（机械制造及其自动化专业论文）金属材料冰盘抛光纳米加工机理研究.pdf

攘要 本文叙述了采用冰凉抛光盘对金属树料进行纳米抛光加工的新 工艺方法。根据抛竞加工后在金属试件表面土所获得的纳采级表面 姐糙度的试验结聚，着赣从微舰理论出发，分析了金属器体材料愿 予耀嚣合力、暴子结合键、纛予结合能、金蘑痞体结构、金属裳际 表面存在的点缺陷、晶格畸变能、刃型、螺旋型位错能、台阶、晶 锩中秀莉结抟与菇赛纛、表西及袁蠡甓、耀糙等毒；起籀与抛竞加工过 裙中系统所加机械能的美系和作用，深八分析探讨了金属材料表面 纳皋缀瓤鬼疆观去除翡加工规蕊。 荚逮落：金嚣捞糕缝岽溶鑫戆舞漂予缭金襞瀑俸簸隧 a 瑟s 罩r 轰c 零 t h i sp a p e rp r o p o s e st h e 臻辩t e c h n i c a lm e t h o do fn a n o - p o t i s h i n g p r o c e s s0 nm e t a lm a t e r i a l sw i t hj c ep o l i s h i n gd e s k a c c o r d i n gt o r e p o l i s h i n gp r o c e s s t e s tr e s u l t so b t a i n e do nm e t a lt e s ts p e c i m e n ，w h i c hm e s u r f a c er o u g h n e s sr e a c h e st h en a r l o - l e v e l ，a n db a s e do nm i c r o c o s m i c t h e o r i e s m a i n l y , t h e f l a w so fs t e p , d i s l o c a t i o n ，r o u g b a l e s se t c 。t h a t e x i s t i n gi nm e t a lp r a c t i c a ls u r f a c e ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea t o m b i n d i n gb o n d ，a t o mb i n d i n ge n e r g y , m e t a lc r y s t a lf a k i c 、i n t e r t h c ef a b r i c a n dg r a i nb o u n d a r ye n e r g yi n c r y s t a l ，s u r f a c e o rs u r f a c ee n e r g ya n d p o l i s h i n gp r o c e s se n e r g y , t h e f u n c t i o nt h ef o r m e rt ot h el a t t e rt a r e a n a l y z e d m i c r o c o s m i ce l i m i n a t i n gp r o c e s s m e c h a n i s m so fm e t a l m m e r i a l s n a n o p o l i s h i n ga r ef u r t h e ra n a l y z e da n dd i s c u s s e d k e y w o r d s ：m e t a lm a t e r i a l sn a n o - p o l i s h i n gw i t hi c ed e s k a t o m b i n d i n ge n e r g yc r y s t 瓣d e f e c t 第一章绪论 1 。 怒瘫港表面及蒸掬王蠢法 加工精度是人类社会科技发展水平的一个重要标志，包括两个量， 一是形状位置精疫，二是表面粗糖程度，二者有着密切联系。超光滑表 面制造技术是超精密加工技术的一个重要分支。随着科学技术的发展， 在许多领域申提出了起竞漆表面的簧求，在纳米技术已有长足发展的今 天，所谓趋光滑表而是指粗糙度均方根值是纳米级的表面，超光滑表面 吴有救下主要耱簋：表国粒糙瘦妻蠹来级，具有较低麓表秘波纹瘦瞳及 较离的面形精度。尽可能小的表面瑕疵与亚表面损伤。表面残余的 如王应力扳小。菇抟表蘑具有完整戆瑟貉绦搀，g 裹西无菇格错位“。1 。 抛光、研磨是最常用的制遗光滑表1 莉的技术，但要获得超光滑表面必须 对艨有的加工技术进行改选或发明勰蟪如工方法。许多国家砖爵学餐零 在致力于越光滑表面h u t _ 原理和新技术的研究工作。r d i e t z 改变抛光 液供给方式，采用没液抛光( b o w lf e e d ) ，将沥青抛党模浸没于抛光液 中，获得了粗糙度小于0 3 n m 的表面”1 。目前，获得超光滑表面的加工 方法有以下几种”。： 一机械化学抛光 研磨和抛光主要是利愿硬质磨粳的机械压八、摩擦作髑，但这秘方 法通常留有很大的加工变瓒屡。为了消除这种b u y - 爱质层，一般采用化 学研磨和可电解研磨，而这两神方法极易造成形状精度下降。