（机械制造及其自动化专业论文）影响金刚石弹性浮动研磨表面质量因素研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e se ar chont hea ffe c t ingf a c t or sofel a s t lc fl o a t ingl a pplngofdi a monds urf a cequ al i t y c a n d i d a t e ：s h ig u o t a o s u p e r v i s o r ：p r o f f uh u i n a n m a y2 0 10 f a c u l t yo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 1 0 0 9 0 单晶金刚石具有高 学稳定性，在许多领域有着广泛的应用前景，如高精度表面切削加工工具、 飞行器窗口材料及各种高科技产业用材料等。随着科技和应用的发展，人 们对金刚石工具表面提出了更严格的要求。由于金刚石材料的脆硬特性， 一般地，获得有形状要求的高精度及粗糙度值低的金刚石表面困难，因此 开展金刚石的精密研磨技术研究，具有良好的应用前景和实用价值。 首先针对研磨过程中诸如金刚石硬脆材料经常遇到的问题，提出一种 基于弹性浮动状态下进行单晶金刚石研磨的加工方法，即令工件和磨具处 于弹性浮动状态，在此状态下适当地设计和选择弹性系统的参数，达到有 效地减小或降低传统加工过程中振动等不利因素的影响，实现金刚石表面 的超精密加工。本文从不同研磨条件下金刚石的研磨表面质量差异处入手， 通过分析造成不同沿研磨表面特征的研磨过程，研究影响单晶金刚石弹性 浮动研磨表面质量的因素。实验研究了研磨速度和研磨压力对金刚石研磨 表面质量的影响，得出了最佳研磨速度和研磨压力的范围，初步分析了研 磨速度及研磨压力的增减对研磨过程中金刚石材料的去除特性的影响。目 的是选择较好的研磨参数并为后续章节的研究做基础。 在弹性浮动研磨过程中，弹性梁和研磨盘是直接和金刚石工件发生相 互作用的构件，弹性梁和研磨盘的运行状况对金刚石研磨表面质量有直接 的影响。本文建立了研磨盘磨粒对金刚石工件的冲击力学模型，通过建模 分析得出了参与研磨的微刃数越多金刚石工件所受冲击越小的关系，并通 过实验加以验证。对弹性梁在研磨过程中所受冲击加以了划分，主要考察 了弹性梁受轴向冲击和横向冲击时对金刚石研磨表面质量的影响，通过实 验验证和理论分析证明了弹性梁受轴向冲击时在垂直于研磨盘盘面方向的 振动要比受横向冲击时要强。目的是优化弹性浮动研磨的结构，减少研磨 过程中的扰动因素。 最后通过探讨研磨过程中金刚石研磨表面所呈现的不同加工特征区 广东工业大学硕士学位论文 域，如表面凹坑区、表面解理区、表面光滑区等，来分析研磨过程中金刚 石材料的去除特性。通过在特殊的研磨条件下，如粗研磨盘、进化后的研 磨盘、以及弹性梁与研磨盘发生相互撞击作用的情形下，结合金刚石研磨 表面的不同特征，得出了不同研磨条件下金刚石材料的去除特性以及不同 研磨表面特征的形成原因，目的是优化研磨条件尽可能得到较为光滑的研 磨表面同时减少研磨表面的缺陷。 关键词：弹性浮动；冲击；一材料去除特性；弹性梁；表面质量 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n g l ec r y s t a ld i a m o n dh a st h eh i g hh a r d n e s s ，h i g he l a s t i cm o d u l u sa n d e x c e l l e n tr e s i s t a n c et oa b r a s i o n ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dc h e m i c a ls t a b i l i t y ， i nm a n ya r e a sh a v ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，s u c ha s ，h i g h p r e c i s i o n s u r f a c e p r o c e s s i n g s u c ha s c u t t i n gt o o l s ，a i r c r a f t w i n d o wm a t e r i a l sa n d v a r i o u sh i g h - t e c hi n d u s t r i a lm a t e r i a l s w i t ht h et e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t ，p e o p l e o nt h ed i a m o n ds u r f a c em a d em o r e s t r i n g e n t r e q u i r e m e n t s a st h er i g i dm a t e r i a lp r o p e r t i e so fd i a m o n d ，g e n e r a l l y ，o b t a i na s h a p eo ft h er e q u i r e da c c u r a c ya n ds u r f a c er o u g h n e s so ft h ed i f f i c u l t i e so fl o w d i a m o n d ，t h e r e b y ，t h ep