（机械电子工程专业论文）金刚石室温疲劳强度及其在刀具研磨中的应用.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要 一直以来人们普遍认为金刚石在常温下不存在疲劳破坏，最近发现的一些 破坏现象却只有用疲劳理论才能得以解释，本文的主要目的就是研究金刚石室温 疲劳强度及其在刀具研磨中的应用。 文中回顾了用软压头技术测试材料硬度值的方法，设计制造了一台金刚石 疲劳试验机器，并用此试验机对天然和人造金刚石做了室温疲劳实验，绘出了疲 劳曲线，发现天然金刚石的疲劳强度大于人工合成金剐石，而对于不同氮含量的 天然金刚石，氮含量越高疲劳强度值越低。另外还进行了金刚石刀具研磨实验， 从中可以看出疲劳强度越高的金刚石其刀具质量越好。最后根据实验结果和理论 分析对金刚石刀具研磨提出了合理的建议。 关键词：金刚石疲劳强度刀具应用 1 1 l 中国科学技术大学硕十学位论文 摘要 a b s t r a c t p e o p l eu s u a l y t h i n kt h e r ei sn o f a t i g u e c r a c ko fd i a m o n da t r o o m t e m p e r a t u r e ，i nr e c e n ty e a r ss o m ec r a c kp h e n o m e n o np r o d u c e di nd i a m o n d c a no n l yb e e x p l a i n e dw i t hf a t i g u et h e o r y t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st o s t u d yf a t i g u es t r e n g t ho fd i a m o n da tr o o mt e m p e r a t u r ea n di t 。sa p p l i c a t i o ni n g r i n d i n gd i a m o n dc u t t i n gt o o l s i nt h i st h e s i si n d e n t a t i o nh a r d n e s st e s t s u s i n g t h es o f t i m p r e s s o r t e c h n i q u ea r ei n t r o d u c e d am a c h i n e i sd e s i g n e dw i t hw h i c ht h ef a t i g u ec r a c k e x p e r i m e n to fd i a m o n da tr o o mt e m p e r a t u r ec a nb ed o n e f a t i g u ec u r v e so f d i a m o n d sa r eg o tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，i n d i c a t i n gt h a tt h ef a t i g u es t r e n g t h g o e s d o w na st h en i t r o g e nc o n t e n ti n c r e a s e si nd i a m o n d ，c o n c l u s i o ni sd r a w n a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t o fg r i n d i n gd i a m o n d c u t t i n gt o o l st h a tt h eh i g h e r t h e f a t i g u es t r e n g t h ，t h eb e t t e r t h e c u t t i n gt o o l sq u a l i t y b a s e do n t h e s er e s u l t s ， s u g g e s t i o n sf o rg d n d i n gd i a m o n dc u t t i n g t o o l sh a v eb e e np u tf o r w a r df o r a c h i e v i n gb e s t t o o lq u a l i t y k e yw o r d s ：d i a m o n d ；f a t i g u es t r e n g t h ，c u t t i n gt o o i s ，a p p l i c a t i o n i v 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 金刚石的结构 第一章绪论 1 金刚石简介 金刚石是碳的同素异构体，其晶体由成正四面体排列的碳原子构成，碳原 子间以共价键结合，键长为0 1 5 n m ，键与键之间的夹角为1 0 9 。2 8 。