为了避免 上述缺点，开发出一种把蘑粒的机械研磨和由加工液进行的化学研縻融 为一体的复合加工方法，印机械化学抛光法。它是利用软质磨粒与工件 的谈继点上产生的机械他学现象，进行稀瓣微量去除的表萄研磨加工。 它是一种经济性好、生产效率高的越精密加工方法。以研磨蘸宝石为侧， 祷s i 0 ，、o f e ：0 ，、m 9 0 等徽细粒子以干式或有磅供给适耋酌研磨液进行 研磨时，则在蓝宝石和供给的微细粮子的接触点处，图摩擦而产生高温、 高葳，瓣蘸在两者之阕产生霹秘反瘟( 周s i 0 ：时，圭成莫泰菇；簿c z - f e 。氆 时，生成c - f e 。0 ，- h l 。0 ，固溶体和f e - h l 尖晶石固溶体；而用m g o 时，则 生成m g a l 宪晶石等，薅在这徽小砖反瘟部位，借助摩臻力z * b 双- a 数 量级的微小单位进行去除。 二拳舍抛毙 水合抛光法，是一种积极利用在工件临界面上生成水合化反应的研 磨方法。其主要跨点是不使罔磨粒彝加工液，而如王装置叉与圣蓠使嗣 的研磨盘或抛光机相似。只是在水蒸气环境中进行加工。因此，要极力 避免使用巍与工传产生固相反应的捞辨镩辑吴。拳合樾光法是毒弱霹具 的摩擦力，将在晶体表面上形成的水合化髌去除，去除量是几个a ，所 以可获得无浮痕、乎滑光泽无畸变的洁净藏；啦合反应在低温下比较活 跃。其机理为，在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产生 高温高压，工件表面上的愿子或分子呈活性化。利用过热水蒸气分子争 水作用其表面，使之在界面上形成水合化詹。然后，借助过热水蒸气( 不 是用游离磨粒) 或在一个大气压的水蒸气环境条件下利用外来的摩擦力 坟工件表葫上将这水合托艨分离、去除，跌而实现镜面加工。生戍韵，k 合化层一般为0 1 - 3 0 a ，故可获得超光滑的表面。研磨普通玻璃时，表 面艇糙度可这爨l o - 4 0 a 。用水合抛光法加工对，水蒸气愿力越高，加 工蹙就越大。 三弹幢发射加工嚣蕊) l ” e e m ( e l a s t i ce m iss i o nm a c h i n i n g ) 方法是利用微细粒子在材料 表瓣上灞移时去徐翁辫的加工。微细粒子以接连拳平的角度与豺辩碰 撞，在接近材料表面处产生最大的剪应力，既不使基体内的错位、缺陷 等发生移动( 塑瞧定影) ，义l 产杰裾量的“弹往破坏”以遗抒去涂加 工，如图1 1 所示。 这鲢，由于微缎粒子和被如工耪考争蟪必学绝合，即使给毒夺救子双 同样的运动形态和能量，在h - r 性能上也佘出现差别。这种观象是由于 微纽牲子务被加工糖糟秘艨子闻的托学结合难易痰及 - 3 黪耪耪走艨子 间的分离难易度不同所致。特别在加工单晶硅时，在弱碱溶液中使用平 均点径1o n m 左右的胶态二氯化硅缎子时，加王效率比较显菸。这晴擞 细粒子表面的硅烷基( 一s i o h ) 和弱碱中的s i 表面上形成的硅烷基变成 2 媒介物，在s i 和s i o ：粒子间产生结合，s i 表面原子和内部原子的结合 力变弱，s i 原子被去除。这种弹性破坏的机理中，加工的首要条件就 是使微细粒子和被加工表面尽可能接近，直到接触。在实际条件下给予 粒子运动的动量越大，越能满足对加工条件的这种要求。 s u ”a ff l u i dl u b 麻a t i o n l n oa 臼c t i r t c i 蚌 图1 1 弹性发射加工机理 四浴法抛光”1 浴法抛光早在六十年代就已出现，当时美国为发展深紫外波段的光 学，需要平面度和粗糙度很好的光学元件。采用这种方法在熔石英平面 上获得了0 5 n m 的光滑表面，而当时用常规方法，只能获得1 - 4 n m 的表 面。 与传统的常规抛光类似，工件在旋转的沥青盘上水平摆动，并绕自 身旋转；保i _ a z 件上每点与沥青盘上每点随机接触，使工件被均匀去除。 由于离心力及重力的作用，抛光液中的磨料颗粒被甩到边缘并沉到桶 底。抛光过程分两个阶段：抛光开始时使用搅拌棒，让磨料在溶液中 均匀分布，这样就不断有磨料颗粒沉淀在沥青盎上。磨料有自锐性，研 磨破碎后露出新的锋利边缘，仍有磨削作用，但粒度更小了。此时， 工件与沥青盎已很好地吻合，磨料粒度已足够小；移去搅拌棒，使抛光 液中磨料沉入桶底，沥青盘上的磨料逐渐减少，有效抛光液浓度不断减 少，由于抛光中磨料颗粒不断被研碎挤入沥青中，沥青盘表面变得越来 越竞潺，嵌入其中姥磨势微粒不颤筑化箐瓷得越拳越小，犹如一把撼极 小的车刀，持续微蹙地车削工件表面，使其粗糙度降低。由于工件浸于 液体中，工作时液体的作成使磨盘与工件的接触曼柔和；欠量波体媳毒 在保证了磨盘表面局部温度的均衡，使磨盘不易变形，抛光小环境相对 稳定，这样就有希望获得离面形精度的表薅。 五浮法抛光“ 原理如图1 2 所示， 一 圈1 2 浮法抛光艨理图 磨盘与工件均浸于抛光液中，磨盘材料不是邋常的泐街或聚氨脂、 毛毡之类，而是金属锡，纯度在9 9 ，9 9 以上，锡盘厚度约2 0 m m 。锡盘 是迭释制遗的：先在锡盘上车出2 m m 宽的螺旋线或同心圈，再用铝石车 刀在盎面上车出更精细的螺旋线，进给速度约o 3 m m r e v 。