n t i n g p r e s s t h a ti s ，b yd u c t i l ed o m a i np r o c e s s i n go fi s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t e ，c a nb ea c h i e v e dt h e w o r k p i e c eo fb e t t e rs u r f a c eq u a l i t yu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s b yb e i n gb a s e do nt h es t r a i ng r a d i e n tt h e o r yr e s e a r c ho fc r y s t a ls t r u c t u r ea n dp r e s s u r e h e a ds h a p ei nt h i sp a p e r ，t h es t r a i ng r a d i e n tt h e o r yi s a p p l i e dt oi s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t e m a t e r i a l s i tw a sc a l c u l a t e dt h ec r i t i c a l c u t t i n gt h i c k n e s st ot h em o m e n to fb r i t t l e d u c t i l e t r a n s i t i o no c c u r r e n c e ，a n ds e tu pu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n gm o d e lo fm i c r o m e s o c o n c e p t c o m b i n i n go ni s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t e ，a n dt h e n c u t t i n g t e s t sh a dc o n f i r m e dt h e c o r r e c t n e s so ft h er e s u l t so ft h es t u d y t h r o u g ht h er e s e a r c ho fd i a m o n dt o o lw e a rm e c h a n i s ma n dm o r p h o l o g yi nm a c h i n i n g p r o c e s s i n go ft h ei s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t e ，i ti ss h o w e dt h a tt h em a i nw e a rm e c h a n i s m sa r e a b r a s i v ew e a r ，a d h e s i v ew e a ra n dm i c r o h o pe d g ed a m a g e t h et o o lw e a r p r e d i c t i o nm o d e lo f i s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t ew a se s t a b l i s h e db yg e n e t i ca l g o r i t h ma n dt o o lw e a rt e s td a t ai n t u r n i n g ，w i t hs o m eg u i d a n c eo ft h ef o l l o w u pa p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h i i 沈阳航空工业学院硕士学位论文 c u t t i n gp a r a m e t e r so fi s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t ec a r r yo u t o p t i m i z a t i o n f i r s t ，t h e m e t h o do fr o t a t a b