其空间晶格 为面心立方点阵( f f c ) ，晶格常数为a = 3 5 5 6 a ，空间群为f d 3 m ，其结构可参见 图1 1 图1 1 金刚石的结构 金刚石晶体有三个典型晶面( 1 1 1 ) 、( 1 1 0 ) 、( 1 0 0 ) ，见图1 2 。天然金刚石 大多是( 1 1 1 ) 面和( 1 1 0 ) 面，而人工合成的金刚石主要以( 1 1 1 ) 面和( 1 0 0 ) 面为主。 臼令 ( 10 0 )( 1 1 1 ) ( 1 1 0 ) 图1 2 金刚石晶体典型晶面示意图 ! 堡堕壁塑堕塑主堂垡堡皇 箜二主堡堡 1 2 金刚石的分类 根据金刚石中硼氮杂质含量以及杂质氮的存在形式不同，通常把金刚石分 成四类i a 、砧、i i a 、i i b ，表1 1 给出了不同类型金刚石的性质区别。 i a 型金刚石：氮含量高( 千分之几的数量级) ，以聚集状态存在，通常在可 见光区无吸收带，无色透明。大部分天然金刚石属于i a 型，其百分比可达到9 8 。 i b 型余刚石：氮含量较高，其存在形式是单一替代原子，在可见光区有蓝 光吸收带，呈黄色。自然界中这类金刚石很少，人工合成的金阳0 石主要属于此类。 i i a 型金刚石：无氮，或者含氮量极少，无色透明。自然界中这类金刚石极 少，现在用人工方法已制得这种低氮含量、高导热的金刚石。 i i b 型金刚石：其氮含量远低于i a 型金刚石，但存在未被氮完全补偿的硼， 呈蓝色，具有p 型半导体特性。自然界中这类金刚石也很少，可用掺杂的方法人 工制得该类半导体金刚石 表1 1 金刚石的分类 分i 型金剐石i i 型金刚石 类 i ai bi i a1 1 b 自然界中的含量 9 8 0 1 l 一2 o 合成金刚石微粉单晶单晶 杂氮( p p m ) 2 ) 天然金刚石2 ( 含氮量11 2 0 p p m ) 的4 96 p 。 天然金刚石3 ( 含氮量3 3 5 0 p p m ) 的4 5g p 。 1 0 仍 q i o u 8 暇 匿 6 霜 昏 4 加载次数 图4 5 不同氮含量的金剐石疲劳曲线 2 3 不同晶面上的金刚石疲劳实验 2 3 1 实验条件 压头材料为c b n 、s ig n 。t i b 。不锈钢和淬火钢，加载力大小分别为3 9 2 n 和2 8 5n ，压头顶角为1 2 0 度的圆锥形，加载试样选用i b 型人造金刚石，尺寸 为2 5 x 2 5 x1 5 m m 。实验用自制的金剐石室温疲劳试验机于常温下在经机械抛 光的( 1 0 0 ) 和( 1 1 1 ) 晶面上进行 2 3 2 实验结果及分析 表4 6 列出了几种压头材料在i b 型人造金刚石的( 1 0 0 ) 和( 1 1 1 ) 晶面上 加载时产生疲劳裂纹时的压应力和加载次数。 2g 中国科学技术大学硕士学位论文 第四章金刚石宝温疲劳实验 表4 6 i b 型人造金刚石在不同晶面上的疲劳实验数据 压头材料( i 0 0 ) 面( 1 1 1 ) 面 压应力( g p a )加载次数压应力( g p a )加载次数 c b n1 6 41t 6 41 s i ，n ； 7 21 1 0 0 0 7 28 5 0 0 t i b 。 6 61 5 0 0 06 61 1 3 0 0 不锈钢 4 01 5 0 0 0 04 01 1 8 0 0 0 不锈钢 一3 42 0 0 0 0 03 41 8 6 0 0 0 淬火钢 3 33 9 0 0 0 03 32 5 0 0 0 0 8 爱6 三耋 心 誊4 2 伸。o 加载次数 图4 6i b 型人造金冈石不同晶面上的疲劳曲线 图4 6 是o r i g i n 软件画出的i b 型人造金刚石的( i 0 0 ) 和( 1 1 1 ) 晶面在 常温下的疲劳曲线，从图中可以看出，在相同加载条件下，对应于同一加载压应 力时，( i 0 0 ) 晶面上的疲劳寿命比( 1 1 1 ) 晶面上的要大。比如在用淬火钢压头 时，产生的压应力都为3 3g p a ，在( 1 0 0 ) 晶面上实验，需经过4 9 0 0 0 0 次加载 才能让金刚石产生裂纹，而在( 11 1 ) 晶面上实验，则只需2 5 0 0 0 0 次加载就能产 生疲劳裂纹。这也说明对于i b 型人造金刚石来说，( 1 0 0 ) 晶面的疲劳强度比( 1 1 1 ) 中国科学技术大学硕士学位论文第四章金刚石室温疲劳实验 晶面要大，目口( 1 0 0 ) 晶面在抵抗疲劳破坏的能力上要比( 1 1 1 ) 晶面强。对于其 它类型的金刚石如天然金刚石等是否也存在类似的情况，由于时间有限，没有做 进一步的实验研究，所以不能概的认为所有的金刚石都是( 1 0 0 ) 晶面在抵抗 疲劳破坏的能力上要比( 儿1 ) 晶面强。 2 4 疲劳极限值计算 因为实验加载次数不可能无限的增大，所以最后我们可以利用s n 曲线的 幂函数形式，即 k s = a + b i g n 来讨算下几种不同氮含量的金刚石在寿命n = 1 0 7 时的疲劳极限a9 - 另j i rs 和l ， 曼和2 代入式( 4 - - 2 ) 后得 i g s = a + b l g 1 ( 4 - - 6 ) 两式相减可得 l g 是= 一+ b i g 2 ( 4 - 7 ) l g s , 一l g 马= b ( 1 9 】一l g 2 ) ( 4 - - 8 ) b=糕lg l g = 畿 。