浮法抛光过 程串，工静盘驽磨纛稳定旋转，稻光液运动产生的动压力使工件盘与磨 盘之间有数微米厚的液膜，磨料微粒在这层液膜中媳动，与工件表面不 繇碰撞，工俘表面源子在撩瓣微粒璐撞击锋用下脱离工静主体，蔽而被 去除。工件的面形主要是由磨盘面形来决定的，因此磨盘在抛光过程中 戆堙匀磨翻是保证工锌西形秘美键。浮法糖竞孛，由于锈材释本身的特 性，其硬皮及流动性适中，磨损可以忽略，因而锡盘平面是很容易控制 戆；只霉在锈盘王诈一菝时阗后，再躅高媾密锫石誊床辜一次袁西帮可。 这样，抛光期间锡盘的工作面形是稳定的。这种稳定性使浮法抛光有可 能成为高逡抛竞。 六离子束抛光”1 离子柬抛光利用中蛙离子束漉轰击5 - 传，去狳英表垂一定区域酶原 子或分子，达到超光滑抛光的目的。这是一种典型的运用物理碰撞方法 遗行抛竞麓技拳。 离子束抛光的目的在于对工件表面的修正，因此工件首先要于煎抛光 刭一定赣度，蒡对工件遮行捡测，然后路工静表彝等高委、王侍尼何参 数等信息输入到处理程序中，计算出离子束轰击的路径、驻留时间等参 数。离子柬抛光就是由这然参数决定，电c n c 控制实王霓戆。离子束抛竞 韵加工范围较广，对工件尺寸没有严格控制，并且可加工球面、非球面 和非对稚面彤。离子束抛光可以获锝面形谈差小于丸5 0 ，表面趣糙度饨 于0 6 n m 的表面。 七延展性( d u c t i l e ) 磨矧“” 按照n j b r o w n 的理论，工件稽料被摩料去除有三种方式：破碎， 微裂纹，塑性。决定材料去除形式的关键因素是工件表面每个磨料作用 点上的压强p ，p ，天对破碎形式锈照，p 。小时塑慷变形明照，通常的加 工是这三种去除形式共同作用的结果。由此可见，嬲p ；小到一适当小值 m 靖，对工件的加工就是纯塾陉交彤去狳过程，楚粳槛磨削就是利用了 这一原理。利用上述原理，日本于八十年代柬研制出了第一台加工平面 黪延展注磨壤瓠泰，磨夹骚的遗给优于0 2 罅；对于$ 1 0 0 黼的x 9 玻璃， 一次完成加工，面形精度邋到亚微米级。 豫加工金属秘糟罄祥h s _ t - 旎硬辑麓一巍是人们的幻想，延簌槛縻巅 技术给这个幻想的实现带来了希望，目前，延展性磨削还不能加工球面， 侄仍不啻为 鼗寒蘩途秘超建潜表磊加工方法。 八磁力悬浮研磨1 磁挂滚侉是一狰绩动渗褴裁鼹馋薅，旋铗氧俸徽纭粒子稳定绝分散 在油和水等溶液申而构成胶态流体。在受磁场作用时，由于磁性流体中 铗甄体戆强磁性微细粒手鲢锋用，磁蛙流俸显示出狡吸向骞磁场一镧馥 性质。如果在磁 生流体中存有非磁性体，在受磁场作用时，非磁性体则 与磁性漉体相反，产生趋向低磁场一侧的王霓象。研蘑加工遗常使用姥彦 粒邂非磁社体的。壕用这种磁力悬浮现象进行研磨的就是磁力悬浮研磨 法。它有以下几个特点：由于磁悬浮力砖诈用，捷馋鹰予瑟磨交转磨 粒数量增多。由于磨粒由流体支撑，因此摩粒的氮撑富有弹性，另外， 各 加工压力是由磁悬浮力所赋予，故作用于每个磨粒的加工压力与摩拉的 敬量无关。由于磁拄流体的熬谤导率稂炎，因诧可以控锱加工点的温 升。越接近磁铁，作用于磨粒的磁悬浮力会越大。因此，对工件形状 还有修正效果。 九磁流爱抛光”3 9 0 粤代初，w i11i a l l ll 。k o r d o n s k i 。l ，p r o k h o r o v 及舍傩孝蒋电磁 学、流体力学理论、分析化学结合于光学加工中，发明了磁流雯抛光 ( m r f ) 技术。这秘方法是剩用磁流变抛竞液在磁场中酶流变蛙进行撼 兜的。在高强度的梯度磁场中，磁流变抛光液变硬，成为具有粘塑性的 b i n g h a m 介质，当迭砖介质通过工件与运动盘形成的很小空隙时，对工 件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件表面材料被去 除。 1 2 我国超光滑表面加工技术现状 我国超竞泽表委如工的磅突起步较晚，投入的人力和资金都不太 多，主要是在原有常规抛光机的基础上进行以沥青为磨盘材料的工艺研 究，着眼点在磨蠹浆方、嫠辩粒痰、抛竞簿霹等方弱。超竞潘袁瓣加工 拭术涉及敏感领域，因此西方国家对相应的超精密机床向中国出口加以 f 氧戮，莰绞超竞蚤表面裁迄技拳的磺竞选箴缓浸。鼹意工囊走学肆莰瘸 常规抛光机的古典抛光进行过一系列的研究，哈尔滨工业走学曾在石英 争硅黑畿抛兜方面姣过不少的王馋，孛霪秘学院长拳竞拳糖密专死辕与物 理研究所曾用浮法抛光的方法获得了粗糙度小于0 3 n m 的超光滑表面 “。此 ，圆防辩技大学、中国秘学院上海光学赡密掘械研究黪和大 连化学物理研究所等都曾缀或正在进行传统抛光法的超光滑抛光察验 与研究。 总的拳看，我国在超免滑表面制造技术方面较国际水平差距很大， 虽然目前也可以加工出亚纳米级的超光滑表藏，但对操作者的经验依赖 稽强，并鼓加工震费不稳定，难双满足现代科技发展的需求。 1 3 超光滑表葱加工技术的发展趋势 近4 0 年来，超光滑表面制造技术获得了长足的发展，原子级超光 滑表函已不再难以菠碍，雀众多超光滑加王手段中，依赖于精细蘑粒的 抛光技术仍是主流方法，其特点是：采用浸液抛光方式使用高精度 的抛竞摸采用软质材耪抛竞波重视抛竞液的倦学馋趱拳，抛竞扮的 弱机械作用，实现化学机械抛光。 