Fabrication of hybrid micro/nano-textured surfaces using rotary ultrasonic machining with one-point diamond tool

A novel rotary ultrasonic texturing (RUT) technique is proposed to fabricate hybrid periodic micro/nano-textures on flat surfaces. Different from conventional rotary ultrasonic machining, a tailored one-point diamond tool was manufactured and employed for RUT on surfaces of electroless nickel–phosphorus (Ni–P) plating. A one-dimensional longitudinal-vibration mode is used. The combined effect of ultrasonic vibration, rotation and feed motion leads to high-frequency periodic change of cutting edge׳s motion, which is the basic principle for the RUT process. Therefore, to accurately predict and control the texturing process, the cutting locus is firstly mathematically calculated. Hybrid periodic micro/nano-textures comprising linear grooves at the micrometer scale and sinusoidal grooves at the micrometer or nanometer scale were successfully fabricated on machined surfaces, which are in compliance with the results of the mathematical calculations. Different types of surface textures were generated by changing machining conditions. The surface generation mechanism of RUT is illustrated and discussed by analyzing the surface textural features, the cutting locus and the tool tip׳s geometry, including various tool faces, cutting edges, and the cutting corner. The requirements for RUT technique are concluded.     

电火花强化工艺制造金刚石镀层实验研究

为实现金刚石工具的快速制造和在线快速修复,探索了一种简单快速的金刚石表面强化工艺方法的可行性。以金刚石颗粒和钴颗粒为主要成分,采用压制工艺制作电极,并用该电极在基体材料304不锈钢板上进行电火花强化实验,探究电极的压制压力、金刚石含量、加工电流和加工时间等参数对实验效果的影响规律。用镀钛金刚石电极加工5 min,可得到表面上金刚石颗粒的表面积分数为13.5%、厚度为400μm的强化层,且该强化层具有很好的磨削性能。     

纳米金刚石膜的成核及生长特性研究

采用直流等离子体喷射化学气相沉积(DC arc pla sma jet)系统制备了纳米金刚石膜(NCD),研究了不同的金刚石成核剂溶液对NCD 膜的成核及生长的影响。研究表明,在成核剂溶液中添加二甲基亚砜(DMSO)后成核密度明显 得到提高,而 且制备的NCD膜晶粒分布均匀、致密。当金刚石粉体作为成核剂时,随着其粒径 的增大,NCD膜成核密度下降,晶粒的尺寸均匀性也变差,而粒径为5nm的金刚石纳米粒 子作为成核剂时,NCD膜晶粒间结合致密、颗粒分布均匀。最后,选择5nm的金刚石纳米 粒子和丙酮/DMSO配制的分散液作为成核剂配方,经过60min的生长 ,制备了粒径为50～70 nm的结晶性和品质良好的NCD膜,适用于高频声表面波(SAW)器件及各种光学窗口的研制。     

多孔金属结合剂金刚石砂轮磨削Al_2O_3陶瓷试验

根据多孔金属结合剂砂轮的优点,以人造金刚石、铁粉、镍铬合金钎料和造孔剂为原料,采用真空高温松装烧结工艺,制备一种多孔金属结合剂金刚石砂轮。通过一系列试验研究磨削时砂轮受力、比磨削能和磨削后陶瓷表面粗糙度在小切深快进给和大切深缓进给两种磨削条件下的变化规律,为多孔金属结合剂金刚石砂轮的使用提供试验数据。     

应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石

通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备了具有球状晶结构、棱锥形晶结构和棱柱形晶结构等3种不同表面特征的化学气相沉积(CVD)金刚石涂层工具,以提高其研磨效率。通过正交实验法研究了金刚石涂层晶粒形态、载荷、工作台转速、研磨时间等4个工艺参数对蓝宝石材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明:金刚石涂层的晶粒形态对材料去除率和表面粗糙度影响较大;球状晶结构金刚石涂层切向力较小,棱柱形晶结构金刚石涂层切向力较大;选择棱柱形晶CVD金刚石涂层工具研磨蓝宝石,在研磨加工参数为载荷0.15 MPa、转速100 r/min、研磨时间3 min时,其材料去除率为0.397μm/min,表面粗糙度为0.354μm。结果表明:提出的CVD金刚石涂层工具可用于进一步加工、研磨蓝宝石切片,去除其表面划痕,从而改善工件表面质量。     

超大孔径聚晶金刚石拉丝模具单向走丝电火花线切割加工工艺研究

基于试验研究,创新性地提出了采用单向走丝电火花线切割机床对超大孔径聚晶金刚石拉丝模具的孔形进行粗加工。以金刚石粒度为25μm的直径22 mm、厚度20 mm的超大孔径聚晶金刚石拉丝模具为例,进行单向走丝电火花线切割加工定径区、压缩区和安全角的工艺研究,得出了加工工艺曲线,确定了最优加工工艺参数,提高了粗加工效率,确保了良好的孔形精度。结果表明:选择脉冲宽度4μs、脉冲间隔40μs、峰值电流15 A、走丝速度10 m/min时,可获得较满意的加工效果。     