， n 一n 2 & h t ? 一：! g 兰! ! 丝二堡墨! g 丝( 4 - - 1 0 ) 31 中国科学技术大学硕士学位论文 第四章金刚右室温疲劳实验 表4 7 人造单晶金刚石s n 对应值 序号 abcd ef s ( g p a ) 7 16 14 6 3 83 53 3 n ( 1 0 3 ) 1 12 l5 01 1 01 5 0 2 2 0 将序号abc def 依次取为1 和2 ，然后将上述表4 7 中的s 和n 值代 入式( 4 9 ) 和( 4 - - 1 0 ) 便可求得每一数据所对应的a 、b 值，再进行加权平均， 最终获得a 、b 的平均值，结果参见表4 8 表4 8 人造单晶金刚石疲劳曲线幂函数形式中a 、b 平均值 序号 123 45 平均值 a1 8 0 22 1 8 01 8 0 51 8 5 21 3 5 61 8 0 0 b一0 2 3 5- 0 3 2 30 2 4 30 2 6 70 2 5 8- 0 2 6 5 将a 、1 3 的平均值代入式( 4 2 ) ，并取寿命= 1 0 7 ，就可以计算出疲劳极 限s ，来 l g s j = 1 。8 0 一0 2 6 5 1 9 1 0 7 得到只2 0 8 8g p a 利用相同的计算方法，可求出天然金刚石l ( 含氮量1 2 0 p p m ) 、天然金刚石 2 ( 含氮量1 1 2 0 p p m ) 和天然金刚石3 ( 含氮量3 3 5 0 p p m ) 疲劳曲线中的a 、b 值 及其疲劳极限st 最终计算得出的结果列于表4 9 中。 根据表4 9 中的疲劳极限值，绘出了图4 7 的不同氮含量的金刚石的疲劳 极限值示意图。可以看出，在设定疲劳寿命为1 0 7 时，人造单晶的疲劳极限值 s ，= o 8 8 g p a 小于其它三种不同氮含量天然金刚石的疲劳极限值，分别为2 13 3 g p a 、1 5 6 1g p a 和1 2 7 3g p a ，而在天然金刚石中，含氮量越小，则疲劳极限值 s j 反而越大。 32 中国科学技术大学硕士学位论文第四章金刚石室温疲劳实验 表4 9 不同氮含量的天然金刚石疲劳极限计算值 金刚石类型 12345 平均值 s r 天然l a1 6 4 12 1 2 51 8 01 2 41 7 0 12 1 3 3 bo 1 7 7- 0 2 7 7o 2 1 3o 1 1 60 1 9 6 天然2 a 1 5 8 1 7 7 8 2 1 51 4 1 91 5 6 l1 7 1 81 5 6 l b0 2 3 5o 2 1 6 - 0 2 8 70 1 5 40 1 9 7一o 2 1 8 天然3 a1 8 71 9 3 91 8 41 3 8 81 5 7 51 7 2 21 2 7 3 b一0 2 4 4- 0 2 1 2- 0 2 5 9一o 1 5 4 一o 1 8 7 0 2 3 t 图4 7 不同氮含量的金刚石的疲劳极限 3 实验总结 由赫兹理论可以知道，疲劳破坏时的最大拉应力发生在接触面的外圆周上， 这也同样适用于软压头。在各向同性的材料中，比如多晶体或者非晶体中，疲劳 破坏最先发生在试样的接触表面，然后逐渐向整个试样扩展并形成一个锥形的破 坏凹坑，其与表面的夹角为6 0 度。在硬而易脆的晶体材料中有一个显著的断裂 面也是我们所说的解理面，疲劳破坏就是沿着这个解理面进行的，比如金刚石的 ( 1 1 1 ) 面。假定疲劳破坏是由解理面上的最大拉应力t 所致，则我们可以根据 下述公式来计算疲劳破坏的平均压应力艺 33 中国科学技术大学硕士学位论文 第四章金刚石室温疲劳实验 盯= 0 5 ( 1 2 v ) e s i n 2 臼( 4 - - 1 1 ) 式中v 是泊松比，口是( 0 0 1 ) 面和( 1 1 1 ) 面的夹角为5 4 。4 4 对于金刚石来说，解理面上的最大拉应力o - ，为3 ，6 6 g p o ，p 等于0 1 ( f i e l d ，1 9 9 2 ) ，这样我们就可以计算出疲劳破坏的平均压应力艺为1 3 ，7 g 只， 这可以与我们实验中的单次加载的】6 4 g 只相比较。同样这一结果也可以与 c o o p e r ( 1 9 6 1 ) 类似实验的结果相比较，只不过他当时是先测量出用一个半球形的 金刚石头产生疲劳破坏时的平均压应力只，然后用公式( 4 1 1 ) 计算出最大拉 应力o - ，且接触面积是通过测量压痕的半径而非压头的半径而获得。他实验历 计算出的正为1 4 6 e 比上述的3 6 6 g 只要小，不过需要指出的是他所取的泊松 比v 是0 3 而非0 1 ，另外从他的数据中我们可以计算出他实验中单次加载产生 疲劳破坏的平均压应力为7 g 只。 从图4 4 和4 5 中可以看出，在多次循环加载的实验条件下，随着加载次 数的不断增加，致使疲劳破坏的平均压应力就逐渐减小，由单次加载时的 1 8 5 c g 降至3 3 g 只，这些充分的说明在金刚石中存在一个累积的疲劳损伤过 程，但是具体是因为什么原因而产生的目前还不是很清楚。 由实验中所得的不同氮含量的金刚石其疲劳强度不同，我们大致可以推测， 金刚石的疲劳破坏与应力腐蚀有关。一般情况下应力腐蚀产生疲劳需要三个基本 条件：第一，材料容易受腐蚀和剥蚀的影响。碳元素在常温常压下是属于亚稳定 结构，因此这对金刚石来说是适用的；第二，存在集中应力。