目前，超光滑加工技术正向降低制造成本、提高加工效率的方向发 袋，采用起精密机械设备，用磨削替代抛光是一个趋势。髓着材料科学 的发展，采用特殊材料的机床将具椎更高的精度和稳定性；电子学的进 步剐使毒凡床控割技术得以极大提高。这些都是使材料磨削去除量这到纳 米级成为可能。利用场效应辅助抛光是超光滑加工的另一发展趋势。通 过控钢工俘所受的加工压力来操纵材料的去除，最终这到弱力乃至微力 加工是提高超光滑表面加工效率的一条重要途径。 1 4 低温王礁及其在加工中的应溺 温度是一个物理量，娥器上的各穗物履在其壁在蟪环境中都具有一 定温度，温度的高低和物理烈有关，热的本质是物质中的原子不断振动 的一砖表现，温度离表示葵组成原予很混乱。低温状态下艨子可以秩序 井然。普邋金属内的原子每秒大约振动1 0 挂次，故平均每秒钟每个原于 都有跳出自己原位显，跑到附近位蔗的机会。这秘机会在1 0 “次振动中 只有一次，敌经一段时阀詹，金属就发生可观的雯彤。而金属在低温时， 例如金属冷到3 k ，则金属原子每秒钟振动钓10 ”次，振动慢下来约1 0 0 倍，变形降低。研究表明，套属在最低温度下，即绝对零魔对，金属原 子仍有一些振动存在，此称为原子的零点振动。这就是说，原子具有固 有的最，卜黥量。在裰冷的天气下，拿决冰皋，如j 莉适当的x 一射线( 这 可以使我们了解原子或分子排列情况) ，就可发现水分子排列成一种极 有规翻秘影式，静所谓“潞德格子”。即使在温度稂低的谤况下，泳酌 晶体内的分子并非宛全固定的，要使用放火两万傍的显微镜来观察它 热，便套发现每一个分子都在急逮秘跷动，钽平均位置捌轰不多没有改 变，各个分子都在以平衡饭匿为中心不停的振动。辨把这块极冷的冰稍 戮加热，继续观察，我秘会发瑗遮簧温度翡上舞，冰跨分子猿动静越来 越激烈，分子运动的增强，表示冰的晶体内能的增加。也就是说+ 温度 慧低，物体内分手瓣刭越蘩寿，分子振动秘振幅越小。 物质在低温环境下表现出许多优良的特性。低温应用工程是近十余 年来考提囊争发展起来的一嘎覆盖彝很广秘综合技术。 1 4 1国内外低温应用工程的发展“”1 一、国， 低温应用工程的发展 在s o 年代以前，低 ；瓿仅在为数不多的几个交验室里作为揭示物性 的手段。美国额耪烤著的低温上程出叛于1 9 5 9 每，谈书余绍了低 温技术的基本原理和部分美键低温设备的结构及测量仪表的使用方法。 1 9 8 6 年荚圜牛津大学3 - 秘科学系的汉兹主编的低温工程从理论上 傲了说碉。1 9 8 1 年12 月，日本嗣本定次等著机械工厂和低温利用 一书出版，揭示了低温技术在机械加工中的应用。随后，壤鳍有大量熊 交献资料缀导了低温技术在工韭、农业、隧药卫生、国防、航天技术等 领域的应用研究，取褥了一批新的成果。 在低温裁造工程上，低温切削得翻穰炙的岌鼹。从1 9 53 年到1 9 6 6 年，国外曾在实验塞将低潞技术应用于机械加工，获得一定成功。主要 秘冷帮方法是采用液氯、液态二氧亿碳等，使切削性能得翻改善，但因 实现困难未被推广。19 8 6 牟，瑞士专家用冷冻固定零件，无论是非常 ，l 、酌零侍，还是毙较天的零静，都可以耙它们固定到一夸专门的支鹰上， 使用这种方法不产生变形和机械损伤。另外，美国、英国、德国、前苏 联等瑶露都敬了失藿馥理论争实验辑究。霸本子叶大学翡学者钔弱用 m i c r o v i c k e r s 硬度测试仅分别在霆温和液氮创造的低温下进行了金刚 石蹑痕襄验，实验辫器是苏蠢一石灰袭璃。耋压关箍囊实验枣 辫露，中 央裂纹和侧向裂纹在压力饿达到一定时都产生了。随着负载的增加，裂 纹鼹长度都土砖，偿是誊滋下砖裂纹长度在秘露载藏务停下要出7 7 k 靖 长得多。在光学显微镜观察到的常瀛产生的压痕比较清楚，表面下宥暗 裂纹。而在7 7 k 时压痕不太清楚，旋拳线裂纹远小于争少于害温下戆暗 况，只是在裂纹的周围有环形裂纹，这表明苏打一石灰玻璃在常温下的 硬度要比7 7 k 时小的多。予叶大学的学孝远傲过一系列的在不囤温度下 的鹰痕实验，表明7 7 k 时的苏打一石灰玻璃的硬度要比常温时高2 5 倍。 8 而材料的硬度和强度是成正比的，所以我们认为77 k 时的苏打一石灰玻 璃戆强度要宓常溢时高。稿材精的强度越离，耪糈遮不势瘫现襞纹，越 有利于加工。 在国防2 t 7 - 程上，第二次世赛天战孛，恕于战争主要在苏联透纷，因 而带动了寒带武器装备的新进展，一位英国人发明了冰层军舰。卫星和 飞船长时蝤在大气层玲鞠宇宙空鞠运费，郑里是一令深低瀑、高真空麓 环境，易出现冷焊、分子污染以及金属机械性能的变化等。人们必须在 地面上对卫星扣飞船进行离空环境模拟试验。这一切邦离不开现代低温 工程。在太空计划中，生命保障、燃料电池、大推力火箭、高空探测等 均要配有低温工程。另外，在军事工业及电子元件生产中，也大量座用 低温技术，如航空用雷迭微波部件的温度艘制、红外传感器的冷却、反 射镜的冷却、光学强微镜的冷却、微波部件的温度控制、空阈公馆、搭 载硐冷藏车，自动零接点装置等。 在科研仪器上，低温应用工程已用于零点仪、露点仪、冷阱、石英 掭荡器的频率稳定、标准黑体放射源、标准电器( 电容、电感、电翘等) 的定标测量以及增加某些重要电子设备的可靠性实现恒温要求等。 