l ec e n t r a lc o m p o s i t ed e s i g ni s a d o p t e df o re x p e r i m e n t a lp r o g r a m m i n g ，a n d t h e ni ti se s t a b l i s h e dt os u r f a c er o u g h n e s s p r e d i c t i o nm o d e lo fi s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t eb y b a s i n go nb e i n gg o o da tg l o b a ls e a r c ho fg e n e t i ca l g o r i t h m b ya p p l i c a t i o nt oe s t a b l i s ht h e s u r f a c er o u g h n e s sp r e d i c t i o nm o d e l ，i ti sa n a l y s e df o rm a c h i n i n gs u r f a c er o u g h n e s se f f e c t st o t h ec u t t i n gs p e e d ，f e e dr a t e ，c u t t i n gd e p t h t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u r f a c er o u g h n e s s e f f e c to ff e e dr a t ei sg r e a t e rt h a nt h a to f c u t t i n gs p e e da n dc u t t i n gd e p t h k e y w o r d s ：i s o t r o p i cp y r o l y t i cg r a p h i t e ；c u t t i n gm e c h a n i s m ；b r i t t l e d u c t i l et r a n s i t i o n i i i 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 各向同性热解石墨是用作重要装备系统中机械密封装置的关键组件，是国际发展机 械密封用炭石墨材料方面取得的重大突破。各向同性热解石墨材料不仅简化了传统炭石 墨材料必须浸渍处理才能用于机械密封的工艺过程，而且使材料的强度、密封、耐磨等 性能得到明显提高，充分显示了单一结构炭材料的优越性。 我国从2 0 0 2 年开始，经过近五年的努力和投入近亿元的研制费用，2 0 0 6 年初终于 取得了突破性的进展，已成功制备出能加工大规格零件的试样毛坯，毛坯最大厚度可达 2 0 m m ，最大直径可达1 6 0 m m 1 1 。但在零件试加工生产过程中，遇到了非常大的加工难题。 主要问题有： 1 ) 车削加工过程中，边缘碎裂； 2 ) 刀具磨损很厉害，耐用度非常低： 3 ) 易开裂，质量无法保证。 目前，各向同性热解石墨用于制造航空发动机涡轮轴密封件成品率只有2 0 ，并且 成本达到8 0 元人民币克。因此，开展各向同性热解石墨高效精密切削机理的研究，对 降低成本，提高生产效率，保证产品质量以及扩大该新型石墨材料的使用范围等都具有 重要的理论意义与实际应用价值。 1 2 石墨材料国内外研究现状 各向同性热解石墨也是石墨的一个类别，其晶体结构及其材料的性质与传统烧结石 墨具有相同之处，只是其在制造方面与传统石墨有些区别，在材料内部结构与材料的物 理性能方面有些不同。通过对传统石墨材料进行研究，寻找石墨材料的共性切削加工机 理，并采用相关理论计算与实验验证。因此，通过对石墨材料的国内外现状的研究是十 分必要的。 1 2 1 各向同性热解材料的制造及其国内外材料的性能对比 传统的碳石墨材料制备是将填料、粘结剂混合均匀，然后通过模压、烧结的方法制 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 各向同性热解石墨是用作重要装备系统中机械密封装置的关键组件，是国际发展机 械密封用炭石墨材料方面取得的重大突破。各向同性热解石墨材料不仅简化了传统炭石 墨材料必须浸渍处理才能用于机械密封的工艺过程，而且使材料的强度、密封、耐磨等 性能得到明显提高，充分显示了单一结构炭材料的优越性。 