单晶金刚石刀具后刀面沟槽磨损的石墨化生成过程分析（英文）

单晶金刚石刀具切削单晶硅时后刀面会发生剧烈沟槽磨损,严重影响零件加工质量和刀具寿命。为了从金刚石石墨化转变角度揭示沟槽磨损生长扩展机制,建立了金刚石刀具后刀面具有初始沟槽的分子动力学模型,模拟了切削单晶硅时初始沟槽处的工件材料流动行为与金刚石刀具晶体结构变化情况。结果表明,初始沟槽的存在改变了工件材料的流动状态;并且这种材料流动引起了刀具初始沟槽附近温度和能量的变化,温度升高了8%,势能提高了1.4%;通过分析金刚石刀具晶体结构发现,初始沟槽处的刀具材料发生了石墨化转变,并通过计算采样点处原子间键角,得到了石墨化转化率随着切削的进行不断升高,并最终趋于恒定的规律,当切削进入到稳定切削阶段时,石墨化转化率约为6%。     

单晶硅纳米切削中C–C键断裂对金刚石刀具磨损的影响

本文基于分子动力学方法模拟金刚石刀具纳米切削单晶硅, 从刀具的弹塑性变形、C–C键断裂对碳原子结构的影响以及金刚石刀具的石墨化磨损等方面对金刚石刀具的磨损进行分析, 采用配位数法和6元环法表征刀具上的磨损碳原子. 模拟结果表明: 在纳米切削过程中, 金刚石刀具表层C–C键的断裂使其两端碳原子由sp³杂化转变为sp²杂化, 同时, 表面上的杂化结构发生变化的碳原子与其第一近邻的sp²杂化碳原子所构成的区域发生平整, 由金刚石的立体网状结构转变为石墨的平面结构, 导致金刚石刀具发生磨损; 刀具表面低配位数碳原子的重构使其近邻区域产生扭曲变形, C–C键键能随之减弱, 在高温和高剪切应力的作用下, 极易发生断裂; 在切削刃的棱边上, 由于表面碳原子的配位严重不足, 断开较少的C–C键就可以使表面6 元环中碳原子的配位数都小于4, 导致金刚石刀具发生石墨化磨损.     

单点金刚石车削加工切削距离的计算

讨论了大型金属反射镜在金刚石车削中,金刚石刀具的磨损对加工精度的影响;详细介绍了超精密加工中几种典型零件形状单点金刚石车削加工的切削距离计算方法,经计算在加工直径为1000mm的圆盘工件时,当刀具的进给量为2μm/r,切削距离达到近400km。通过计算为加工大型光学元件刀具磨损规律的研究提供分析基础。     

氧化硅团簇切削单晶硅粗糙峰的分子动力学模拟研究

应用分子动力学模拟方法研究了氧化硅团簇在不同的切削 深度下切削单晶硅粗糙峰的过程, 考察了切削过程中粗糙峰和氧化硅团簇形态变化、团簇的受力状况、粗糙峰原子配位数和温度分布等. 模拟结果表明: 切削深度小于0.5 nm时, 被去除的材料以原子或者原子簇形式存在, 并黏附在颗粒表面被带走; 当切削深度增大至1 nm时, 材料的去除率增大, 并形成大的切屑. 在切削过程中, 由于压力和温度的升高, 粗糙峰切削区域的单晶硅转变为类似Si-Ⅱ相和Bct5-Si相的过渡结构, 在切削过程后的卸载阶段, 过渡结构由于压力和温度的下降转变为非晶态结构.     

切削参数对新型光学铝级金刚石车削刀具磨损的影响

光学器件和光学测量系统的关键部件主要通过超精密加工制造。铝合金具有很多优势,通常用于光子产业。光学领域对铝合金使用和需求的不断增加,促进了在铸造过程中采用快速凝固技术对铝合金等级重新改良的发展。优异的微观结构和改进的机械和物理性能是新型铝合金等级的特点。目前主要问题在于采用金刚石车削时,由于在切削性方面缺乏对铝合金性能的充分研究,导致机械加工数据库非常有限。本文通过改变金刚石的切削参数,测量切齿安装距超过4km时金刚石刀具的磨损,研究了快速凝固铝合金RSA 905的切削性能。改变的机械加工参数为切削速度、进给速度和切削深度。结果表明切削速度对金刚石刀具的磨损影响最大。主轴转速为500rpm、进给速度为25mm/min、切削深度为15μm时,刀具磨损达到最大值12.2μm;主轴转速为1750rpm、进给速度为5mm/min、切削深度为5μm时,刀具磨损达到最小值2.45μm。通常,较高的切削速度、较低的进给速度和较短的切削深度的组合可以减少金刚石刀具磨损。建立了模型统计以分析金刚石刀具磨损。通过该模型可以生成磨损图,从而确定切削参数产生最小磨损的区域。结果证明,快速凝固铝是更好的选择,为机械工程师使用这种材料提供了参考。     