在基碗研究方面，有许多重要的基础研究应在低温环境下透行，例 如一些诺贝尔奖的获得者v a nd e rw a a ls ，k 0 n n es ，b c s 理论的创始人， 李薮遥争缅撂宁，j o s e p h s o n 嘏及羝温超导酌发瞬者 m u l l e r 争 g 1 l e d n o r z 等的研究成果都离不开低温条件“”。 总之，低温应 篙工程已覆盖嚣有王程领域，宅正爱箨愈拳愈走的锋 用。 二、蓬是铽温应建王寒媳发展 从1 9 7 2 年开始，我国对低温技术进行了初步探索，并应用于机械 加工，到1 9 8 4 年，我国基本完成了电子冷冻车到、电子冷莲铙裁、电 子冷冻磨削、液膜冰液的研究任务。冷冻加工的实现，使我国有可能放 弃饽统_ t - 芯方法，用液膜冰霹定工传代替夹吴，用电子冷壤旗技术代替 传统的液氮等制冷介质，用电源变换实现快速装卸工件和恒温控制等， 一毖无法加工的材辨，特别是航空燃料( 如合成纾维，极簿传等) 找到 了一种新的加工方法。 低温刀具为工件的粗、精加工带来福音，它可托刀体、刀头温度恒 定在一1 5 以下。这静力嚣寿命长、加工精度高，彻底改变了刀具的冷 却条件，改善了环境卫生，这种刀具已实现商品化，使用方便。 甄温潘动秘承戆研竞强缮了藿要的遮蕊。在加簌条停下，高速旋转 的轴颈使轴承始终在一5o c 条件下_ t - 作。 。莲，2 低温谚潮热工 低温切削是低温应用工程的分支。是指在机械加工中，通过采用各 葶申暴同疑冷却方法，使工传在切溅区处于低温鹭进行鳃切测加王。剖嗣 工件在低温条件下的低温脆性，从而提高工件切削加工性、刀具寿命和 工件表面质量。低温切测可分为以下凡秘：低于室温的低温切蛾。这 种方法使切削区温度经强制下降，保持在4 j 0 c - 6 。c 室温以下的低温切削。 零度以下的低温切燃。这是将工传浸入约- 4 0 0 e 恒温冷却横恕，一逮 冷却，一边切潮的切削方法，这种方法称为零度以下的低温切削。 一s o o c 以下的低温切削。这种切削方法使切削区温度保持在一5 0 。e 默下， 辫而使工件在低温脆性的条件下进行切削加工，不易产生刀瘤，工件切 削加工性提高，切削力有所下降，刀具寿命大大提高。 5 0 年代以前，世界备国就迸行了低温切削实验和研究。第品次世 界大战后，低温切削得到很大发艘。1 9 5 3 - 1 9 6 6 年问，国外在实验室中 将低温技术应用予机械加工，并获得一定成功。薜主要方法是用冷冻液 或气喷浇工件，采用液氮、液态二氧化碳等作冷媒，使切削性能得到改 嚣。罄霭为窭琉蜀难而泰穰推广。1 9 5 9 年e l 本拜学家益子教授等对低 温切削效果在实验上、理论上首次做了明确解释。阐明了工件材料的低 滋麓栏、难加工辑精致加量、刀葵寿命题长等理论溺题，并跌实验中得 到证实。1 9 8 2 年美国用冷冻液和干冰对热塑性材料进行冷加工，并获 褥成磅，但未筋凌：r - e 复杂镑阏题，泰得刭应髑器广。1 9 8 1 每，由 日本山崎制作所研制的刀具内部冷却切削实验就采用了低温刀具系统。 1 9 8 6 年，瑟本辊械技术杂志余绍了葵有电子冷静装麓秘高速主轴。 由此可见，低温切削加工技术避步走向实用化。a b c h a t t o p a d h y s y ， a b o s e ，a ，k ，c h a t t o p d h y a y 等人糖盘。”，在高速、天缝给量戆磨载 ；b g _ t - 中，由于在切削区产生高温，使切削力上升，加工表面发生氧化， 表面粗糙度上升，刀具寿命下降，实验表明，在采用液氮冷却的条件下， 切削铜时，可减少已加工表面的残余应力、微观裂纹、表面损伤等。 1 5 本论文主要研究内容及意义 1 51 主要研究内容 1 、使用自行制备出的无磨料的冰冻抛光盘，在平面高速研磨机上， 对l y l2 、y g 6 、4 5 钢等金属材料进行纳米抛光加工，在抛光加工中，收 集飞溅的水滴以及冰盘和工件上的冰水混合物，用等离子体光谱法和质 谱法( i c p a e s m s ) 进行成分化验，分析纳米加工中金属表面材料的去 除机理。 2 、运用晶体学、材料科学、金属物理学以及表面化学、固体物理 学等相关方面知识，从微观角度力求掌握微观加工物理实质，从而揭示 金属材料纳米抛光加工机理。 1 5 2 意义 对金属材料的无磨料冰盘抛光纳米加工可使产品使用性能得到进 一步提高，这将促进机械、电子、航空、航天、激光核聚变等高新技术 的发展。本课题作为超精密加工技术及低温应用技术研究的组成部分， 对于推动现代科技、现代国防的发展具有理论和现实意义，可以带来一 定的经济效益和社会效益。 第二耄金属材料冰盘抛光纳米加工试验 本试验用泳凉狍竞盘对金属试件：4 5 淬灾钢、y g 6 硬质合金、l y i 2 硬铝合金在高精度抛光机床上做了抛光试验。经过试验得出了冰焱抛光 可使表面糨裢度在原有基妇土透一步减小，使零件表面透蠲翁米缀粗箍 度。 2 1 实验设备及冰盘、工件盘的制备 2 。1 1 实验设簧 墨2 1 机床工根状态时撼橡示意辫 本实验是在长春理工大学科技开发中心自行研制的平面高速研磨 机上进行的。采用冰盘，工件盘分别替换了原机床上的磨焱和压蕊。谈 机床工作状态时的结构示意图如图2 1 所示。电机通过变速箱经机床主 轴带动冰擞旋转。冰盘通过模子上的螺纹与机床宝轴相联。