我国从2 0 0 2 年开始，经过近五年的努力和投入近亿元的研制费用，2 0 0 6 年初终于 取得了突破性的进展，已成功制备出能加工大规格零件的试样毛坯，毛坯最大厚度可达 2 0 m m ，最大直径可达1 6 0 m m 1 1 。但在零件试加工生产过程中，遇到了非常大的加工难题。 主要问题有： 1 ) 车削加工过程中，边缘碎裂； 2 ) 刀具磨损很厉害，耐用度非常低： 3 ) 易开裂，质量无法保证。 目前，各向同性热解石墨用于制造航空发动机涡轮轴密封件成品率只有2 0 ，并且 成本达到8 0 元人民币克。因此，开展各向同性热解石墨高效精密切削机理的研究，对 降低成本，提高生产效率，保证产品质量以及扩大该新型石墨材料的使用范围等都具有 重要的理论意义与实际应用价值。 1 2 石墨材料国内外研究现状 各向同性热解石墨也是石墨的一个类别，其晶体结构及其材料的性质与传统烧结石 墨具有相同之处，只是其在制造方面与传统石墨有些区别，在材料内部结构与材料的物 理性能方面有些不同。通过对传统石墨材料进行研究，寻找石墨材料的共性切削加工机 理，并采用相关理论计算与实验验证。因此，通过对石墨材料的国内外现状的研究是十 分必要的。 1 2 1 各向同性热解材料的制造及其国内外材料的性能对比 传统的碳石墨材料制备是将填料、粘结剂混合均匀，然后通过模压、烧结的方法制 沈阳航空工业学院硕士学位论文 成的，用这种制备方法生产的碳石墨都不属于热解石墨。各向同性热解石墨( i s o t r o p i c p y r o 一y t i cg r a p h i t e ) 材料是利用化学气相沉积方法( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n c v d ) 制备的一种高性能碳质材料【l 】。如图卜1 ，以丙烷为碳源气体，氮气或氩气为载带气体， 氧化铝空心球为床层粒子，将直径1 2 0 m m 厚度2 0 m m 的细结构石墨材料用细砂纸抛光处 理后作为基体，反应温度为1 4 0 0 一1 5 0 0 。制备过程中床层粒子在碳氧气体和载气的 吹动下形成流态化，床层面积为3 0 0 0 c m 2 - 1 0 0 0 0 c m 2 ，反应进行5 h 一1 4 h 后停炉。在基体 表面即可沉积生成厚度为2 m m 一5 m m ，密度为1 7 0g c m 3 - 1 9 3c m 3 的各向同性热解炭材 料。 出粒子器 图i - i 旋转基体稳态硫化床沉积装置示意图1 1 1 各向同性热解石墨【1 。3 】由于其结构致密、晶粒尺寸小，因此除具备一般碳质材料的 耐高温、润滑、耐磨损等共性优点外，还具有强度高、不透气、可加工性能优良等特点， 不需要任何浸渍等后处理就可直接用做高性能机械密封组件。其强度、耐磨、润滑、密 封性能、可加工性能等都大大优于传统碳质材料，同时作为均质单相材料，其密封性能 也优于碳金属、碳树脂、碳碳等复合材料。 利用r i g a k ud m a x 2 2 0 型x 射线衍射仪对国外和国产材料进行了x 射线衍射分析 ( x r d ) ，如图卜2 ，从各向同性热解石墨的x r d 图谱可以看出，三个样品均在2 2 8 度附 2 近：f 现尖锐的( 0 0 2 ) 行丁射峰，行分别观察到( 1 0 ) 、( 0 0 4 ) 和( 1 1 ) 衍射峰。分析结果 表1 9 j j _ 材料( i 、1 r 1 和i 、i r 3 ) 和围外材料( r u l ) j i 4 j 柏尉的晶体结f f ：7 ，其行举片j ，：的 z ! l 、 i 馏f 均约为0 3 5 n m ，品粒尺、j ( 1 。c ) 约为9 一i o h m 1 1 。 图1 2 符向同性热解石墨的x r d 图谱o 分棚显微镜偏光照片，如 刘卜：j ，表明囤产各阳同性热解彳i 爆材车： 结f f = j 均匀致密， j 0t ，分竹i 少鼙的j ：寸闭7e 扎，5 - 【翻外材料歹 仃斗1 i | i 可的湿微结f ：；】。 图l - 3 各向同性热解石墨材料的2 0 0 倍金相显微镜偏光照片1 2 i 刊川扫描f u 镜对备向性热解f i 氍材料的微脱结构进行观察发现，汽径为儿百纳米 到儿微米的尉i 粒状碳结构怂材料的 i 嘤结构即己，如图1 一，1 颗卡矗状碳结构【上 j 去状碳 结构紧密粘纡沼：起形成均匀致密的备川i i j 性材料。颗卡矗状碳结构在：；! ) c 积过 挈r i 的州丘 搭接形成了行向旧性热解i 攫材料t ，的上寸闭孔隙。| f i 予颗粒j 己、j 。细小、结合紧密，所以 j 充日i 航空i ：业学院硕十学f 秽论文 备向同性热解石墨材料与传统炭材料相比具有很高的力学性能。 