评价金刚石刀具各向异性的周期键链模型

金刚石刀具机械研磨时会表现出很强的各向异性,因此寻找合适的模型来定量地描述该各向异性成为亟待解决的问题.通过深入分析金刚石刀具机械研磨的材料去除机理,使用周期键链(PBC)理论建立了定量描述金刚石刀具机械研磨各向异性的PBC模型.然后使用该模型对金刚石晶体的典型单形进行了晶面及其"好磨"和"难磨"方向的判定.在圆弧刃金刚石刀具研磨机上对{100}和{110}晶面进行了研磨实验,{110}晶面沿<100>方向研磨时最大塑性沟槽深度为19.8 nm,<110>方向为5.1 nm;{100}晶面<100>方向为9.8 nm,<110>方向为3.5 nm,与PBC模型的结论完全一致.最后,根据该模型和金刚石刀具使用中的磨损情况得到了优选的刀具晶面组合:前刀面和后刀面均选用{110}晶面.该PBC模型将为金刚石刀具的机械研磨提供有力的技术支持.     

聚焦离子束加工单晶体金刚石刀具实验研究

作为超精密切削加工刀具的理想材料,单晶体金刚石材料的加工制造方法直接决定了刀具切削加工表面的精度和质量.由于金刚石材料具有明显的各向异性,在传统的金刚石刀具机械刃磨法中需要综合考虑制备工艺和刀具性能的协同关系,主要包括不同晶面表现出显著的物理机械性能差异、不同晶向存在显著的难磨和易磨方向等.本文针对聚焦离子束(FIB)技术加工金刚石刀具的过程中,金刚石材料性质对聚焦离子束加工质量、加工效率的影响规律等关键工艺开展了研究.研究发现,与传统的机械刃磨法相比,聚焦离子束加工是基于高能离子束的轰击溅射实现材料的去除,聚焦离子束加工中存在的级联碰撞现象显著弱化了金刚石材料各向异性的影响.     

高速空气静压轴承的精密动平衡

圆弧刃天然金刚石刀具是加工各类复杂曲面零件的重要工具．在其刃磨过程中,机床主轴的端面跳动严重影响刀尖圆度和刃口半径,进而影响到加工表面的完整性．基于金刚石刀具研磨机床空气静压轴承的动平衡原理,通过现场动平衡实验,能够将主轴轴向振动的最大幅值控制在0．084μm以下,从而可以刃磨出满足超精密加工要求的高质量金刚石刀具．刃磨出的金刚石刀具刃口半径值可以达到0．05μm以下,7／尖圆弧圆度提高到0．2μm以内．     

铝基碳化硅精密铣削刀具磨损实验研究

针对铝基碳化硅切削加工中刀具易磨损、寿命低、切削难度大和加工成本高等问题,选用不同材料的硬质合金铣刀及金刚石铣刀进行切削加工实验,并利用扫描电镜和工具显微镜对高体积分数铝基碳化硅铣削时刀具磨损形态进行了分析研究.研究表明:硬质合金刀具前刀面和刃口磨损主要形式为粘结磨损和微崩刃,后刀面磨损主要为刻划磨损,而金刚石铣刀加工时刀具磨损很小;YG6X铣刀材料微观组织致密,抗磨损能力较强,宜粗加工时选用;金刚石刀体的硬度远大于SiC颗粒,且金刚石与工件的摩擦系数小,金刚石铣刀寿命远大于硬质合金铣刀,宜精加工时选用.     

一种X射线衍射线形分析中位错衬度因子的计算方法

基于Teodosiu各向异性弹性理论计算位错产生的位移场,建立适用于各滑移系中位错衬度因子的计算公式。以立方晶体为实例,对计算过程进行了化简。给出了f.c.c晶体Cu和b.c.c晶体Fe中分布于12个滑移系中位错在8种衍射面指数下的衬度因子,将计算结果同文献进行了对比。对历经不同应变准静态压缩加载的无氧铜开展了X射线衍射实验,阐述了衬度因子在消除衍射谱各向异性展宽中的作用。结合衍射线形分析,获取了样品中的亚晶粒尺寸、螺位错比例和位错密度。     