工件与工件 盘粘结成一体。联于气缸活塞杆顶端的压头，通过工件盘将工件压向冰 盘。其作用一是可对工件施加压力，二是限制工件的移动，只允许其绕 盛关中心转动。韪夹翡垂直移动是通过调节气嗣阀门由气缸进行气动控 制的。松开紧固螺钉，摆臂可绕固定于床身上的立柱旋转，从而可以改 变工件蠢翻对泳蠢的偏心距e 。永矗转速可通过调节变籁调速电机在 20 0 r m i n 一6 0 0 r m i n 范围内选择。 本实验糖竞加工过程瘟在全封阉、清洁、元灰尘、低温、恒温的环 l2 境中进行。为获得类似的加工空间，在研磨机加工区域上方放置盖板， 在加工区四周布置冰块。如图2 2 所示。但距离理想加工环境仍有差距， 加工区不能保证全封闭，h 。_ t - 空间温度仍然会随室温波动，这些将对抛 光效果产生消极影响：1 、周围环境中的杂质有时会进入加工空间，混入 冰盘与工件的摩擦面之间；2 、使加工区温度随室温波动，造成冰盘融 4 匕加速。 图2 2 加工区简图 2 1 ，2 冰盘的制备 作为抛光工具的冰盘，作用类似于磨削加工中使用的砂轮，其制作 质量将直接影响工件的抛光结果。本节分别介绍一下模具的制备和冰盘 的制作。 1 模具 图2 3 模具结构图 本实验冰盘模具选用的材料是尼龙，优点是导热慢，可防止冰过快 融化；不易变形，重量轻，加工性能好，成本低。模具由圆柱形上、下 摸蹰部分纽成。如图2 + 3 所示，下模结鞠稿对简单，主穰要如王虫注水 孔、内锥和联接螺纹。对于上、下模的结构尺寸没有严格要求，但制作 时露要考虑到的鹈素骞：壁厚不可过薄，这藐可瑶加貘具麓强度，又 可以降低冰块融化的速度；水冻成冰詹，体积大约要膨胀9 左右， 磙成后砖冰盘冰瀚只须高盎上模袁圣1 5 r a m 一2 0 r a r a 帮可，爨此，下模内圆 柱不可过深，深度取1 0 m m 一15 m m 为宜。上模内圆锥可加工相对深一些， 但其内圆拣上表鞠直径应与下模彝霹拄直径相同；赶锯戆馋罔是在枣 冻好后，去下模时，防止冰随下模从上模拔出。另外，较深的上横内圆 锥和相对较浅的下模内圆柱也可起藿相嗣的作用。锥角可以驭7 0 。左 右； 注水孔是制作冰盘时注水罔的。另外，在滋水中冻成的冰校还可 起到定位的作用，即防止在加工过程中，冰块相对于上模内锥底澎发生 滑动。注水孔直径取5 m r n - 6 m m 即可。注水时，要确保水面没过注水孔： 冰模直糨及冰块直径要枫加工情况而定，即要保证工件焱相对冰盘最 大褊心静，工件也要完登玩覆盖在泳面上。 2 。冰具的制作 在余韶冰吴的番锋方法之前，宥必要竞了解一下水和冰的一些特性“： ( 1 ) 、水的特性： 拳莛无色、无喙、苑嗅酌透明液舔。在一个标准夭气压下，水的 凝固点是为0 ，沸点为1 0 0 ； 拳的出蒸势4 1 8 6 8 j f g 。k ) ，走子葵它耪震秘兜热，辑以在嗣祥 受热或冷却条件下，水的温度变化最缓慢： 拳蟋始晶港煞秀3 3 4 ，9 j 。拳结成球酵，冀傣积套黪涨。葵线膨 胀系数c 【“0 5 5 10 。，体膨胀系数d 一3q ： 拳在4 c 瞬赡密度莰欠，凳l g c m 。拳表默上聚一般物镰一 样，热胀冷缩，但在o c 到4 之间都是热缩冷胀。当水温高于或低于 4 时，其体积通常都会增欠： 很多物质能溶解于水，包括气体。火部分物质在水中的溶解度随 蕾温度的舞高而增大，而气体在水审鲢溶筋度则噻温度妫劳焘而黪甄。 ( 2 ) 、冰的特性： l4 常压下，冰的比重一般为v = 9 17 k g m3 。水变成冰时，其体积大 约增加9 ，可见冰的密度小于水； 冰的熔解热也叫结晶潜热，通常取3 35 j g ； 冰的比热与温度有关，常取2 1j ( g k ) ，约为水的比热的一半； 冰的导热系数入随温度的降低而增加； 冰的成份和结构对冰的性能影响较大，人工冰比纯水冰的硬度大 得多。如果冰中含气量较多，其致努| 生差，并呈乳白色，其硬度和导热 性也会下降： 两个相同容积的容器中的水，同时冷冻，温度高的水先结冰。这 是物理学上著名的“姆潘巴问题”。 针对本实验，冰块由水冻结而成，并且冰面直接参与抛光加工，因 而有几点要求，在制冰过程中需注意： 冰中应无气泡。气泡的存在会降低冰的致密性及硬度。另外，气 泡如果处于冰块表层，加工时暴露出来，其气孔边缘的冰碴易划伤工件 表面。 冰块中应无裂纹。裂纹的存在同样会划伤工件表面。冰块在加工 时高速旋转，原有裂纹会因冰盘的离心力扩大，常会导致冰块的碎裂。 冰块冻制过程中，各处膨胀应均匀，冰块表面应与上模安装基面 保持很好的平行度，不可倾斜。 为满足以上几点要求，在冰块的制作过程中，可采取以下措施： 1 、冻冰用的水需要先加热至沸腾。由于气体在水中的溶解度会随 温度的升高而降低，因此，通过加热可去除水中原有的大部分气体。同 时，可提高冰的致密 生和硬度。冰模在冰柜当中的放置方式，也使水中 残余气泡上升至上模底部，不至于会在冰的加工区表层残余气泡。 2 、冰中的裂纹在现有的实验条件下无法避免，只能尽量减少。裂 纹的产生是由于内应力导致的。冰盘在冻结和起模过程中，由于温差产 生内应力，超过冰的强度，就会断裂，产生裂纹。因而在冻制时，理论 上应使冰模中的水同时结冰，各处一致膨胀，就不会产生裂纹。将水加 热后冻制，根据“姆潘巴问题”，会对这一点有所帮助。