而集中应力可以是 接触应力也可以是残余应力，对于大多数金刚石来讲因为其存在生长缺陷或者是 内部存在着夹杂物，因此会有内部残余应力；第三，材料很容易与环境和大气接 触，这一点对金刚石是不言而喻的了。另外从实验中金刚石经过放置定时候后 裂纹迅速扩展( 见图4 8 ) 也可以说明这点。 34 中国科学技术大学硕士学位论文 第四章金刚石室温疲劳实验 ( a )( b ) 图4 8( a ) i b 金刚石经c b n 压头单次加载后的裂纹 ( b ) 金刚石放置6 0 天后裂纹迅速扩展 通过实验和分析，我们可以得出如下结论： 金刚石在常温常压下存在疲劳破坏现象。 天然金刚石的疲劳强度比人造金刚石的大，而对于天然金刚石，氮含量 越高，其疲劳强度越低。 对于i b 型人造单晶金刚石，其( 1 0 0 ) 面抵抗疲劳破坏的能力比( 1 1 1 ) 面抵抗疲劳破坏的能力强。 4 本章小结 本章主要介绍了有关疲劳的一些基本知识：疲劳的定义及特点、应力疲劳 与基本s n 曲线、疲劳曲线的特性和疲劳曲线的数学表达式。首先用所设计制 作的疲劳试验机对i b 型人造金刚石进行了疲劳实验，证明金刚石在常温常压下 确实存在疲劳现象，接着对不同氮含量的人造单晶金刚石和天然金刚石进行了疲 劳实验，画出了疲劳曲线图，通过对比发现人造单晶金刚石的疲劳强度小于天然 金刚石，而对于天然金刚石来说氮含量越低其疲劳强度反而越高。然后用i b 型 人造金刚石在其( 1 0 0 ) 面和( 1 1 】) 面进行了疲劳对比实验，发现( 1 0 0 ) 面比 ( 1i 】) 面抵抗疲劳破坏的能力强。最后对金刚石疲劳破坏的机理进行了简要的 分析和推测，认为应力腐蚀是金刚石疲劳破坏的关键所在。 瓤毒 中国科学技术大学硕士学位论文第五章 金刚石疲劳强度与刀具质量关系 第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 随着光学、航天、航空、汽车、国防、计算机等领域的飞速发展，对材料 提出了轻量化、高比强度的要求。各种有色金属、合金以及非金属复合材料在各 行各业中都得到了日益广泛的应用，而对这些材料的加工也越来越需要精密超精 密加工技术1 。在超精密加工中，影响加工表面质量的主要因素除了高精度的 机床，超稳定的加工环境外，高质量的刀具也是其中很重要的一个方面。金刚石 以其硬度高、耐磨性好、强度高、导热性好、与有色金属摩擦系数低、可以刃磨 出极其锋利的刀刃等优良特性，被认为是最理想的超精密切削用刀具材料，因而 金刚石刀具在各种超精切削加工中得到了大量的应用。而判断一把刀具的好坏， 关键是看其刀刃质量的优劣，本章着重要研究的就是金刚石疲劳强度与刀具质量 的关系。 1 刀刃楔角对金刚石刀具研磨质量的影响 刀具的两个平面形成一个楔角，即刀刃楔角，楔角的锋边称为刃，刃是刀 具的关键部位。已有的一些资料表明，刀刃楔角与金刚石刀具研蘑质量密切相关， 主要表现在以下两个方面： 1 1 刀刃崩口与刀刃楔角的关系 在研磨粉的粒度较小时，随着楔角b 减小，刀刃崩口将急剧增大，见图5 1 ， 而刀具表面粗糙度却与楔角关系不大，见图5 2 中的w 0 1 颗粒曲线。 在研磨粉的粒度较小的情况下，其对刀其刃口的冲击力不足以使刃口产生 疲劳破坏，出现疲劳崩口，这时刃口材料一点点沿( 1 1 1 ) 面被微量去除，去除 量仅与金刚石的物理与机械性质有关，而与楔角无关，这时刀具刃口粗糙度仅与 表而粗糙度有关系。 随着研磨粉粒度增大，使得研磨粉粒对刀具刃口的冲击力超过金刚石刀具 的冲击韧性，则将使刃口产生疲劳破坏，出现疲劳崩口，并且随着楔角的进一步 中国科学技术大学硕士学位论文 第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 f 降，使得刃口粗糙度上升，见图5 】中的5 颗粒曲线。 o母辩1 茁 图5 1 刀刃崩口与楔角的关系 度) 图5 2 刀刃粗糙度与楔角的关系 金刚石刀具楔角有一个临界值，当楔角大于这个临界僮时，刀刃崩口及 刀刃粗糙度都几乎为零，而旦声小于这个临界值时，刀刃崩口及刀刃粗糙度突 然产生并将随着楔角的减小而急剧上升。 1 2 刀刃圆弧半径r 。与刀刃楔角的关系 刀刃圆弧半径与楔角卢的关系大致可分为三种类型 37 5 ? i ) 中国科学技术大学硕士学位论文第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 第一种类型：在研磨粉的粒度较小时，随着楔角p 由大变小，刀刃圆弧半 径将随着而减小，见图5 3 中w 0 5 颗粒曲线，因为当研磨粉粒度较小时，刀具 在刃磨时没有引起切削刃崩刃，随着楔角的减小，刀刃圆弧半径也减小。 第二静类型：随着会刚石研磨粉的粒度增大为w 1 时，刀刃圆弧半径首先随 着楔角的减小而减小，然后转而随着楔角的下降而上升，见图5 3 中的w 1 颗粒 曲线。这是因为当刀具楔角较大时，刀具强度能够承受研磨粉粒对刀刃的冲击， 刀刃没有出现崩口，这时，刃i = i 圆弧半径随着楔角的下降而减小，一旦楔角下降 到刀具强度不足以承受研磨粉粒的冲击而出现崩口，则将引起刃口圆弧半径急剧 上升。 0 5 o 4 o 3 o 2 0 。