r e c i s i o nd i a m o n dl a p p i n gt e c h n o l o g y ，h a v eag o o d p r o s p e c ta n dp r a c t i c a lv a l u e f i r s to fa l l ，t h ep r o c e s sf o rl a p p i n gh a r da n db r i t t l em a t e r i a l ss u c ha s d i a m o n dp r o b l e mo f t e ne n c o u n t e r e d ，af l e x i b l ef l o a t i n g - b a s e ds i n g l e c r y s t a l d i a m o n dl a p p i n gu n d e rt h es t a t e s p r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h e i rm a i nr o l e i s f l e x i b l ew o r k p i e c ea n dg r i n d i n gt o o l si nt h ef l o a t i n gs t a t e ，i nt h i ss t a t e ，t h e a p p r o p r i a t ed e s i g n a n ds e l e c t i o no ft h ep a r a m e t e r so fe l a s t i cs y s t e m ，t o e f f e c t i v e l yr e d u c eo rr e d u c et h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n go fv i b r a t i o nc a n n o tb e f a c t o r s ，d i a m o n ds u r f a c et oa c h i e v eu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g i nt h i sp a p e r ， u n d e rd i f f e r e n td i a m o n da b r a s i v eg r i n d i n gs u r f a c eq u a l i t yd i f f e r e n c et os t a r t w i t h ，b ya n a l y z i n gt h er e s u l to fd i f f e r e n ts u r f a c ef e a t u r e sa l o n gt h eg r i n d i n g p r o c e s so fl a p p i n g ，f l u c t u a t i o n sa f f e c t i n gt h es i n g l ec r y s t a ld i a m o n df l e x i b l e g r i n d i n gs u r f a c eq u a l i t yf a c t o r s t h ee x p e r i m e n ts t u d i e dt h eg r i n d i n gs p e e d a n dg r i n d i n gp r e s s u r eo nt h es u r f a c eq u a l i t yo fd i a m o n dg r i n d i n g ，t h e o p t i m u mg r i n d i n gs p e e da n dg r i n d i n gp r e s s u r er a n g e ，p r e l i m i n a r ya n a l y s i so f t h eg r i n d i n gs p e e da n dg r i n d i n gp r e s s u r ec h a n g eo nt h ep r o c e s so fd i a m o n d g r i n d i n g m a t e r i a lr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c s a i mi st os e l e c tg o o dl a p p i n g p a r a m e t e r sa n df o rt h es u b s e q u e n tc h a p t e r so ft h ef o u n d a t i o n f l o a t i n gi nt h ee l a s t i cl a p p i n gp r o c e s s ，e l a s t i cb e a ma n dt h el a p p i n gd i s c i i i 广东工业大学硕士学位论文 i sap i e c eo fd i a m o n di n t e r a c td i r e c t l yw i t hc o m p o n e n t s ，e l a s t i cb e a ma n d p l a t eo ft h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fl a p p i n gd i a m o n dl a