聚焦离子束技术制造金刚石切削刀具的研究

概述了基于聚焦离子束（Focused Ion Beam,FIB）加工技术制备金刚石切削刀具的相关研究进展,并介绍了金刚石刀具在超精密加工领域的研究背景及其制造现状。作为一种先进的微纳制造技术,聚焦离子束已在微尺度金刚石刀具制造研究中发挥了重要作用。针对金刚石刀具的刃口半径、刃形精度等核心参数,国内外相关研究者开展了聚焦离子束制造方法与工艺优化研究,实现了高质量刀具的制造,聚焦离子束加工可获得刃口半径为15～22nm的金刚石刀具制造。从微观切削基础和微纳光学元件制造两个角度,论述了聚焦离子束制造金刚石刀具的应用研究进展,介绍了其在纳米切削机理、微纳尺度光学元件制造中的应用。最后从提高FIB制造效率、应用研究拓展等角度,对该领域未来的发展进行了展望。     

微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧的测量及评价

为实现对微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧的评价,提出了一种基于高分辨率扫描电镜图像的评价方法,并对刀尖圆弧轮廓提取、轮廓曲线拟合、圆弧度评价等算法进行了研究.首先,运用Canny边缘检测算子提取刀尖圆弧图像的二维轮廓数据,并用移动最小二乘法对该数据进行拟合,使所提取轮廓光滑化;接着,建立了基于最小二乘准则的刀尖圆弧评价模型,并采用二次序列规划法对模型进行求解;最后,分析了轮廓拟合误差、测量不垂直度误差对刀尖圆弧评价结果的影响,并计算了刀尖圆弧半径及圆弧度不确定度值.实验结果表明所评价微圆弧金刚石刀具的刀尖圆弧半径为30.213μm,圆弧半径不确定度为351 nm,圆弧度为0.114μm,圆弧度不确定度为24 nm.由评价结果可以看出,本文所提出的方法可以实现微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧纳米级精度的测量及评价.     

单晶金刚石切削模具钢磨损机理的分子动力学仿真

为了研究金刚石刀具切削模具钢过程中刀具的磨损机理,建立了金刚石切削模具钢的仿真模型.通过观察切削过程中金刚石原子空间角度变化情况,分析刀具的切削温度、径向分布函数(RDF)和配位数,进一步阐明了金刚石纳米级切削铁的过程中刀具的微观磨损机理,并利用金刚石刀具的磨损实验验证仿真结果.结果表明:铁原子含有未配对d电子,并且铁在(111)面上与金刚石(111)面上的原子符合垂直对准原则,这两个原因导致铁易与金刚石原子形成化学键,与金刚石(111)面上符合垂直对准原则的铁原子同时驱动金刚石原子运动,促使金刚石结构转化为石墨结构.进行了金刚石磨损实验,结果表明:铁与金刚石中的碳产生碳化铁,刀具由金刚石结构转变为石墨结构,铁对金刚石石墨化具有催化作用.     

金刚石刀具研磨声发射信号的非高斯性特征分析

为确保金刚石刀具的制备效率和质量,采用声发射信号作为监测手段对金刚石刀具的精密研磨辅助进行过程调控.然而,该声发射信号的有效特征不能通过传统的信号处理方法辨识,实际研磨中仅能通过人工监听和操作经验定性判断.因此,本文从砂轮磨粒与刀具研磨面的微观接触特点出发,采用泊松过程模型对金刚石刀具研磨中声发射信号的激励机制进行了分析,阐明该信号具有非高斯性特征,采用线性系统理论阐明这一特征可被不失真地传输和接收,同时也给出了该信号高斯化近似的约束条件.最后通过工艺实验验证了该声发射信号的非高斯性特征在金刚石刀具研磨过程中的存在性,也证实了这一特征不受研磨速度和研磨压力等工艺参数的影响,而是与刀具研磨面的耐磨方向存在固有关联关系,从而为声发射信号监测在金刚石刀具研磨自动化系统中的合理应用奠定了方法基础.     

WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具研究现状

化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)金刚石涂层刀具具有高硬度、优异的耐磨性、良好的冲击韧性和化学稳定性,能满足高效率、高精度的加工要求,逐渐成为切削铝和高硅铝合金、碳纤维增强复合材料及石墨等轻质量高强度难加工材料的主流涂层刀具。基于WC-Co硬质合金为基体的CVD金刚石涂层刀具在切削加工过程中容易发生CVD金刚石涂层的剥落,自主研发结合性能优良、长时间加工稳定的WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具仍是该领域国内外发展的必然趋势。目前,研究者为了提高WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的结合性能,采用化学刻蚀法和机械处理法相结合去除WC-Co硬质合金基体表层中的Co粘结相,发现其能增强涂层与基体的结合强度,但基体表层Co粘结相含量的减少容易导致基体中形成脆化层,降低基体的强度和韧性。为了减少基体的强度和韧性损失,研究者在WC-Co硬质合金基体和金刚石涂层之间制备稳定的含Co中间化合物或沉积中间层,成功阻挡Co粘结相的热扩散。除了上述方法外,研究者还通过调控金刚石涂层工艺参数和结构,将微米晶与纳米晶金刚石层叠相结合,来提高金刚石涂层刀具的摩擦学...     

超精密切削单晶硅的刀具磨损机理

为了研究超精密切削单晶硅过程中金刚石刀具后刀面发生急剧磨损的机理,对单晶硅（111）晶面进行了超精密切削实验,并采用X射线光电子能谱分析仪对单晶硅已切削表面进行化学成分分析.实验结果表明：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.     

超精密车削金刚石刀具刃口误差的高精度补偿

超精密车削中的金刚石刀具刃口误差的补偿问题一直是制约高精度非球面车削直接成形的瓶颈技术,尤其对于大相对口径,深度非球面的车削,金刚石刀具刃口误差对最终的面形的影响非常大.传统补偿方法是根据轮廓仪的测量结果对刀具刃口误差进行修正,但是该方法存在测量时间长,高频误差大,加工效率低的缺点,本文最先提出利用车削表面面形误差拟合...     

结构面抗剪强度各向异性研究中试样获取方法有效性分析

结构面抗剪强度的各向异性特征对工程岩体的力学性质、变形特性和稳定性分析都具有重要意义。结构面试样获取方法对抗剪强度各向异性特征的研究具有重要影响。为了对比不同试样获取方法在结构面抗剪强度各向异性研究中的有效性,分别对直接截取的圆形、方形和旋转截取的方形试样进行抗剪强度各向异性特征的对比分析。选取1 m×1 m的天然板岩结构面作为研究对象,采用三维激光扫描法获取结构面三维形貌特征,截取研究位置处圆形、方形和旋转方形试样进行对比评价。研究表明：直接截取的方形试样沿不同剪切方向产生的剪切面积不同,选用圆形试样更能反映结构面抗剪强度的各向异性特征;旋转方形与圆形试样的抗剪强度统计误差小于直接截取的方形与圆形试样的统计误差值,且旋转方形与等面积圆试样的抗剪强度各向异性特征最接近,两者统计误差最小、相似度最大,大于0.9987,当圆形试样不具备实验条件时,可选用旋转截取的等面积方形试样进行结构面抗剪强度的各向异性研究。该研究可为选取结构面试样获取方法提供参考和借鉴,为准确开展抗剪强度各向异性研究提供依据。     

KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能的研究

压痕和刻划实验是测量材料弹性、塑性和断裂行为的最简单方法,磷酸二氢钾(简称KDP)作为优质的非线性光学材料,常用作光学频率转换器件和电光开关元件,一般采用单点金刚石削的方法加工此类零件.为了深入了解KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能的变化规律,本文对KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能指标如硬度H、断裂韧性Kc和残余应力σr方面的有关问题进行深入研究,并通过对KDP晶体(001)面不同晶向上的硬度检测,系统分析了KDP晶体加工表面晶向对材料硬度、断裂韧性和残余应力的影响,研究结果表明:KDP晶体的同一晶面的不同晶向硬度和断裂韧性具有强烈的各向异性.     

单晶金刚石机械研磨结合化学辅助机械抛光组合加工工艺

单晶金刚石因具有最高的硬度和最低的摩擦系数常被用来制备超精密刀具,而表面粗糙度是影响刀具寿命的重要指标.提出采用机械研磨结合化学辅助机械抛光的组合工艺抛光单晶金刚石.实验优化并确定的加工工艺如下:先用5μm和2μm金刚石粉研磨单晶金刚石表面,然后采用化学机械的方法去除机械研磨带来的损伤.用该工艺抛光单晶金刚石,表面粗糙度Ra可达0.8 nm(测量区域70μm×53μm).表面拉曼光谱分析表明化学机械抛光的表面只有1 332 cm-1拉曼峰.     