l 图5 3 刀刃圆弧半径与刀刃楔角的关系1 第三种类型：随着研磨粉粒度进一步增加至0 如w 1 0 时，切削刃的强度承受 不了粗研磨粉的冲击，以致于刀刃出现崩口，7 3 7 3 粗糙度和表面粗糙度上升，切 削刃圆弧半径随着楔角的减小而急剧上升，见图5 4 。 刀刃楔角亦有一个临界值，当楔角大于这个临界值时，刀刃圆弧半径随着 楔角的下降而减小，但楔角一旦减小到小于这个临界值时，则由于崩日的产生刀 刃圆弧半径将随着楔角的下降而急剧上升，见图5 4 中的w 1 0 颗粒曲线，这是因 为楔角小于临界值后，切削刃强度不足以承受冲击而出现崩口，刃口粗糙度增大， ! 型堂垫查盔堂堡主堂焦堡塞 兰至主垒! ! 至壅董堡鏖皇卫墨堕量羞墨 以致于刃口圆弧半径急居上升，这个临界值与研研磨方向以及金刚石质量有关。 【1 朝【l 们 l o 8 6 哇 2 o舶 图5 4 刀刃圆弧半径与刀刃楔角的关系2 由以上分析可见：刀具的楔角直接决定了刀具的强度，刀具在研磨抛光时， 刀刃上的材料剥落，当刀具的楔角足够大时，刀体有足够的强度抵抗外力的破坏， 刃磨时刃口处材料呈微量去除，不会出现大崩口。而当刀具的楔角小于其临界值 时，刀具所受的外部冲击力会超过金刚石刀具基体强度，势必造成刀具崩刃，刀 刃崩口密布，刃口粗糙度急剧上升。 2 金刚石疲劳强度与刀刃楔角临界值关系的实验 从第一节的讨论中可咀知道刀刃楔角口对金刚石刀具的崩口以及刀刃圆弧 半径_ 都有很大的影响，也就是刀刃楔角卢与金刚石刀具的质量息息相关。金刚 石刀具刀刃楔角存在一个临界值风i n ，当刀刃楔角大于其临界楔角风。时，刀具 质量就比较好，刃磨比较容易，一旦楔角小于临界值风。，则刀具质量急剧下降， 刃磨起来相当困难。那么若我们能够尽量降低其楔角的临界值风一则将对提高 39 生国科学技术大学硕士学位论文第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 金刚石刀具的研磨质量带来很大的帮助。本节实验主要研究的就是金刚石疲劳强 度与刀刃楔角临界值风。的关系，从而找出影响金刚石刀具刀刃楔角临界值的关 键因素。 2 1 刀刃质量的检测方法 本实验的目的是检测特定金刚石材料形成锋利刀刃的能力，如下圈5 5 所 示，i 。为金刚石刀刃，其粗糙度是金刚石刀具的关键参数。研磨金刚石刀具时刀 刃l 的粗糙度除与加工工艺有关外，还与材料性能以及刀刃楔角口有直接关系， 质量好的金刚石和更大的刀刃楔角能够得到更小的刀刃粗糙度。检测刀刃粗糙度 图5 5 金刚石刀具刀刃示意圈 的方法可以采用仪器，但测量时仪器上的金刚石探针沿被测金刚石刀刃的划擦过 程可以很快地损坏较为昂贵的金刚石探针。实际生产过程中刀刃的检测方法较为 简单：是在4 0 0 倍显微镜下观察金刚石刀刃，一般要求有完美无缺的刀刃( 刀刃 无崩口，表面粗糙度r ，= o 0 3 u ) 才算合格。 图5 6 和图5 7 分别为用此目测方法检测出的一把有缺陷的金刚石刀刃和 把完美无缺的金刚石刀刃，从图可以看出完美无缺刀刃的刃面没有崩口，而有 缺陷的刀刃其刃面比较粗糙，还带有细小的崩口。本实验采用的方法与刀具实际 制造过程中刀刃的检测方法相一致。 40 中国科学技术大学硕士学位论文 第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 图5 6 有缺陷的刀刃图5 7 完美无缺刀刃 2 2 实验过程 2 2 1 金刚石空气轴承研磨机 从前面的金刚石刀刃研磨质量的影响因素中可以看出，刃磨机的振动状况 对金刚石刀具特别是小楔角刀具的刃磨质量有直接的影响。努力减少刃磨机的振 动状况对研磨小楔角刀具具有非常重要的意义。因此在实验中，为了研磨小楔角 的刀具，我们选用振动状况非常小的空气静压轴承金刚石刃磨机，其研磨速度为 2 0 0 0 m m i n 。 空气静压轴承刃磨机具有磨擦力小，功率损耗小和在冷状态下工作的特点， 它能在极高转速下工作，轴向精度高，磨损率几乎为零，寿命长，不太需要或根 本不需要定期维修，可在极高温或极低温下工作，特别引入注目的是其振动和噪 声都非常小。 空气静压轴承刃磨机还具有非常明显的优点，尽管它往往为那些对利用空 气作润滑剂还缺乏经验的人所忽视。空气普遍存在，其化学组成近乎稳定，其物 理性能和状态也是完全确定了的。压缩空气已被广泛采用，除了像利用水蒸气作 润滑剂这样有限的例子之外，空气及其组成气体是唯一可以直接排入大气而不致 污染的润滑剂，因此空气轴承刃磨机是非常干净的。 2 2 2 研磨过程 将选定的四种不同氮含量的会刚石原石经定向后沿实验所需方向平面锯 割，可得到两块坯料，一块用于金刚石室温疲劳实验，一块用于研磨刀刃，完成 金刚石疲劳强度与刀刃楔角关系的实验，因两块试样取材于同一块金刚石原古， 所以其含氦量和疲劳强度等性能几乎完全一样，这可以保证实验最后的对比分析 ! 堡堕壁燮堑堡主堂焦丝塞 茎至童垒型垄壅茎堡壁兰卫星堕量差墨 结论稳定可靠。 金刚石的研磨加工在铸铁研磨盘上进行，研磨盘的直径为1 2 0 m m ，由材料组 织中孔隙f 勺形状、大小和比例均经过优化的研磨金刚石专用高磷铸铁制成。研磨 盘的表面镶嵌有金刚石研磨粉，其颗粒尺寸可从小于l 晰直到4 0 芦。