p p i n gs u r f a c eq u a l i t y h a sad i r e c ti m p a c t i nt h isp a p e r ，ap i e c eo fd i a m o n da b r a s i v ed is ka b r a s i v e i m p a c t o nt h em e c h a n i c a lm o d e l ，o b t a i n e d b ym o d e la n a l y s i so fm i c r o i n v o l v e di ng r i n d i n gt h em o r et h ed i a m o n db l a d es u f f e r e dt h ei m p a c to ft h e s m a l l e rp a r t so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n ，v e r i f i e db ye x p e r i m e n t o nt h e e l a s t i cb e a mi nt h eg r i n d i n gp r o c e s st ob et h eh a r d e s th i td i v i s i o n ，m a i n l yo n t h ei m p a c to fe l a s t i cb e a mu n d e ra x i a la n dl a t e r a ls h o c k so nt h es u r f a c e q u a l i t yo fd i a m o n dg r i n d i n g ，t h r o u g he x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s s h o w st h a tt h ee l a s t i cb e a mu n d e ra x i a ls h o c ki nt h ed i r e c t i o np e r p e n d i c u l a rt o t h eg r i n d i n gd i s cd i s kv i b r a t i o ns t r o n g e rt h a nw h e ns u b j e c t e dt ot r a n s v e r s e i m p a c t a i m e d a t o p t i m i z i n g t h es t r u c t u r eo ff l e x i b l e f l o a t i n gg r i n d i n g ， g r i n d i n gp r o c e s st or e d u c et h ed i s t u r b a n c ef a c t o r f i n a l l y ，t h ep r o c e s s o fd i a m o n da b r a s i v e g r i n d i n g s u r f a c eo ft h e p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tr e g i o n sp r e s e n t e d ，s u r f a c ea r e a ss u c ha s p i t s ，c l e a v a g es u r f a c ea r e a ，s m o o t hs u r f a c ea r e a ，e t c t oa n a l y z et h ep r o c e s so f d i a m o n d g r i n d i n g m a t e r i a lr e m o v a l c h a r a c t e r i s t i c s b ys p e c i a ll a p p i n g c o n d i t i o n s ，i fc o a r s eg r i n d i n gd i s c ，g r i n d i n gd i s ca f t e re v o l u t i o n ，a sw e l la s e l a s t i cb e a mc o l l i d ew i t ht h e g r i n d i n gp l a t e e f f e c to c c u r sc i r c u m s t a n c e s ， c o m b i n i n gt h e d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u r f a c eo fd i a m o n da b r a s i v e ， o b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tg r i n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i a m o n dm a t e r i a lr e m o v a l a n dt h ed i f f e r e n tr e a s o n sf o rt h ef o r m a t i o no f g r o u n d s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s ，a i m e d a t o p t