另外，冰柜温 度不宜过低，最好为一2 一5 ，同时，加大冰模壁厚，使冰模中心与 凹阁温差不会过尢，在实际巾，温攫在所难免，靠近冰横内壁的水必先 冷鸯，t 心部分蓐冷毒，结枣速度难保一致，襞纹就套虫琏。誊起筷嚣 开冰柜时，冰柜与实验室温差很大，这时烃常会听到冰横r p 冰开裂时产 生鲢q 器、啪”声。若马上器出，永君襞的声音拣更鼷烈，秀毙采取砖 措# 电是敞开冰柜，待2 0 - 3 0 分钟后取出冰横，情形会好得多，由此可以 着盘，降低实验室蜜温将是缓有效髓方法。 3 、在反复实验中发现，用热水冻成的冰的膨胀较用冷水冻成的冰 均匀很多+ 盎现上凄，去下模之裁，如图2 ，4 髓示。安装在机康上之后， 热水冻剥的泳盘辩面倾斜小，冷水冻翻的冰盘冰商往往倾斜很天，在抛 光时造成活塞抒的振动也加大。而且在去下模时，用冷水冻制的冰在上、 下模之溺断裂的琉象经常发生。溜而用燕水冻冰也是解决泳面倾斜问题 的滑效方法。 熟冰球锏睹婚水璩制藤 霉2 ，4 窝熟拳、冷承冻成秘券盘毙较 另外，在制作冰盘时，为防止冰面倾错、防止冰盘在上、- f 模接台 萄楚断裂，也可畿下摸内弱往内登潮一胬o 。1n l n l 薄的金属袄片，高度 不欠于下横内圆柱的深度岛上模内躁锥深度之和。姆上模扣在下模上， 薅胶布葑严上、下模之箴秘缝隙，之后蒋熟承双注水乳注入。然詹将整 体教入冰粗，下模在下，上模在上。冷冻2 4 小时胎取出，拔去下摸及 套璃嚣，帮褥到霹需菘盘。由于装模辑需簿阀较长，承面会嚣稿许溶丰艺， 需再将冰盘放回冰糖冷冻1 个小时左右，取出即可用于抛光加工。 冰盘制谗过嚣如莲2 s 辑示+ l 鑫 图2 5 冰盘制作过程框图 2 1 3 工件盘的制备 工件盘的材料也选用尼龙。结构如图2 6 所示。工件盘直径为6o m m 左右，工件槽尺寸视工件而定。盘厚15 m m - 2 0 m m 。工件粘在工件槽中， 需比槽顶高出1m m 。工件槽有利于加工过程中融化的水顺利排出。所 用_ t - 件均是金属材料，选用50 2 胶水将工件粘于工件槽中。若是多个s - 件，几个工件表面应位于同一平面，为此，粘工件的步骤如下：将工 件加工平面朝下( 若多个工件，工件高度必须相同) ，放在干净的平板 之上，调整位置，使其与工件槽的位置相对应。在工件槽中对应位置 涂抹适量5 0 2 胶水。将工件槽对准工件压下，使工件粘在x - 件槽内。 为使加工时，工件盘相对冰盘稳定旋转，工件应对称布置，可布置的工 件数为一、二、四，布置方式如图2 6 所示。 联：意 盼 命船碜 图2 6 工件盘的结构及试件排放位置图 2 2 金属材料冰盘抛光的加工工艺 2 2 1 坯料的准备 l7 本实验j j 口s - 的坯料材料均为金属材料，分别为4 5 钢、l y l2 硬铝合 金和y g 6 硬质合金。采用冰盘抛光前，l y l 2 硬铝合金的预加工由超精 密车削加工完成，y g 6 硬质合金由平面高速研磨机固着磨料抛光，4 5 钢 由普通金相抛光机抛光。所选x - 件坯料尺寸分别为：l y l2 硬铝合金为 1 0 m m 1o m m ，y g 6 硬质合金为7 m m i5 m m ，4 5 钢为m 15 m m 。 2 2 2 冰盘表面的预抛光 冰盘表面的预抛光是指在正式抛光工件之前对冰盘表面的修整加 工。参与抛光的冰盘表面应光滑，倾斜度小。下模表面的不平整反映到 冰面上，使冰面粗糙。冰膨胀不均匀造成冰面倾斜，去下模后将冰盘放 入冰柜再取出时，冰面会形成高低不平的霜花。通过预抛光可使冰面变 得光滑，并改善表面倾斜状况，使冰盘抛光工件时更加平稳，振动也减 小。 冰面预抛光所用的预抛光工件盘的大小、形状与3 - 件盘完全一样。 其上的工件和工件布置也与正式抛光工件时一致。所用x - 件为表面粗糙 度仅为l n m 左右的k 9 玻璃。预抛光时间定为1 0 - 15 分钟。 2 2 3 工件的抛光 冰盘对工件的正式抛光每次进行50 分钟，然后，换冰盘进行下一 次抛光。 2 2 4 工件抛光后的表面处理 工件每次抛光完成后，表面都会残留水珠。若不及时处理，金属材 料表面会被氧化，不利于测量。如果马上用吹风机直接烘干，水的挥发 时间长，烘干后，留有水渍，影响测量结果，而且工件表面长时间处于 高温状态会被破坏。实验中，采用易挥发的高纯度酒精，对 s a y - 后的工 件表面先进行清洗，然后烘干，再进行工件表面粗糙度的测量。 2 2 5 实验结果 抛光试验时，机床转速可调整，冰盘中心与试件中心具有偏心量， 偏心量可调。试件被固定在_ t - 件盘中，其背面由机床汽缸活塞杆顶端的 压头对试件施加一定的压力，压力也可根据需要进行调整。本实验在改 变抛光速度、抛光压力、试件材料等参数的条件下进行，每抛光一次结 束后，在w y k o 非接触表面轮廓仪上测量试件表面粗糙度r a 值，实验务 表2 - i4 5 漳炎钢表面糖光患测褥粒艇度r a 氆单位： 册原燃蛾；黧捻；篡麓，。篱蕊 篁塑煎墅i ：! ! ：! ! i ：塑一型王 竺一剧缃糙变。鬣箍；篱蕊。篱淼， 疆运聂 二五 二二五 瓦r 一焉 一“一m_h表2 - 3 l y l 2 铝合金表面掘竞詹涮得粗鞭度r a 德单住：n m 试特侧铡镀 。