粗颗粒 的金刚石粉具有较高的研磨速率，但研磨质量较差，因此粗磨时一般采用粗粉， 而精磨时则采用尺寸小于】m 的细粉，研磨前，首先将会刚石粉与橄榄油或其 它类似物质混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盘表面，放置一段时间使研磨膏充分 渗入研磨盘的铸铁孔隙中，再用一较大的金刚石在研磨表面进行来回预研磨，以 进一步强化金刚石粉在铸铁孔隙中的镶嵌作用。研磨时，般将被研磨的金刚石 包埋在锡斗中，只露出需研磨的面，研磨时的研磨压力约为l 奴m m 2 。 实验中在相同的工艺条件下以不同的刀刃楔角研磨刀刃，最初用比较大 的刀刃楔角研磨，并在4 0 0 倍显微镜下观察刀刃是否完美无缺，若无缺陷，则降 低刀刃楔角后继续研磨，直到出现崩口时为止，测量出此时的刀刃楔角值，如此 重复四次，测出每次出现刀刃缺陷时的刀刃楔角值，再对这四个值取平均值，便 获得了此金刚石在4 0 0 倍显微镜下完美无缺刀刃楔角的临界值成b ，下面表5 1 列出了研磨中获得完美无缺刀刃时的刀刃楔角临界值的数据。 表5 i 刀刃楔角临界值的数据 金刚石材刀刃楔角临界值( 度) 料 1234 平均值 人造单晶 7 47 57 67 4 7 5 天然1 4 95 l5 05 1 5 0 天然2 6 16 06 26 06 1 天然3锦7 07 0 7 蠡 7 1 从表中我们可以较为清晰的看到：疲劳强度最大的天然i 型金刚石的刀刃 楔角临界值凤。为5 0 度，天然2 、天然3 型金刚石刀具的刀刃楔角临界值风。依 次为6 1 度和7 0 度，而疲劳强度最小的人造单晶的刀刃楔角临界值瓯。为7 5 度。 42 ! 鬯型堂垫查查堂堡土宴堕论文第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 系 图5 8 为由实验结果所绘出的金刚石疲劳强度与刀刃楔角临界值风。的关 图5 8 金刚石疲劳强度与刀刃楔角临界值玩。的关系 2 3 实验结论 从以上的实验中不难看出：金刚石疲劳强度是引起刀刃崩口的一个重要原 因；金刚石刀具的刀刃楔角临界值屁。与该金网石材料的疲劳强度大小有关，且 疲劳强度越大的金刚石，其能够获得完美无缺刀刃的刀刃楔角临界值熊。越小， 刀具质量越好，这说明金刚石的疲劳强度是影响金刚石刀具质量的关键因素之 一o 3 疲劳强度与刀刃楔角关系的理论分析 刀刃在其研磨形成过程中，刃上的材料剥藩，必定受到力的作用。图5 9 为刀刃研磨时受力示意图，为简便起见，问题作为平面应变来处理。“孔 由经验设应力函数为妒= 矿( 目) ，代入相容方程 f 竺+ 三旦+ 占乌t 妒：o ( 5 - 1 ) 【萨+ 了石+ 7 万) 妒划 利用边界条件：+ 卯= 0 ，乙g = o ，以及平衡方程l = 0 ，= 0 ， 可得出图5 9 的问题解答 中国科学技术大学硕= ：卜学位论文第五章金刚右疲劳强度与刀具质量关系 y 口一月刿模角，r 、0 一胜刀幽双爹觋 口一研磨力p 与刀刃楔角中轴线的夹角 图5 9 刀刃研磨时受力示意图 i2 p fc o s o ! s i n 0 s i n 口s i n 01 一了i 了面+ 万磊万j ( 5 _ 2 ) i = o ，= t o t = o 即卜一等堕避笋睁。， f = r ，。= o d o - r 2 p f l s i n ( a - 0 ，) + s i n 。f l s i n ( o r 一+ 0 ) ( 5 4 ) d o r 8 z s i n i 令 豸一o ，艄盼锱舭 睁s ) 叉 一d 2 0 , ：一鲨二生型竺二尘! 粤生! 竺坐盟 ( 5 - 6 ) “d02r 声2 一s i n 2 声 由于一般的8 9 ，卢 s i n f l ，c o s ( o r 一0 ) c o s ( a + o ) 所以有箸 0 即( 5 - 6 ) 式表示极小值条件。且由( 5 5 ) 知，极值点发生在大于口处， 衙一般a 毋，所以极小值点发生在体外，即在刀体上一般无极值点。同时由 44 中国科学技术大学硕士学位论文第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 ( 5 4 ) 式可知，叶在刀体上单调减，所以在口= 一譬时( 一鲁目蔓譬) ，q 达 到最大值，且为 ( 5 7 ) 在研究平移状况下研磨刀刃的受力分析时，可以令a = 詈一譬， 则( 5 - 7 ) 式为 。：鲨! 坐：髦 ( 5 8 ) 一 r 2 一s i n 2 卢 在式( 5 - 8 ) 中p = 0 5 ( 1 2 l ，) 只，其中y 为金刚石的泊松比，在o 1 0 3 2 _ 间，匕为实验中所加的平均压力。将之代入( 5 8 ) 后得 。：f ! 二型墨堕壁( 5 9 ) q 2 _ , b 2 - s i n 2f l “ 由( 5 - 8 ) 式可以得知，刀刃楔角对刀刃上各点的应力大小有直接影响。 现在定义：刀刃在某点的强度e ：旦1 ，瓯为刀具材料破坏静强度极限， 而对于一般的材料来讲，其疲劳极限唧与静强度极限之间存在下述关系： s ，：克咒，其中k 为一常数，其取值可以从材料手册中查到，q 为该点最大主应 力。则当e 蔓1 时，就表示刀刃崩口出现，即破坏产生。在此问题中，o l = 盯， 所以有 e = 耄；= 詈；= k 兰( _ 1 二- i 1 2 ：v 二) p 业= s i n ：f l cs t 。， i - t 论：当( 5 9 ) 式中的p = 玩，。