图1 - 4 各向同性热解石墨材料的s e m 照片 通过对各向性热解石墨的性能指标进行了检测，与国外材料的技术条件参考指柄 对比发现，国产制备的各向同性热解彳i 墨材料各项研究性能指标，如表l 卜3 1 ，均符合匪 外材料的技术条件要求。 表l 各向同性热解石墨参考性能指标 性能指标 国外材料技术条件 抗压强度( m p a ) 抗弯强度( m p a )卜去羔罢 冲击韧性( j m 2 ) ( 4 4 5 4 ) 1 0 5 8 8 4 l o 显微硬度( m p a ) 3 0 m 击0 04 8 9 一v 5 9 2 3 3 6 ( 1 0 0 。c ) ， 导热系数( w m k ) 3 0 5 0 3 6 5 ( 3 0 0 c ) ， 【k t t p ) k 3 、】1 7 3 k 16 7 ( 10 7 3 2 2 7 3 k ) 7 2 9 0 1 ( 10 7 3 2 2 7 3 k ) 8 0 4 沈阳航空工业学院硕士学位论文 抗拉强度( m p a ) 3 5 5 05 0 5 弹性模量( g p a ) 木 1 8 3 土1 41 2 0 7 泊松比0 3 2 0 3 40 3 1 4 电阻系数( q i n ) ( 3 7 2 ：k - 0 6 4 ) 1 0 。5 3 8 5 x1 0 5 肖氏硬度 1 1 01 0 8 1 1 l 书注：俄材料实测弹性模量为1 1 1 2 g p a 1 2 2 石墨的摩擦与磨损特性 石墨的晶体结构的特点导致其各向异性，也导致了石墨晶体的机械性能具有显著的 方向性。其在不同方向上也表现出了不同的机械性能以及摩擦学特性：如在石墨晶体的 ( 0 0 1 ) 基面上有滑移系，致使石墨具有良好的润滑性；如石墨晶体相同基面内碳原子问 的结合力要比相邻基面上碳原子结合力大1 0 0 倍 4 ；如施加0 1 n 的载荷于单晶石墨体上， 测得起硬度值大约为基面方向剪切强度的5 0 倍 5 ；如石墨晶体的棱面在较低载荷( 小于 4 0 m g ) 作用下的摩擦系数约为0 3 ，但是垂直于石墨棱面的摩擦系数约为石墨基面之间摩 擦系：数的3 0 倍【6 j 。因此，石墨一种既有高磨蚀性又具有润滑性的材料。 石墨薄层转移膜是在石墨与金属摩擦过程中形成的，首先由石墨晶体产生层间解 理，然后由分离出的碎断石墨鳞片粘附于对磨金属表面上形成的石墨转移膜。因为石墨 是片层状晶体结构，所以石墨晶体由解理面与棱面构成。解理面的粘附力以及表面能量 都比较低；尽管棱面活性较高，但由于其在大气中的水和氧气作用下，能够形成具有不 同含氧基团的表面，所以石墨转移膜表现出低摩擦特性 7 。当石墨转移膜完全形成后， 石墨与金属之间的对磨过程就变成石墨与石墨之间的摩擦过程，因此其摩擦系数也显著 降低，对磨金属的磨损速度也随之逐渐降低。 在石墨电刷与铜反复对磨过程中，已经有学者进行了石墨转移膜的形成和摩擦磨损 特性等方面的研究与分析表明：石墨电刷经过反复摩擦后，石墨磨屑在对磨铜表面形成 了一层石墨软质膜，即石墨转移膜。石墨磨屑中一般也包含一些碳黑颗粒以及退化的石 墨产物，转移膜形成后其摩擦系数约降低3 0 8 , 9 ：石墨晶体当受到摩擦后将会表现出 择优取向特征，通常其基面会与对磨表面呈( 5 0 _ 1 0 。) 夹角，如图1 - 5 ，相应的其摩擦系 数也会降低至0 卜0 2 【1 0 。1 1 ；由于形成了石墨转移膜，铜本身发生了与石墨电刷的杂质 5 沈阳航空： 业学院硕士学位论文 含量：百关磨损1 2 ，其表面形貌随着对磨时间的变化而变化；石墨电刷与铜环对磨一段时 间后会形成稳定状态的转移膜形貌，其形貌的形成受到铜的初始表面粗糙度的影响较为 显著，载荷波动变化也会导致石墨晶体在滑动表面上定向状态变化 9 1 。 卜 述 图1 s 石墨晶体滑动摩擦过程中的择优取向f 1 1 l 1 2 3 石墨材料的加工现状 由于国内的石墨材料在切削加工领域的需求量相对比例极少，石墨零件的单件加工 中刀具磨损问题也不突出，所以在有关切削理论和加工工艺手册中几乎找不到有关的资 料。随着一些高新技术的发展，石墨材料的应用范围不断扩大，石墨零件的生产批量也 在增加，对于如何改善其切削加工性，提高加工效率就十分重要了，但在该领域内的应 用研究明显滞后，难以适应和满足工程应用的需要。 我国学者在烧结石墨切削机理方面的研究工作主要包括：汕头大学阎秋生教授采用 陶瓷和硬质合金材料刀具，对烧结石墨材料进行了切削，其对切削的刀具材料选用，刀 具的磨损及石墨材料的可加工性等进行了研究。烧结石墨车削过程中，出现呈凹凸碎状 的石墨切屑粉粒，表面多棱角，尺寸大约为几十到数百微米。