温度对金刚石刀具影响的理论模型和实验分析

为减小大型金属反射镜在金刚石车削中，刀具的热变形对加工精度的影响，研究了金刚石刀具在温度影响下的热变形规律，结合俄罗斯在热力学方面的研究成果，根据金刚石晶体和刀体的热膨胀系数和导温系数的不同，建立了刀具变形量随温度变化的理论计算模型，并采用高精度的热像仪和电感测微仪记录刀具的温度变化和变形量，发现当温度从23．4℃升高到32．1℃时，刀具变形量达到1．48μm．     

基于Abaqus的微铣刀几何结构参数优化

针对微细铣削加工过程的特点,建立了微铣刀结构模型并利用Pro E软件进行了微细铣刀的结构设计,采用Abaqus软件通过有限元仿真方法比较不同结构参数的微铣刀的模态及抗断裂强度,获得了各阶模态固有频率和振型,以及微铣刀结构上的应力分布情况与特点,分析了刃口直径为50μm微铣刀的刀具悬伸量及刀具尖端几何形状对刀具性能的影响,从而获得了适合加工的几何结构参数.通过聚焦离子束(FIB)方法制备了刃口直径为50μm的微铣刀,在不同基底材料上进行了微铣削加工实验研究,并通过扫描电子显微镜(SEM)高分辨率地观测并分析了铣削效果以及微铣刀的磨损情况,探讨了几何形状以及实际偏心量对刀具的影响并评价了不同几何形状微铣刀的性能.     

PVDF对芳纶无纺布/环氧树脂共固化复合材料力学和阻尼性能的影响

为评价热塑性结晶聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)对共固化复合材料动态力学和阻尼性能的影响,首先,将PVDF负载到芳纶无纺布(ANF)上,采用共固化工艺制备了PVDF-ANF/环氧树脂(EP)结构阻尼复合材料。然后,利用动态机械分析仪测试了PVDF-ANF/EP复合材料的损耗因子、损耗模量和储能模量的温度谱;通过弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度的测试评价了复合材料的静态力学性能;通过单悬臂梁振动实验测试了复合材料的共振频率及自由振动衰减曲线,并计算了损耗因子;通过I型、II型层间断裂韧性实验及断面微观形貌的观察研究了复合材料的断裂韧性及增韧机制。最后,对复合材料的微观结构进行分析,探讨了其兼具力学性能和阻尼性能的结构内因。结果表明:通过在ANF表面负载PVDF,可在不引起复合材料力学性能明显下降的前提下,进一步提高PVDF-ANF/EP复合材料的阻尼性能和层间断裂韧性,复合材料的损耗因子提高了33.3%,I型和II型断裂韧性分别提高了168%和208%。     

非均匀复合材料中反平面裂纹的动态断裂力学研究

对于非均匀复合材料中多个裂纹的动态断裂力学问题, 提出了一种分析方法, 假设复合材料为正交各向异性并含有多个垂直于厚度方向的裂纹, 材料参数沿厚度方向为变化的, 沿该方向将复合材料划分为许多单层, 假设单层材料参数为常数, 应用柔度矩阵/刚度矩阵方法及Fourier变换法, 在L aplace 域内推导出了控制问题的奇异积分方程组, 并用虚位移原理求解, 给出了应力强度因子及能量释放率的表达式, 然后利用Laplace 数值反演, 得出了裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率。作为算例, 研究了带有两个裂纹的功能梯度结构, 分析了材料参数的优化对降低应力强度因子的意义。      

基于宏微观分析的碳纤维增强高分子复合材料强度性能表征

微观力学强度理论(MMF)是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论。通过对碳纤维/树脂(UTS50/E51)复合材料单向层合板进行纵向、横向静载拉伸、压缩和弯曲试验, 得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标。建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械载荷应力放大系数和热载荷应力放大系数。结合获取的应力放大系数及试验测得的单向层合板宏观强度, 计算出层合板组分的MMF强度特征值。绘制了基于MMF强度理论的层合板破坏包络线, 并与Tsai-Wu失效准则预测结果进行对比。实现了对UTS50/E51层合板MMF强度特征值的表征。