时，即刀刃出现崩口的临界点e = 1 时， ( 5 - 1 0 ) 式变成为 s ( 2 一s i n 2 卢) k ( 1 - 2 v ) p ms i n 2 口 ， ( 5 1 1 ) l 一 肛万 n n s s 一 一一 、lij，一2 7 + 一 口 一一 一 一 鲨， 生里型掌技术奎学硕士学位论文第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 令 厂( 风；。) = ! ! 璺! ! 。 戌。2 s i n 2 风。 则( 5 一1 1 ) 式变为 s ，= a ，( 缘，。) 五：! ! = 型墨 ， ( 5 1 2 ) 为了计算方便，取z = 1 ，可得出关于疲劳强度与刀刃楔角关系的一组数据， 见表5 2 表5 2 疲劳强度与刀刃楔角临界值风。计算值 疲劳强度( g p a ) 1 0 54 33 42 11 4 51 2o 7 刀刃楔角临界值( 度) 3 04 55 06 17 07 59 0 其所描述的曲线可参见图5 1 0 勺 皂 簧 笺 錾 铡 刀刃懊角( 度) 图5 1 0 刀刃楔角临界值瓯。与疲劳强度的关系 由图中我们可以看出在研磨加载力p 和距刃口刀尖的距离r 不变的情况下 即卫为一常数时，金刚石的疲劳强度s ，越大，则获得完美无缺刀刃的刀刃楔角 临界值风。就越小，这与实验所得结果基本吻合，进一步的验证了上述结论的正 确性。 中国型鲨术大学硕士学位论文第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 4 金刚石刀具研磨中的注意事项 金刚石刀具是一种先进的切削工具，在生产中有着广泛的应用前景。辨认 一把金刚石刀具制造工艺的优劣，主要是看两方面的内容：一个是是否选用了疲 劳强度大的金刚石原石；另+ 个是看加工条件，是否避免了刀刃在研磨中受到较 大疲劳冲击。为了最大限度的发挥其优良性能，在金刚石刀具的研磨中应尽量注 意以下几个方面的内容。 4 1 金刚石的选料 在金刚石刀具制造过程中，第一个步骤是选料。不同的金刚石其疲劳强度 不同，所能刃磨出完美无缺刀具的最小刀刃楔角值也各不相同。疲劳强度越高的 金刚石所研磨出的刀刃崩口越少，刀具质量越好。因此在考虑刀具质量和加工难 易程度的前提下，应尽量选用疲劳强度高的金刚石原石，具体的选料原则如下： 1 、刀具用天然金刚石的一般要求为：晶体完整，形状为十二面体、弧形八 面体或过渡形晶体，晶体最小直径不得小于4 m m ，颜色为无色、浅绿、黄棕色等， 不允许有裂纹，晶体表面不允许有大于0 5 咖的包裹体和蚀坑。 2 、对于精度要求极高的超精加工用刀、眼科手术刀等，则需选用疲劳强度 非常高的金刚石，一般需从拉丝模i 级甚至宝石级原石中选料，弗且还需采用偏 光显微镜或更精密的仪器挑选出内应力小的金刚石作为原料。 3 、疲劳强度越高、氮含量越少、质量越好的金刚石价格越贵，综合刀具质 量和经济效益等多方面的因素，对于精度要求较低的首饰刀具、活塞刀具、隐形 眼镜刀具及大部分民用产品刀具，只要求刀刃部分无裂纹、无杂质、无包裹，而 对其形状、颜色及刀头尾部的质量等则无严格要求。从三级砂轮刀材料中也能选 出适用的金刚石。 4 、近年来，随着人工合成方法制造大颗粒单晶金刚石的技术褥到突破，选 用人造金刚石作为刀具材料也得到了广泛的应用，人造金刚石刀具的最大优点是 价格相对便宜，刀具质量稳定性好，对于一般用途的人造金刚石产品，基本不需 要选料。 中国科学技术火学硕士学位论文 第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 4 2 金刚石刀具的定向 所谓刀具定向，是指确定将刀具的前、后刀面放置于金刚石的哪个晶面上， 从而获得较高的使用性能和较长的刀具寿命。同一会刚石在不同晶面上疲劳强度 值大小各不相同，( 1 0 0 ) 晶面较( 1 1 1 ) 面和( 1 i 0 ) 面的疲劳强度高，抵抗疲劳 破坏的能力强，因此( 1 1 0 l o o ) 定向方案得到了广泛采用。 该方案中刀具前刀面为( 11 0 ) 面，后刀面为( 1 0 0 ) 面，虽然前刀面与切 屑的磨擦方向处在【1 l o ) 的最软方向，但在磨损最剧烈的后刀面上，磨擦方向 处在( 1 0 0 ) 的最难磨方向，在保持抗机械磨损能力的同时，提高了后刀面抗其 它磨损的能力。这种定向方案的另一优点是可以节约金刚石材料，因为金刚石原 石一般在( 1 1 0 ) 面的 方向具有最大长度。1 7 3 川1 9 3 金刚石刀具的磨损是一个非常复杂的物理和化学过程，在不同条件下加工 不同工件时，各种磨损形式所占的比例会发生变化，因此对金刚石刀具的定向应 根据其在加工中的主要磨损形式来选择合理的定向方案。一般的定向原则如下： 1 、加工陶瓷、玻璃等硬脆材料或加工中因机器精度等原因导致振动较大时， 刀具的磨损多以微小碎裂为主，因此刀具定向方案应使用刀刃具有最高强度，可 以选用( i 0 0 1 0 0 ) 定向。 2 、加工活塞等硅铝合金工件时，由于材料中含有多硅化含物硬质点，刀具 机械磨损的比重较大，因此采用( 1 1 0 1 1 0 ) 定向能取得较好的加工效果。 3 、加工一些复杂成分的非金属材料时，化学磨损可能成为最主要的磨损形 式，因此大多采用( 1 1 0 一1 0 0 ) 甚至( 1 0 0 一1 0 0 ) 定向方案。 