兰啾炒 第二坎抛光第三次舭 i j _ _ 一二j 鳖望墅坚墼竺垄! ! 坚竺型!型型坠垒i ! ：! ! ! ：! ! ! ：! ! 一! 匠二 努蹬奈件：主 女压强：0 0 0 1 m p a 、偏心距：5 m m 、抛光时间：5o m i f l 2 。3 。1 飞溅农漓秘溶零混金浆戆 芝学成分努辏 在抛光加工过程中，我们通过收集飞溅的水滴以及冰盘和工件上的 冰拳混合物，用等辫子体竞谤法务餍谱法( i c p a e s m s ) 逐霉亍成分化验。 化验结果见表2 - 4 。 表2 - 4 去离子水及被加工试停水榉化学成分分据 兰! 釜! 墨美! 釜墨一 a i 氢键 范德瓦尔斯键的顺序排列。所以通常，由于金属与 水之间作用的是范德华力，较其他结合能弱，水在常温下不会很快与金 属发生反应。但是由于实际接触表面存在各种缺陷，诸如晶体结构、晶 格畸变、表面晶体取向以及偏聚效应、位错、弛豫、台阶等，都会使表 面原子处于较高能量的不稳定状态，这时，冰盘相对试件高速旋转，机 械能的提高也会使接触面问的绝对温度发生变化，使界面问两表面的表 面自由能增高。各种缺陷能的综合作用，极大的削弱了金属表面原子间 的结合能，在机械能的作用下，处于高能量的金属原子会向低能处移动， 导致一部分金属原子从表面分离，使得被加工表面趋于光滑。由试验结 果看，这时的金属试件表面粗糙度随抛光时间的延长，仍会有所降低， 但下降的幅度很小，为纳米量级。达到纳米级的加工表面，金属表面原 子能量均相对降低，表面原子相对稳定。这时若想进一步降低粗糙度， 所需的机械能就要更大。实验证明，增大转速，可进一步获得更低的表 面粗糙度。但受到机床限制，目前转速超过4 0 0 以上机床振动。 30 第四章从微观理论出发研究冰盘抛光机理 4 1 结合键岛结合能 霹态金属或合金为凝聚态，在凝聚态下，原子闷距离十分接逡，产 生了原子间的作用力，使原子结合在一起，形成原子结合键。结合键不 嗣反睫了结合力黪强弱。金属或合金内害爨予蠲酶鲒合为金属捷结合或 混合键的结合。原子问结合力、结合能与结合键的关系可用双原子模型 来说谚“。如图4 1 辑示。霹侮燕子阗逶常存在海静力，一是吸；l 力， 来源于异类电荷的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥力。 h - r 骶 世 、 | 叹引力 鸯兔厂 ， 秆髓 i v 工a ” r 娄 i 譬r 0 蚕 i i ； j 粤 秆碱 毽4 。1 嚣予鞫诈建力与薛瑙位瞧跌芨茹孝与嚣子褥琵f 酶关系 根据霹仑定律，吸引力和排斥力均随着原子间距的增丸而减小，但 二孝减一 、的媾况不爨，搀蓐力具骞短程力的蛙震，帮墨距离 鼗远醛，薅 斥力很小，只有当原子间接近至电子轨道点相重叠时，排席力才明艇增 大，著超过嗫；l 力。当晶体愿子处于乎鬻饺显露，露子之麓始距离为 r o ，此时吸引力与排斥力相等，原子间结合能为e 。处于最低位置，这是 最稳定状态。当晶捧受到鳍力锥用，原子将离秀乎袋强置，金属受拉德 时原子间距增大，产生吸力，使其缩回到平衡位蔑1 - 。，金属受压缩时， 3l 原予间距减小，将产生斥力，使其1 辫到平衡位置r n ，原子之间结合力与 缝合能翡美系每下式蕊示： t n f ：一竺。霪：一 融 狲 3 结合能的大小相当于把酶个原子究全分开所需作的磅，结合能政越大， 源予结合越稳定。不商妁结合穗赡合能不嗣。一般，离子键结合能) 共 价键结合能 金属犍结合能 范德瓦艇断、氯键结合能。对本试验中所用 金蕊试侍4 5 洚欠钢、疆硬质夸空，l y l2 硬铝参念约结合能甄均可诗 算褂出。 金蓬褥耨疆金蕊捷露合反壤了其吴煮翡特定翡秘理、力学强聪。 物理性能：由于金属键结合是依靠金属原予失去外壳层价电子形 燕菇褰亍与蠢电电子之阚昶要嗫 辩缝合，辑政金臻婕穗缝合方式没有 方向性，塞属原子趟于密集排列，得到简单的原予密排结构。 力学桩穗：从擞怒霸度囊，蘸舔在外力葬用下，发垒漤蛙雯影， 对应着原子间距的楚化，原于问的结合相出于很多小弹簧的连接，如图 。2 辑示。缭参巍是影喻弹性蟆量b 的主要霹素，臻合l 越走，箨挂模 量越大，材料强度越高”“。 囤4 2 原子问结合力的性质模拟 4 2 遴怒金耩麴晶体结构 通常，典型金属其毒馥心立方a i 或f c c ) 、捧心立穷( a 2 或b e e 和密擗六方( a 3 或h c p ) 三种晶体结构。如果把金属原予看成刚性小球， 根撼金属键没有方惫性静饱和性的慷质，按照能量最低的蟪点；鼹予阕 都显现盎最紧密翡排列。 32 本试验中试件材料为4 s 钢、y g 6 硬质合金和l y l2 硬铝合金。关于 4 5 钢晶舔始翡，是碳存在于获砖阚骧幸影成鼹凄陈式霹溶俸绪约。蔹 在9 1 2 c 时又由d - f e ( 体心立方) 变为y - f e ( 面一心立方) ，由f e - c 相 图分析45 锏成分为盯一f e + f e ，c 。关于y g 6 硬质合金，硬质相为w c ， 菇结趣为e o ，为篱单六方鑫俸露稳，l f 1 2 硬鳍合盒为彝心立方螽俸结 构。 4 + 3 豢体缺陷 实际靠套属蕞体材糖+ 整形成、制造加工过程中，由于受到诊界拳 停温度、栽荷等) 的影响，存在菇体歃稻，从而形成各种类型的敞陷 形成能，削弱了金属