i m i z i n g t h e l a p p i n gc o n d i t i o n s a r er e l a t i v e l y s m o o t ha sp o s s i b l ew h i l er e d u c i n gt h el a p p i n gs u r f a c ed e f e c t s k e yw o r d s ：e l a s t i cf l o a t i n g b e a m ；s u r f a c eq u a l i t y 摘要i a b s t r a c t i | i 目录v c o n t e n t s vi ii 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 机械加工表面质量含义2 1 2 2 超精密研磨技术的发展及研究现状5 1 2 3 单晶金刚石刀具的研磨技术现状10 1 2 4 金刚石材料去除机理研究现状1 1 1 2 5 影响金刚石弹性浮动研磨表面质量因素研究现状12 1 3 本课题来源及主要研究内容13 1 3 1 课题来源13 1 3 2 本课题研究的主要内容13 第二章研磨参数对金刚石研磨质量的影响研究14 2 1 单晶金刚石弹性浮动研磨原理14 2 2 实验总体设计15 2 2 1 实验装置设计l 5 2 2 2 实验仪器设备18 2 2 3 实验考察及特点分析1 8 2 3 研磨速度对金刚石研磨表面质量的影响18 2 3 1 研磨参数及实验步骤18 2 3 2 实验结果分析19 2 4 研磨压力对金刚石研磨表面质量的影响2 2 v 广东工业大学硕士学位论文 2 4 1 实验准备2 2 2 4 2 实验结果2 2 2 5 本章小结2 4 第三章冲击对金刚石研磨表面质量的影响2 5 3 1 研磨表面所受冲击的力学模型2 5 3 2 参与研磨微刃数对研磨表面质量的影响2 8 3 2 1 实验准备2 8 3 2 2 实验结果2 9 3 3 研磨过程中弹性梁所受的冲击对研磨质量的影响3 0 3 3 1 弹性梁所受冲击的类型3 0 3 3 2 弹性梁受轴向和横向冲击的检测31 3 3 3 弹性梁受轴向和横向冲击的力学分析3 3 3 4 实验研究弹性梁受轴向和横向冲击对研磨表面质量的影响3 5 3 4 1 实验方案设计3 5 3 4 2 实验过程及结果3 5 3 4 3 实验结果分析4 0 3 5 本章小结4 1 第四章单晶金刚石弹性浮动研磨材料去除特性研究4 2 4 1 研究背景4 2 4 2 金刚石研磨表面形成机理研究4 3 4 2 1 金刚石研磨表面呈现的三种不同加工状态4 3 4 2 2 对金刚石研磨表面呈现不同加工特征的分析4 4 4 3 研磨盘磨粒对金刚石材料去除特性的影响4 5 4 3 1 粗研磨盘磨粒对金刚石材料去除过程的影响4 6 4 3 2 进化后研磨盘磨粒对金刚石材料去除过程的影响4 8 4 4 研磨表面受磨粒垂直撞击作用时金刚石材料去除特性研究5 0 4 4 1 研究背景5 0 4 4 2 垂直撞击作用条件下金刚石材料的去除特性讨论5 0 4 5 本章小结5 2 结论与展望5 4 v i 目录 参考文献5 6 攻读硕士期间发表论文。6 0 独创性声明6 1 致谢6 2 v h 广东工业大学硕士学位论丈 c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t i li c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) 、 c o n t e n t s vl li c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 s i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c t 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 2 1 2 1t h em e a n i n go ft h es u r f a c em a c h i l l i n gq u a l i t y 2 i 2 2t h es t a t u so fu l t r a p r e c i s i o nl a p p i n gt e c h n o l o g y 5 1 2 3s i n g l ec r y s t a ld i a m o n dt o o l sf o rg r i n d i n gt e c h n 0 1 0 9 y s t a t u s 1 ( ) 1 2 4r e s e a r c hs t a t u so fm a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mi nd i a m o n d 1 1 1 2 4r e s e a r c ho nt h ea f f e c t i n gf a c t o r so fd i a m o n ds u r f a c eq u a l i t y12 1 3s u b j e c ts o u r c ea n dc o n t e n t so fs u b j c o t 13 1 3 1s o u r c eo fs u b j e c t 13 1 3 2r e s e a r c hw o r ko ft h es h b j e c t 13 c h a p t e r2 d i a m o n da b r a s i v el a p p