伴随着刀具磨损程度的加 重，切屑颗粒平均直径也渐渐趋近于球形，粉屑表面凹凸度也逐渐的减小 ” ；集美大学 研究了c v d 刀具切削加工高纯度石墨的刀具磨损的试验研究，利用c v d 金刚石涂层刀具 和硬质合金刀具对石墨进行切削实验，将两种刀具寿命做比较，结果表明：c v d 涂层刀 具具：有高硬度、低摩擦系数、高耐磨和高导热等优良的性能，相对于硬质合金刀具，大 幅提高了刀具的耐用度【1 4 j ；陈昌精通过对石墨材料的车削过程的研究表明：切削工具对 石墨材料的作用不仅仅单纯的表面剥离，而且还因切削工具与石墨坯料的性质、切削工 具的切削参数与切削刃口的锋利程度的不同，伴随着对切削表面颗粒的“压碎剥离” 或“切开剥离”作用；在碳一石墨材料切削过程中，由于石墨属于脆性材料，所以切削 6 沈阳航空工业学院硕士学位论文 力表现为无规律的、断断续续的高频冲击力；此外，因为处于高速相对运动中，所以碳 颗粒和切削刃之间存在着非常大的摩擦力【l5 1 。胡建文通过对石墨材料的切削过程中研究 表明：石墨材料表面主要受道刀具刃口的挤压力而产生了挤裂( 挤碎) ，该挤压力本质上 来源二于二刃口与被加工材料的摩擦作用【l6 | 。广东工业大学和香港大学合作开展过p c d 切削 高强度烧结石墨加工方面的研究。特别是石墨电极高速铣削加工方面的研究，广东工业 大学王成勇教授的研究课题组取得了一定的成果1 7 。2 0 1 。 国外学者对传统的碳石墨材料切削加工机理研究主要包括：m a s u d a 通过对石墨材料 高速车削过程中的高速摄影观察表明：石墨材料内部产生了初始裂纹，首先该裂纹沿着 切削方向发生扩展，然后使石墨材料逐渐碎裂，由于石墨切屑大多数都沿前刀面滑动， 所以产生刀具月牙洼磨损现象【2 1 1 。s a t o 通过对烧结石墨高速车削研究，将石墨切屑大 致划分为四个等级( 6 3um 、1 2 5um 、2 5 0um 以及5 0 0um ) 。在颗粒等级切削重量比重 中，粒度小于2 5 0um 的切屑颗粒的重量占据了较大一部分比例，此外，伴随着进给量 的增：蛔，大颗粒切屑所占的比重将逐渐增加 2 2 1 。k 6 n i g 通过高速铣削石墨研究表明： 石墨切屑形成过程与陶瓷等脆性材料的形成过程有非常大相似之处；由于刀尖处的高挤 压作用，所以此处的石墨材料产生了挤压破碎，并形成了细小的石墨切屑。与此同时， 产生的裂纹首先会向刀尖前下方向延伸扩展，然后再逐渐的扩展到自由表面，形成大块 断屑，并在已加工完成的石墨材料表面形成断裂凹坑；由于石墨切屑与刀具的前刀面接 触状态不同以及刀具磨损形态的不同，可以将其简单划分为：切削接触冲击区和切屑沿 前刀面的滑移区【2 3 1 。在石墨电极材料车削过程中，切削力及其波动幅值随着进给量的增 大而增大，其最大切削力与其平均切削力之比可高达2 o ，表明了脆性材料加工过程切 削力的波动特性。德国和日本的学者研究聚晶金刚石刀具切削石墨时 2 4 - 2 5 1 发现：刀具的 磨损是由石墨切屑对结合相的磨损以及金刚石破碎后引起的二次磨粒磨损组成的，且刀 具表面通常有一层粘附石墨形成的润滑膜，其耐磨性是硬质合金的卜2 倍。而实验测得 石墨材料的车削温度均不高，最高温度在1 6 0 3 0 0o c 之间，且与切削速度呈线性关系， 切削温度也不会超过5 0 0 ，对切削过程的影响不太大。 1 3 硬脆材料的切削加工研究 石墨材料归属于硬脆材料。对硬脆材料的切削加工进行研究，不可避免的要对其各 7 沈阳航空工业学院硕士学位论文 种加工方法【2 6 j 以及材料去除机理与其加工过程中的工具磨损机理进行研究。金刚石是非 常理想的工具材料，尽管各种工具的应用范围和加工特点不同，但其切削机理都大致相 似。因为金刚石工具的磨损对工件的加工质量和加工过程的影响很大，所以工具的磨损 性能也是反映被加工材料去除机理、工具性能、工艺参数是否合理的一个重要指标。 1 3 1 硬脆材料切削加工中的材料去除机理 在超精密加工中，硬脆材料的去除机理研究【2 刀，主要是如何实现材料的脆一塑转变。 对于脆性材料可以实现脆一塑转变的实质和成因，基于不同的理论基础和试验方法，学 者们分别提出了能量假说、应力均布效应机理、相变机理、相变和滑移混合机理等。 美国波士顿大学的b i f a n o 在研究脆性材料的韧性域磨削问题时，首先提出了能量 假说【2 8 1 ，b i f a n o 的研究表明：在脆性材料的加工过程中，材料是以脆性断裂破坏方式 去除还是以塑性变形方式去除，主要取决于这两种方式中哪一种变形所需求的能量首先 得到满足。其对该观点仅作了简单性的描述，缺少系统研究，特别是变形所需要的能量 与临：界切削厚度问的关系没有被建立，也没有与切削加工过程联系起来，很难令人满意。 