4 、定向方案的确定还需综合考虑刀具制造的工艺性。( 】1 0 ) 面的易磨方向 比( t 0 0 ) 面的易磨方向软，所以( 1 1 0 ) 面具有更好的工艺性，而( 1 1 1 ) 面的 任何方向均不易磨，一般应予避开。 4 3 研磨环境的控制 从前面的研究中知道，研磨中的外部环境如研磨粉粒度较大、研磨盘表面 不平整、盘面跳端和机床振动都会对刀具刃口造成很大的冲击，由式( 5 9 ) 和 ( 5 1 0 ) 可知刀刃处的相对强度大大降低，实际上也就是等于降低了金刚石的 48 生国竖攮杏! 堂硕士学位论文第五章金刚石疲劳强度与刀具质量关系 疲劳强度，这种情况下基本上难以研磨出小刀刃楔角、无崩口的高质量刀具来。 为此在金刚石刀具的研磨过程中需严格控制好研磨环境，尽量避免刀刃受到较大 的冲击。 总之，因为影响金刚石刀具研磨质量的因素很多，因此在实际加工中应根 据具体情况具体分析，尽量避免各种可能引起降低刀刃质量、加大研磨难度的情 况发生，只有这样刁。能研磨出没有崩口、刀刃锯齿度极小、直线性很好、高强度、 刀具表面粗糙度极小、刀刃极为锋利的高质量金刚石刀具柬。 5 本章小结 本章主要介绍了刀刃楔角对金刚石刀具研磨质量的影响，进行了金刚石疲 劳强度与刀具刀刃楔角临界值风。关系的实验并对之进行了理论分析，发现金刚 石疲劳强度越高，则获得完美无缺刀刃的刀刃楔角临界值玩。越小，刀具的质量 就越好，这说明金刚石疲劳强度是引起刀刃崩口的重要原因，且是影响金刚石刀 具质量的关键因素之一。最后对金刚石刀具在研磨过程中的注意事项提出了自己 的建议。 4g 中国科学技术大学硕士学位论文第六章结束语 第六章结束语 金刚石是单+ 碳原子的结晶体，其晶体结构属原子密度最高的等轴面心立 方晶系。金刚石晶体中碳原子间的连接键为妒3 杂化共价键，具有极强的结合力、 稳定性和方向性。金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度，这也使得 一直以来大多数人认定其在常温下不存在疲劳破坏，但事实并非如此，金刚石和 其它的材料一样都存在着疲劳现象，本文所研究的就是金剐石在室温下的疲劳强 度及其在刀具研磨中的应用，主要做的工作有： 分析了软压头技术的原理，研究了其优缺点。简单的来说软压头技术也 就是用低硬度材料做成的压头去压高硬度材料的试样，压头尖部钝化后产生塑性 变形，随之产生的加工硬化会阻碍塑性变形的进步进行，最终使得试样达到疲 劳破坏。软压头技术的优点主要是：压头材料硬度低，选材范围广，经济实用； 对压头的质量要求不高，磨削、抛光容易，工作效率高；在相同实验条件下，经 过多次加载后，软压头产生的平均压应力不因试样表面形状和试样材料的改变而 发生变化，有利于获得稳定的实验数据；用不同硬度的材料制成软压头能够获得 不同水平的压应力，可避免采用硬压头时容易出现的突发裂纹和压头损坏，从而 使实验结果稳定可靠，可重复性高。 设计制作了金剐石疲劳试验机。根据实验需要设计和制作了一台结构简 单、性能可靠、操作简便又经济实用的金刚石疲劳试验机，并用氧化镁做实验对 其性能参数进行了测试，认定其达到了实验要求，能够用于后面的金刚石室温疲 劳实验。 进行了金刚石室温疲劳实验，绘出了疲劳s n 曲线。先用i b 型人造金 刚石进行了疲劳实验，证明金刚石在常温常压下确实存在疲劳破坏现象，接着对 不同氮含量的人造单晶金刚石和天然金刚石进行了疲劳实验，绘出了疲劳益线 图，通过对比发现人造单晶金刚石的疲劳强度小于天然金刚石的疲劳强度，而对 于天然金刚石来说氮含量越低其疲劳强度反而越高。最后用i b 型人造金刚石在 其( 1 0 0 ) 面和( 1 1 1 ) 面进行了疲劳强度对比实验，发现( 1 0 0 ) 面比( 1 1 1 ) 面 抵抗疲劳破坏的能力强。 进行了金刚石疲劳强度与刀刃楔角临界值关系的实验，并对金刚石刀具在 50 中国辨学技术火学硕士学位论文第六章结束语 研磨过程中的注意事项提出了自己的建议。决定金刚石刀具质量好坏的主要因素 是刀刃崩i s 以及刀刃圆弧半径，面这几项重要的参数都与刀具刀刃楔角临界值 。有很大关系，通过实验发现金刚石疲劳强度越高，则刀具刀刃楔角临界值 风。越小，刀具的质量就越好，这说明金刚石疲劳强度是引起刀刃崩口的重要原 因，且是影响金刚石刀具质量的关键因素之一。在金刚石刀具制造中应尽量选用 疲劳强度高的金刚石，以( 1 0 0 一1 0 0 ) 或( 1 1 0 - - 1 0 0 ) 为定向方案，并严格控制 好研磨环境，避免刀刃受到较大的冲击。 51 中国科学技术大学硕士学位论文 参考文献 参考文献 i 臧传义优质宝石级单晶金刚石的合成 吉林大学硕士毕业论文 2 0 0 3 2 王光祖金刚石基础知识问答金刚石与磨量磨具工程1 9 9 7 ( 】) 3 d c r o m p t o n ，w h i r s ta n dm g h o w e r s ，p r o c r o y s o c ，a 3 3 3 ( 1 9 7 3 ) 4 3 5 4 r c o o p e r ，p h dt h e s i s ( 1 9 6 1 ) c a m b r i d g eu n i v e r s i t y 5 j e f i