i n gp a r a m e t e r so nt h e q u a l i t yo fr e s e a r c h l 4 2 1t h ep r i n c i p l eo fd i a m o n de l a s t i cf l o a tl a p p i n g 14 2 2 2 3 c o n t e n t s 2 3 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 19 2 4p r e s s u r eo nt h es u r f a c eq u a l i t yo fd i a m o n d1 a p p i n g 2 2 2 4 1e x p e r i m e n t a lp r e p a r a t i o n 2 2 2 4 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 2 2 2 5s u m m a r y 一2 4 c h a p t e r3 t h ee f f a c to fl a p p i n gs u r f a c eq u a l i t yf r o m i m p a c t 2 5 3 1t h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h ei m p a c ts u f f e r e db yl a p p i n gs u r f a c e 25 3 2t h ea f f e c to fl a p p i n gs u r f a c eq u a l i t yf r o mn u m b e ro fm i c r o - e d g e 2 8 3 2 1e x p e r i m e n t a lp r e p a r a t i o n 2 8 3 2 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 2 9 3 3l a p p i n gp r o c e s so fe l a s t i cb e a mb l o wt ot h el a p p i n gq u a l i t y 3 0 3 3 1s u f f e r e df r o mt h ei m p a c to ft h et y p eo fe l a s t i cb e a m 3 0 3 3 2e l a s t i cb e a mu n d e ra x i a la n dl a t e r a li m p a c tt e s t 31 3 3 3e e c h a n i c a la n a l y s i sf o rb e a mu n d e ra x i a la n dl a t e r a li m p a c t3 3 3 4t h ea f f e c to fl a p p i n gs u r f a c eq u a l i t yf r o ma x i a la n dl a t e r a li m p a c t3 5 3 4 1e x p e r i m e n t a ld e s i g n 3 5 3 4 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r ea n dr e s u l t s 3 5 3 4 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n a l y s i s 4 0 3 5s u m m a r y 41 c h a p t e r 4s i n g l ec r y s t a ld i a m o n df l e x i b l e l a p p i n g m a t e r i a lr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o a t i n g 4 2 4 1b a c k g r o u n d ：4 2 4 2t h em e c h a n i s mo fd i a m o n dg r i n d i n gs u r f a c e 4 3 4 2 1t h et h r e ec h a r a c t e r is t i c sd i s p l a yi n1 a p p i n gs u r f a c e 4 3 4 2 2a n a l y s i sf o rt h et h r e ec h a r a c t e r is t i c s 4 4 4 3d i a m o n da b r a s i v el a p p i n gpla tem a t e r i a lr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c s4 5 4 3 1t h ee f f a c to fr e m o v a lc h a r a c t e r is t i c sf r o mr u g hp 1 a t e 4 6 4 3 2t h ee f f a c t0 fr e m o v a lc h a r a c t e r is t i c sa f t e rt h ep 1 a t e i x 广东工业大学硕士学位论文 e v 0 1 u ti0 4 8 4 4r e s e a r c ho nm a t e r i a lr e m o v a