英国萨里大学的p u t t i c k 和克兰菲尔德大学的a e g e e 通过应用格里菲思表面能理论 2 9 1 ，提出了几何变形尺度与应变能的换算假设，并对超精密切削中脆性材料的脆塑转变 成因进行深入研究表明：由于材料裂纹长度与应变能相关，所以材料变形的几何尺度与 能量之间也应该具有一定的对应关系，脆性材料切削厚度与应变能量之间也应该存在着 一定的对应关系。 相变和滑移混合机理认为，脆性晶体材料的脆塑转变与相变和滑移变形都有关系。 1 9 9 4 年日本北海道大学的s h i b a t a 使用金刚石刀具沿( 0 0 1 ) 晶面的 1 1 0 方向，分别在 l o o n m 和5 0 0 n m 切削深度下，对单晶硅进行了切削试验，然后使用s e m 、a f m 观察了加工 表面，使用t e m 观察了垂直切削方向的横截面3 0 1 。通过t e m 图像发现，不论切削深度如 何，其横截面都大致分为上下两层，上层没有晶体态结构，下层有很多位错分布。通过 电子衍射图像发现，上层和下层分别为非晶态结构和单晶结构。下层的位错分布深度在 切削深度为l o o n m 和5 0 0 h m 时分别为1um 和3um 。不论切削深度如何位错分布大多是 在( 1 1 1 ) 面的 1 1 0 方向，而且靠近表面区域是刃型位错，较深层螺型位错增加。在切削 深度为5 0 0 n m 时发现了加工表面微裂纹，他推测这些微裂纹是过多的位错堆积造成的。 8 沈阳航空工业学院硕士学位论文 种加工方法【2 6 j 以及材料去除机理与其加工过程中的工具磨损机理进行研究。金刚石是非 常理想的工具材料，尽管各种工具的应用范围和加工特点不同，但其切削机理都大致相 似。因为金刚石工具的磨损对工件的加工质量和加工过程的影响很大，所以工具的磨损 性能也是反映被加工材料去除机理、工具性能、工艺参数是否合理的一个重要指标。 1 3 1 硬脆材料切削加工中的材料去除机理 在超精密加工中，硬脆材料的去除机理研究【2 刀，主要是如何实现材料的脆一塑转变。 对于脆性材料可以实现脆一塑转变的实质和成因，基于不同的理论基础和试验方法，学 者们分别提出了能量假说、应力均布效应机理、相变机理、相变和滑移混合机理等。 美国波士顿大学的b i f a n o 在研究脆性材料的韧性域磨削问题时，首先提出了能量 假说【2 8 1 ，b i f a n o 的研究表明：在脆性材料的加工过程中，材料是以脆性断裂破坏方式 去除还是以塑性变形方式去除，主要取决于这两种方式中哪一种变形所需求的能量首先 得到满足。其对该观点仅作了简单性的描述，缺少系统研究，特别是变形所需要的能量 与临：界切削厚度问的关系没有被建立，也没有与切削加工过程联系起来，很难令人满意。 英国萨里大学的p u t t i c k 和克兰菲尔德大学的a e g e e 通过应用格里菲思表面能理论 2 9 1 ，提出了几何变形尺度与应变能的换算假设，并对超精密切削中脆性材料的脆塑转变 成因进行深入研究表明：由于材料裂纹长度与应变能相关，所以材料变形的几何尺度与 能量之间也应该具有一定的对应关系，脆性材料切削厚度与应变能量之间也应该存在着 一定的对应关系。 相变和滑移混合机理认为，脆性晶体材料的脆塑转变与相变和滑移变形都有关系。 1 9 9 4 年日本北海道大学的s h i b a t a 使用金刚石刀具沿( 0 0 1 ) 晶面的 1 1 0 方向，分别在 l o o n m 和5 0 0 n m 切削深度下，对单晶硅进行了切削试验，然后使用s e m 、a f m 观察了加工 表面，使用t e m 观察了垂直切削方向的横截面3 0 1 。通过t e m 图像发现，不论切削深度如 何，其横截面都大致分为上下两层，上层没有晶体态结构，下层有很多位错分布。通过 电子衍射图像发现，上层和下层分别为非晶态结构和单晶结构。下层的位错分布深度在 切削深度为l o o n m 和5 0 0 h m 时分别为1um 和3um 。不论切削深度如何位错分布大多是 在( 1 1 1 ) 面的 1 1 0 方向，而且靠近表面区域是刃型位错，较深层螺型位错增加。在切削 深度为5 0 0 n m 时发现了加工表面微裂纹，他推测这些微裂纹是过多的位错堆积造成的。 8 沈阳航空工业学院硕士学位论文 s h i b a t a 认为单晶硅的韧性域切削是通过变成非晶态的相变和与 1 1 1 ) 滑移系有关 的变形实现的。可惜s h i b a t a 没有对刀具参数和切削深度等切削条件如何影响位错的产 生作进一步的研究，也没有说明位错和裂纹间的转换过程等。 