切削参数对新型光学铝级金刚石车削刀具磨损的影响（英文）

光学器件和光学测量系统的关键部件主要通过超精密加工制造。铝合金具有很多优势,通常用于光子产业。光学领域对铝合金使用和需求的不断增加,促进了在铸造过程中采用快速凝固技术对铝合金等级重新改良的发展。优异的微观结构和改进的机械和物理性能是新型铝合金等级的特点。目前主要问题在于采用金刚石车削时,由于在切削性方面缺乏对铝合金性能的充分研究,导致机械加工数据库非常有限。本文通过改变金刚石的切削参数,测量切齿安装距超过4 km时金刚石刀具的磨损,研究了快速凝固铝合金RSA 905的切削性能。改变的机械加工参数为切削速度、进给速度和切削深度。结果表明切削速度对金刚石刀具的磨损影响最大。主轴转速为500 rpm、进给速度为25 mm/min、切削深度为15μm时,刀具磨损达到最大值12.2μm;主轴转速为1 750 rpm、进给速度为5 mm/min、切削深度为5μm时,刀具磨损达到最小值2.45μm。通常,较高的切削速度、较低的进给速度和较短的切削深度的组合可以减少金刚石刀具磨损。建立了模型统计以分析金刚石刀具磨损。通过该模型可以生成磨损图,从而确定切削参数产生最小磨损的区域。结果证明,快速凝固铝是更好的选择,为机械工程师使用这种材料提供了参考。     

AFM针尖纳米切削晶向和切削方向影响的分子动力学

"建立了AFM针尖切削单晶铜的三维分子动力学模型,研究了工件材料不同晶向和刀具切削方向对切削过程中工件材料变形的影响．采用EAM势计算工件原子之间的作用,采用Morse势计算刀具原子之间的作用．模拟结果表明工件材料晶向和切削方向对纳米切削过程有显著影响．沿[110]方向切削比[100]方向切削产生的切屑结合更紧密,切削工件材料(110)晶向比切削工件材料(100)晶向产生的切屑体积更小,工件材料变形区域更小．研究了工件材料晶向和切削方向组合的不同纳米切削过程中系统势能变化情况．"     

冲击引起石墨→金刚石相转变机理的探讨

 通过对冲击引起石墨转变为金刚石两种相转变模型的比较和冲击波在疏松介质中传播特性的分析,研究了在冲击波阵面内形成热斑的机制和引起原子发生异常迁移的机制,进而探讨了在冲击波阵面内,在热斑区,石墨→金刚石的相变过程,以及卸载时金刚石的石墨化过程。     

高压熔渗生长法制备金刚石聚晶中碳的转化机制研究

在6 GPa和1500 ℃的压力和温度范围内, 利用高压熔渗生长法制备了纯金刚石聚晶, 深入研究了高温高压下金刚石聚晶生长过程中碳的转化机制. 利用光学显微镜、X-射线衍射、场发射扫描电子显微镜检测, 发现在熔渗过程中金刚石层出现了石墨化现象, 在烧结过程中金刚石颗粒表面形貌发生了变化. 根据实验现象分析, 在制备过程中存在三种碳的转化机制: 1)金属熔渗阶段金刚石颗粒表面石墨化产生石墨; 2)产生的石墨在烧结阶段很快转变为填充空隙的金刚石碳; 3)金刚石直接溶解在金属溶液中, 以金刚石形式在颗粒间析出, 填充空隙. 本文研究碳的转化机制为在高温高压金属溶剂法合成金刚石的条件下(6 GPa和1500 ℃的压力和温度范围内)工业批量化制备无添加剂、无空隙的纯金刚石聚晶提供了重要的理论指导.     

纳米金刚石在惰性气氛下的热处理

本文采用不同分析手段(其中包括TEM、SEM、RS和DSC等)对纳米金刚石粉末在惰性气氛下的25 1200℃热处理效应进行了深入细致的研究。研究发现经过热处理的纳米金刚石粉末在颗粒形貌和结构方面均存在不同程度的变化,Raman光谱和DSC分析还证实了纳米金刚石粉末在约751℃左右经历了石墨化的转变,该相变温度远低于体材料金刚石,原因在于粉末材料的纳米尺度效应。     

Molecular dynamics simulations of diffusion of carbon into iron

Molecular dynamics (MD) simulations of diffusion couple tests were conducted between carbon (diamond/graphite) and iron at three different temperatures (300, 800 and 1600 K) and contact times (0, 40 and 80 ps) to investigate the chemical interaction between carbon and iron. Two different carbon structures, namely, diamond (cubic) and graphite (hexagonal), were considered. Diffusion of carbon into iron was observed only when a graphite interlayer was added to the diamond surface. When diamond alone was used, no diffusion was observed. This result provides corroborating evidence that diamond tool wear in the machining of iron occurs via a mechanism that involves an initial graphitization of diamond followed by diffusion of the newly formed graphite into the iron workpiece.     

Application of gas-fluid atomization technology in ultrosonic vibration cutting titanium alloy workpiece

Acoustical Physics - To further improve machined surface quality of diamond cutting titanium workpiece and reduce diamond tool wear, it puts forward a kind of machining technology with mixture of...     