lc h a r a c t e r is t i c sw h e ns u r f a c e a f f e c t e db yv e r tic a lim p a c t 5 0 4 4 1b a c k g r o u n d 5 0 4 4 2t h em a t e r i a lr e m o v a lc h a r a c t e r is tic sw h e ns u r f a c e a f f e c te db yv e r tic a li m p a c t 5 0 4 5s u m m a r y 5 2 c o n c l u s i o n s 5 4 r e f e r e n c e s 5 6 p u b l i c a t i o n sd u r i n gs t u d y j o 0 0 0o oo o oo0 000 o oo o00 ooe0 0 0oo o0 6 0 d e c l a r e 。6 1 a c k n o w l e d g e m e n t 6 2 x 1 1 研究背景及意义 纯净的金刚石，化学成分是碳，金刚石和石墨同属于碳的同素异构体。 金刚石晶体中，每个碳原子与相邻的4 个碳原子按照等价的s p 3 杂化轨道 形成4 个共价键，这种典型的共价键晶体具有共价键的结构特性一一方向 性和饱和性。因此金刚石的硬度极高，且不导电，同时还具有优良的抗磨 性、抗腐蚀性导热系数和化学稳定性等。 金刚石独特的物理化学性能，使金刚石作为一种工程结构材料和功能 材料，在装饰、电子、光学、机械等许多领域有着广泛的应用前景。如利 用金刚石的高强度、高弹性模量及良好的透射能力，可用于高温高压下的 透射元件，如用于飞行器的窗口材料等妇，。随着金刚石材料应用领域的不 断扩大，对金刚石加工的要求也越来越严格，高的表面精度、形状精度、 及无损伤表面等都是目前高精度金刚石所要求的。 金刚石在机械领域的应用最能体现其优良的物理性能。单晶金刚石的 优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，是理想的 精密切削刀具材料。金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论 上可以达到原子级的平直度与锋利度，切削时切薄能力强、精度高、切削 力小；其高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可保证刀具具 有超长寿命，从而能进行长时间的持续切削，并可减小因刀具磨损对零件 精度的影响；其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形。单晶金刚石 刀具在机械加工领域具有重要地位，广泛应用于诸如反射镜、导弹和火箭 的导航陀螺、计算机硬盘基片、加速器电子枪等超精密镜面零件的加工。 单晶金刚石还可用于制造眼科、脑外科手术刀、超薄生物切片刀等医用刀 具，。此外，单晶金刚石刀具在民用产品加工中的应用也日趋广泛，从手 表零件、铝活塞、首饰等的加工到制笔、高光标牌及有色金属镜面装饰零 件的加工，其应用已进入机械加工的多种领域。 由于金刚石加工技术涉及航空、航天等国防领域，世界各国对先进的 广东工业大学硕士学位论文 金刚石加工技术都严格地保密，在国内外的相关刊物上很少有金刚石加工 技术的实质性报道。目前国内使用的圆弧刃金刚石刀具多数是进口的，价 格相对较贵。国内还没有高精度的圆弧刃金刚石刀具研磨设备，对金刚石 研磨工艺的研究还有待提高，所以国内开展金刚石加工技术的研究已经迫 在眉睫。 本课题作为国家自然科学基金项目“弹性浮动研磨新技术及其金刚石 研磨应用研究”( 项目编号：5 0 6 7 5 0 3 7 ) 的一部分，着重探讨弹性浮动研磨 加工工艺参数和研磨过程所受冲击等因素对金刚石研磨质量的影响，分析 金刚石在不同研磨条件下的材料去除方式，结合对金刚石研磨表面的缺陷 分析探索最佳的弹性浮动研磨参数和条件，以期减少金刚石研磨表面缺陷， 获得高质量的研磨表面。对研究金刚石弹性浮动研磨和其他加工技术都有 重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 机械加工表面质量含义 表面质量是指机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料 性质发生变化的情况。经机械加工后的零件表面并非理想的光滑表面，它 存在着不同程度的粗糙波纹、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一 层( 0 0 5 0 15 m m ) ，但对机器零件的使用性能有着极大的影响；零件的 磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的，特别是现代化工业生产使 机器正朝着精密化、高速化、多功能方向发展，工作在高温、高压、高速、 高应力条件下的机械零件，表面层的任何缺陷都会加速零件的失效。因此， 必须重视机械加工表面质量。 一、机械加工表面质量的含义 零件的加工质量不仅指加工精度，还包括加工表面质量，它是零件加 工后表面层状态完整性的表征。机械加工后的表面，总存在一定的微观几 何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。因此，机械加工表面 质量包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能两个方面的内容。 