2 0 0 0 年巴西圣保罗大学的r e n a t o 3 1 】通过应用原子力显微镜对单晶硅的切削表面与 切屑进行研究和观察表明：其加工表面和切屑的电子衍射图像与t e m 图像都没有观察到 任何位错。r e n a t o 认为在切削过程中切屑的晶体结构完全转变成了不明确的结构，而已 加工表面上相变后的材料没有被完全切除造成了漫反射衍射图像。r e n a t o 还根据 s u z u k i 3 2 j 的研究结果进行了推测：单晶硅晶体发生相变后转变为一种由极微晶组成的多 晶体结构。然而，早在1 9 9 6 年英国萨里大学的p u t t i c k 就指出：表面层的非晶态成分 并不能说明单晶硅的脆塑转变机理【2 9 1 。p u t t i c k 通过原子力显微镜观察到了单晶硅纳米 精度等级加工表面形貌，通过卢瑟福背散射谱与横截面透射电子显微形貌图像，对单晶 硅的亚表层的损伤情况与化学成分进行了研究。他发现：在单晶硅的超精密切削加工中 其表面粗糙度能够达到6 n m ，同时单晶硅亚表层还存在着大量与加工表面相交的位错环， 导致了单晶硅表面以下2 0 0 n m 厚的亚表层损伤变质，并且在加工表面还存在着0 5 n m 左 右厚的s i 0 2 ，从而才能够观察到的非晶态硅成份。p u t t i c k 认为硬脆材料加工表面亚表 层的损伤变质，即亚表层中的大量位错，可能与切削过程存在某种特殊的联系。当然， 相变机理的研究与分析是完全建立在实验观测的基础上，观测到的结果受实验条件的影 响非常的大，缺少理论性的论证与支持。 j i w a n gy a n 等人通过对比了单晶硅超精密切削实验与4 0 0 m p a 的静压条件下的单晶 硅刻划实验表明：单晶硅能够实现韧性域切削加工去除材料，是由于切削区应力的均匀 分布状态而造成的【33 1 ，并于2 0 0 2 年提出了如图卜6 所示的脆塑转变模型 3 4 1 。 a ) 脆性域b ) 韧性域 图l _ 6 脆塑转变时的应力状态示意图 9 沈阳航空工业学院硕士学位论文 该模型表明：当切削厚度较大时，首先在工具切削刃附近的拉应力作用区，会产生 高度的应力集中状态，然而在切削表面上方的大部分待去除材料却处于低应力作用状 态，因为单晶硅的断裂韧度非常低，所以刀具向前作切削运动过程中，断裂裂纹会立刻 在切削刃前方产生，材料将以脆性断裂方式去除，不会以塑性变形方式去除，加工表面 表现为凹坑形貌；而当切削厚度较小时，由于切削表面上方的待去除材料较少，工具的 刃口二半径与切削厚度尺寸值相当，所以消除了应力集中区域，导致整个切削区域处于高 静压状态，因此，切削刃附近的应力状态均布和高静压实验时的应力状态极其相似，硬 脆材料的塑性转变增强，材料便以塑性变形的方式被切除掉，所以硬脆材料在切削加工 中就可以得到超光滑的光学表面。 上述机理虽然给出了脆性材料可以实现脆塑转变的原因，但是都没有或很少再依据 这些机理进一步分析其它因素对超精密切削的影响。脆性材料塑性域切削涉及细微观多 个空间尺度，如包括共价键的断裂、位错的运动、裂纹生成和扩展、切屑去除等；同时 脆性材料塑性域切削加工也是被多种影响因素所控制的复杂过程，如刀具几何形状、切 削参数和单晶硅的力学性能对加工表面质量的影响等。所以对于如何将上述脆塑转变机 理应用到解释各向同性热解石墨材料切削过程的中的众多现象，还需要进一步研究。 1 3 2 硬脆材料切削加工中的金刚石工具磨损机理 用金刚石工具加工硬脆材料时，由于剧烈摩擦、高温等的作用，工具不可避免地会产 生磨损。磨损是一个非常复杂的过程，通常是机械摩擦、热作用和化学反应的各种因素 的综合作用结果 3 5 , 3 6 】。主要的磨损有：磨粒磨损、扩散磨损和氧化磨损、粘附磨损等 3 7 , 3 8 】。 因此，对于不同的加工材料和加工刀具都有其独特的磨破损机理 3 9 4 1 1 。 1 3 2 1 金刚石工具磨损的形式 金刚石工具的磨损大致可分为三个阶段：过渡磨损阶段( 处于工具磨损初期) 、稳 定磨损阶段( 处于磨损率约为恒定值的工具磨损中期) 和加速磨损阶段( 处于工具磨损后 期) 。加速磨损阶段表明工具已经不能保证加工工件质量，工具需要重新修整或更换新 的加_ - e 5 1 2 具。磨粒磨损在金刚工具的磨损过程中起着非常重要作用，对它的研究有重要 意义。 微破碎磨粒、整体磨粒、磨粒脱落、宏观破碎磨粒及磨粒磨平是磨粒磨损的几个主 1 0 沈阳航空： 业学院硕士学位论文 要形式 4 2 1 。工具不同的磨损阶段、所用的加工工具以及被加工材料等都会影响上述几种 磨损形式在磨损中所占的比例。