Study on tribological behavior and cutting performance of CVD diamond and DLC films on Co-cemented tungsten carbide substrates

The tribological behaviors of diamond and diamond-like carbon (DLC) films play a major role on their machining and mechanical applications. In this study, diamond and diamond-like carbon (DLC) films are deposited on the cobalt cemented tungsten carbide (WC-Co) substrate respectively adopting the hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) technique and the vacuum arc discharge with a graphite cathode, and their friction properties are evaluated on a reciprocating ball-on-plate tribometer with counterfaces of silicon nitride (Si₃N₄) ceramic, cemented tungsten carbide (WC) and ball-bearing steel materials, under the ambient air without lubricating condition. Moreover, to evaluate their cutting performance, comparative turning tests are conducted using the uncoated WC-Co and as-fabricated CVD diamond and DLC coated inserts, with glass fiber reinforced plastics (GFRP) composite materials as the workpiece. The as-deposited HFCVD diamond and DLC films are characterized with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction spectroscopy (XRD), Raman spectroscopy and 3D surface topography based on white-light interferometry. Furthermore, Rocwell C indentation tests are conducted to evaluate the adhesion of HFCVD diamond and DLC films grown onto WC-Co substrates. SEM and 3D surface topography based on white-light interferometry are also used to investigate the worn region on the surfaces of diamond and DLC films. The friction tests suggest that the obtained friction coefficient curves that of various contacts exhibit similar evolution tendency. For a given counterface, DLC films present lower stable friction coefficients than HFCVD diamond films under the same sliding conditions. The cutting tests results indicate that flank wear of the HFCVD diamond coated insert is lower than that of DLC coated insert before diamond films peeling off.     

平面研磨加工中工件转速的理论分析

平面研磨加工中工件转速决定了磨具与工件间的相对运动速度分布,并进而影响磨具和工件的面形精度。在考虑了磨具上金刚石丸片的实际排列以及接触区压强的实际分布的前提下,运用力学和运动学的方法,模拟分析了在固着磨料平面研磨加工中镜盘所受的摩擦力矩。在此基础上,根据稳定加工时力矩平衡原理得出了包含转速的数学公式,并重点探讨了工件半径和偏心矩对工件转速的影响。结果表明,工件转速并不总是等于磨具转速,而是随着偏心矩的增大而逐渐增高,随着工件半径的变化发生起伏波动。     

折衍二元光学用金刚石车刀设计

栏光效应是影响折衍元件衍射效率的一个重要因素,栏光效应与加工刀具有着密切的关系。分析刀具圆弧半径与栏光效应的联系、刀具参数与元件加工后的表面粗糙度的关系以及刀具耐用度等要求,设计了加工折衍二元光学元件的金刚石刀具,给出刀具加工里程数计算公式和车削实验结果。实验结果证明:设计的金刚石刀具能够满足折衍二元光学元件的产业化加工要求,刀具耐用度较强化前提高2倍多。     

Early stages of laser graphitization of diamond

A mechanism for photographitization of a free diamond surface is proposed. The quantum-kinetic rate of this process is determined. The graphitization rate is close to zero if the activation energy of the graphitization process is taken as being equal to the binding energy of a carbon atom with the surface (i.e. equal to the sublimation energy of a carbon atom). On the contrary, if the activation energy is close to the energy of C–C bonds, the graphitization process may occur at a noticeable rate and be observed under ‘relatively smooth’ experimental conditions. The temperature rise leads to a considerable increase in the graphitization rates. Preliminary experimental data on the low-rate laser ablation of diamond are presented to support the proposed model of photographitization. An early stage of laser-induced graphitization in the bulk of diamond is also considered. It is found that the nucleation of a ‘tiny graphite drop’ is possible in the bulk of the diamond inside the focal area of a laser beam; the ‘graphite drop’ growth causing the appearance of mechanical stresses in the surrounding regions. The maximum size of the graphite drop is determined, which, when exceeded, leads to mechanical damage of the sample and to a change in the mechanism of laser graphitization. An evident mechanical criterion for laser-induced damage of diamond is proposed. Received: 2 October 2002 / Accepted: 5 October 2002 / Published online: 29 January 2003 RID="*" ID="*"Corresponding author. E-mail: stvn@stankin.ru     

中阶梯光栅刻划刀具抗磨损设计

采用DEFORM有限元分析软件模拟中阶梯光栅刻划刀具在光栅刻划过程中的应力分布,并结合金刚石晶体解理特征设计了抗磨损刀具刃口取向。当光栅刻划刀具刃尖点受最大摩擦力方向平行于金刚石晶体周期键连（PBC）方向,且刀具Z向载荷垂直于（111）晶面时,定向面与（111）晶面夹角为27°,非定向面与（111）晶面夹角为63°;光栅刻划刀具在72 g负载条件下,刻程超过17 km时,刀具刃口无崩口等缺陷。采用该方法设计的光栅刻划刀具使用寿命大大超出了传统刀具的使用寿命（刻程约0.8 km）,证明了中阶梯光栅刻划刀具抗磨损设计方法的合理性和有效性。