2 第一章绪论 ( 一) 加工表面的几何特征 加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成，如 图卜1 所示。表面粗糙度是波距l 小于l m m 的表面微小波纹；表面波度是 指波距l 在1 2 0 m m 之间的表面波纹。通常情况下，当l h ( 波距波高) 10 0 0 ) 与表面粗 糙度( l3 h3 5 0 ) 之间。 图卜1 表面粗糙度和波度 f i g l - 1d e g r e eo fs u r f a c er o u g h n e s sa n dw a v e ( 二) 加工表面层的物理力学性能 表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的 金相组织变化。机械零件在加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层 金属的物理力学性能相对于基本金属的物理力学性能发生了变化。图卜2 所示为零件表面层沿深度方向的变化。最外层生成有氧化膜或其他化合物， 并吸收、渗进气体粒子，称为吸附层。吸附层下是压缩层，它是由于切削 力的作用造成的塑性变形区，其上部是由于刀具的挤压摩擦而产生的纤维 层。切削热的作用也会使工件表面层材料产生相变及晶粒大小变化。 广东工业大学硕士学位论文 ! 1 4 莲 昏 显微硬度 残余应力 4 第一章绪论 表面完整性的概念，主要有： ( 一) 表面形貌主要描述加工后零件的几何特征，它包括表面粗糙度、 表面波度和纹理等。 ( 二) 表面缺陷 它是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使 用有很大影响。 ( 三) 微观组织和表面层的冶金化学性能 主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。 ( 四) 表面层物理力学性能 主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。 ( 五) 表面层的其他工程技术特征 主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等 从以上分析可以得知，金刚石刀具表面质量对超精密加工精度有重要 影响。如表面质量中的宏观裂纹，如果金刚石刀具表面存在裂纹，轻则影 响刀具的加工精度，重则刀具发生自身材料脱落，刀具报废。 本论文研究的金刚石研磨表面质量侧重的是的表面的完整性、表面缺 陷等，对表面粗糙度、表面组织材料性能等研究较少。 1 2 2 超精密研磨技术的发展及研究现状 超精密加工技术已成为国家科学技术发展水平的重要标志。随着各种 新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及用这些材料制作关键元件的各类 装置的高性能化，要求功能陶瓷元件的加工精度达到纳米级甚至更高，这 些都促进了超精密加工技术的进步。近年来，纳米技术的出现促使超精密 加工向其极限加工精度一原子级加工进行挑战1 ，。 在超精密加工中，超精密切削、超精密磨削的实现在很大程度上依赖 于加工设备、加工工具以及其他相关技术的支持，并受其加工原理及环境 因素的影响和限制，要实现更高精度的加工十分困难。而超精密研磨由于 具有独特的加工原理和对加工设备、环境因素要求不高等特点，故它可实 现纳米级甚至原子级的加工，已成为超精密加工技术中的一个重要部分。 微量切削目前，半导体基片、铁氧体、蓝宝石、压电水晶和光学晶体 5 广东工业大学硕士学位论文 等超精密表面加工均采用切除层极小的超精密研磨加工方法。 按进化原理成形当研具与工件接触时，在非强制性研磨压力作用下， 能自动选择局部凸处进行加工，故仅切除两者凸出处的材料。使研具与工 件相互修整，并逐步提高精度。 多刃多向切削在研磨加工中，由于每颗磨粒的现状不完全一致，以及 分布的随机性，磨粒在工件上作滑动和波动时，可以实现多方向切削，并 且全体磨粒的切削机会和切刃破碎率均等。可实现自动修锐。 研磨过程中，磨粒作用在有凹凸和裂纹的表面上，随着研磨加工的进 行，一部分磨粒由于研磨压力的作用，被压入研磨盘中，用露出的尖端刻 划工件表面，进行微切削加工；另一部分磨粒在工件与研磨盘之间发生滚 动，产生滚压效果，使工件表面产生微裂纹，裂纹扩展后使工件表面产生 脆性崩碎，形成切屑，达到表面去除的目的。由于硬脆材料的抗拉强度比 抗压强度小，对磨粒加压时就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最大部位产 生微裂纹，当从横交错的裂纹扩展并互相交叉时，受裂纹包围的部分就会 破裂并崩碎出小碎块，这就是硬脆材料研磨时切屑产生和表面形成的基本 过程。 以下是几种几种超精密研磨技术 弹性发射加工弹性发射加工( e la s t ice m is is n om a c h in e ，e e m ) 是一 种可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度的超精密研磨方法。日本 的t s u v w a t 等研究了在工件表面以原子级去除材料的可行性，建立了弹性 发射加工理论，e em 技术采用浸液工作方式，使粉末粒子作用在工件表面， 并与工件表面的第一层原子发生牢固结合。而第一层与第二层的原子结合 能低，当粉末粒子移去时，第一层原子和第二层原子相分离，实现原子单 位的极微小量的弹性破坏，达到材料的表面纳米去除加工。e e m 技术已广泛 应用于半导体材料的纳米级加工，加工后工件表面层无塑性变形，不产生 晶格转位等缺陷圳。 磁流体研磨磁流体研磨是利用磁性流体所具有的液