twl i a o 等 4 3 】定量的研究了以微小的进给量对结构陶 瓷进行磨削时金刚石砂轮的磨损，结果表明：在过渡磨损阶段和稳定磨损阶段，砂轮的磨 损形式是不同的。哈工大的仇中军等畔 通过应用金刚石砂轮磨削氧化铝陶瓷的研究表 明：磨粒磨损和磨粒脱落是其主要磨损形式。赵清亮等 4 5 】通过单晶金刚石车刀，在超精 密单点切削中对刀具磨损进行了研究分析：为了减轻甚至消除金刚石刀具的磨损，在切 削铜时应使用少氧或无氧的切削液；在切削铝时应在刀具表面涂覆润滑剂或隔离膜；在 切削单晶硅时应保证低温和少氧环境，同时应使用小切深和小进给量。sy l u o e 4 6 应用金 刚石锯片切割花岗岩的研究表明：锯片的主要失效形式是磨粒脱落与磨粒宏观破碎，当 脱落和破碎的磨粒数超过1 3 时，工具需更换或从新刃磨。于怡青等【4 7 通过对石材、混凝 土等材料的切割研究，根据对金刚石工具表面结合剂状态下的金刚石颗粒进行了大量跟 踪观察矛h s e m 分析表明：整体磨粒脱落率越低加工就越容易进行，工具耐磨度也随着越 高；金刚石颗粒的宏观破碎会导致工具的出刃高度急剧下降，甚至会导致工具失去切削 能力；当工具接近急剧磨损阶段时，切削工具的磨粒磨钝，金刚石颗粒出刃度降低，随着 金刚石颗粒周围结合剂的磨损，导致对金刚石颗粒的把持力降低，金刚石颗粒出现脱落。 徐西鹏等【4 8 通过对花岗石的锯切研究表明：金刚石颗粒磨损的实际磨损过程路径是不同 的。：有的是从完整晶型开始，经过微破碎再到宏观破碎，最后发生脱落；有的是开始就发 生脱落。这取决于金刚石颗粒的品质、所承受载荷以及结合剂等因素，而采用金刚石固 位载体金属结合剂的磨损过程就更加的复杂了。在切削液的带动下，金刚石颗粒的碎屑 与花岗石的切屑冲蚀着结合剂表面，并在其表面形成了冲蚀痕迹。在类似于流体研削的 条件下金刚石颗粒的结合剂被渐渐磨蚀。金刚石工具前端的月牙洼凹坑是由锯切过程中 流体形成气穴而引起冲蚀所形成的。此外，结合剂还承受着花岗石中硬质点的刮削与犁 削作用。 1 3 2 2 金刚石工具磨损机理 金刚石工具的磨损机理一般将其划分为以下几种：磨蚀磨损、摩擦磨损、结合剂破 碎、磨粒破碎、粘附磨损、扩散磨损、表面疲劳以及冲击破损等等。磨蚀磨损是因为削 弱了结合剂对金刚石颗粒的把持了促进了磨粒脱落；摩擦磨损导致了磨粒磨钝和磨平， 沈阳航空工业学院硕士学位论文 表现为抛光形貌；结合剂破碎是结合剂的粘附力无法把持住金刚石磨粒，而导致磨粒脱 落。在不同的加工过程中，金刚石工具所表现的磨损机理是不同的，如：在微进给量条件 下磨削结构陶瓷时，金刚石砂轮的磨损形式主要为如下三种h 2 4 3 1 ：磨粒破碎、摩擦磨损 以及结合剂破碎，此外，结合剂磨蚀也存在于加工中。宿庆财【4 9 】等对单晶金刚石刀具磨 损机理研究表明：金刚石单晶晶面上实际的电子密度并非简单的正比于原子密度，当金 刚石：受到外力作用时，( 1 1 1 ) 面间较弱的键相对更容易断裂，因而导致沿( 1 1 1 ) 面产生解 理。这与实验观察结果相吻合。y iy a n gz h o u 等5 0 1 采用陶瓷结合剂砂轮磨削蓝宝石的 研究：表明：结合剂脆性断裂是陶瓷结合剂砂轮的主要磨损机理，而磨耗和磨蚀是金属与 树脂结合剂砂轮的主要磨损机理。文献 4 6 的作者应用金刚石锯片切割花岗岩的研究表 明：工具的磨损机理主要是摩擦磨损、磨蚀磨损、表面疲劳以及冲击破损。徐西鹏等h 8 】 在锯切花岗石过程中研究了金刚石节块磨损表明，金刚石主要受到花岗石的直接摩擦磨 损，与此同时也受到花岗石切削碎屑的冲蚀作用，其主要的磨损机理为：磨粒磨损、冲击 磨损以及流体中固体微小颗粒引起的冲蚀。xpx u 等5 1 】通过对作用在磨粒上的载荷与 切削区温度的定量分析与研究表明：冲击力主要引起了磨粒破碎；此外，温度的变化能 够导致工具的热疲劳损坏与热应力的改变，所以也应该重视温度的改变。宗文俊等【5 2 1 应用金刚石刀具对单晶硅切削研究表明：切削区域的高温高压导致金刚石刀具发生碳原 子扩散磨损；切削过程中有碳化硅和类金刚石两种超硬微颗粒形成，而随着切削路程长 度的逐渐增加，超硬微颗粒并不随之消失；碳化硅和类金刚石超硬微颗粒在金刚石刀具 后刀面刻画和耕犁，从而产生沟槽磨损，直接导致金刚石刀具产生急剧磨损。 1 4 课题来源及主要研究内容 1 4 1 课题来源 中航工业沈阳黎明航空发动机( 集团) 有限责任公司 1 4 2 主要研究内容 1 ) 各向同性热解石墨的纳米压痕实验及其参数分析 通过微纳米力学性能印压试验，研究各向同性热解石墨在切削加工中的材料去除 方式与相关的性能。首先通过各向同性热解石墨材料的纳米压痕试验所得到的印压深度 与载荷对应的数据关系，得到各向同性热解石墨材料的纳米压