树脂基圆弧金刚石砂轮的在位精密成形修整技术

针对球面、非球面及自由曲面超精密磨削加工用树脂基圆弧形金刚石砂轮难以精密修整的问题,提出基于旋转绿碳化硅(GC)磨棒的在位精密成形修整技术。在分析GC磨棒和圆弧砂轮几何关系的基础上,确定修整过程中圆弧插补轨迹的补偿方法及GC磨棒运动轨迹的设计方案。采用KEYENCE激光测微仪采集砂轮圆弧特征点,表征圆弧砂轮的修整状况。研究不同粒度的GC磨棒、进给深度和圆弧插补速度对圆弧金刚石砂轮修整率和修整精度的影响规律。研究结果表明,该修整方法可根据加工曲率半径要求实现不同圆弧半径砂轮的精密在位修整,修整后可自动消除砂轮垂直方向的位置偏差;采用400#和800#的GC磨棒对D3和D7砂轮均有较高的修整率(0.7~6.7);与400#和1500#的GC磨棒相比,800#GC磨棒更适合粒度为D3和D7圆弧金刚石砂轮的精密修整;相比圆弧插补速度,进给深度对砂轮的圆弧半径尺寸误差和形状误差影响更大,进给深度越小,圆弧半径尺寸误差和形状误差越小;修整后两种砂轮的圆弧半径误差均可控制在5%以内,D3砂轮的形状误差可控制在3μm/4 mm以内,D7金刚石砂轮可控制在6μm/4 mm以内,修整后比修整前形状误差提高14倍左右。     

硬质合金激光改性协同仿生微织构对硼掺杂金刚石涂层性能的影响

目的 研制应用于超精密加工领域的高性能金刚石涂层,探究硬质合金基体表面激光微织构对硼掺杂金刚石(BDD)涂层沉积质量的影响,分析不同类型的仿生微织构对基–膜结合强度、工具切削性能的改善效果及原因。方法 在硬质合金表面使用激光脉冲制备不同类型的仿生微织构,并通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法在刀具表面沉积BDD涂层。采用数显洛氏硬度计(HRS-150)、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、白光干涉表面轮廓仪、拉曼光谱(Raman)对样品进行表征。通过压痕试验及铣削试验研究涂层的附着强度和刀具的切削性能。结果 激光微织构边缘发生表面硬化。激光微织构区域沉积BDD涂层后,基体表面缺陷显著降低,织构内部金刚石晶粒更密集,沉积质量提升,三角织构(TT)边缘的金刚石颗粒堆积坡度最缓,不同类型的织构化BDD涂层的粗糙度、金刚石纯度、切削性能及附着强度均不同,涂层附着力与表面硬度呈正相关。硼掺杂三角织构(BDTTD)涂层刀具具有最佳的切削性能。结论 织构边缘和内部具有更高的金刚石二次成核率和沉积质量。织构的存在可以提升BDD涂层的附着强度和刀具性能,并且织构边缘的涂层附着力最强,这些得益于激光烧蚀及仿生微织构对硬质合金表面的硬化及对BDD涂层内在缺陷的修复。     

金刚石粒径及含量对超音速激光沉积金刚石/Cu复合涂层微观结构及性能的影响

目的研究不同金刚石粒径及含量对超音速激光沉积金刚石/Cu复合涂层微观结构及性能的影响。方法利用超音速激光沉积技术制备金刚石/Cu复合涂层。采用扫描电镜和摩擦磨损测试对涂层的显微组织结构和磨损性能进行了分析,用激光闪烁法测量复合涂层的热导率。结果金刚石均匀分布在复合涂层中,原始粉末中金刚石体积分数从30%增加到50%时,复合涂层中金刚石颗粒的面积占比仅从14.01%升至16.79%,远低于金刚石颗粒在原始粉末中的含量。400目金刚石/Cu复合涂层的平均热导率为296 W/(m·K),摩擦系数为0.551;800目金刚石/Cu复合涂层的平均热导率为238 W/(m·K),摩擦系数为0.545。结论原始粉末中金刚石配比的增加并未对复合涂层中金刚石含量的提升有显著作用。金刚石/Cu复合涂层的热导率随着增强相颗粒含量的增加而降低,随着增强相颗粒粒径的增大而提高。不同粒径金刚石颗粒的添加能显著降低Cu涂层的摩擦系数,且小粒径金刚石颗粒的添加使复合涂层的摩擦系数更低和更稳定,从而使其具有更小的磨损量和磨痕宽度,表现出较优的耐磨损性能。     

金刚石表面真空镀镍的工艺探讨

目的探讨金刚石表面真空镀镍的影响因素及其在电镀金刚石线上应用的可行性。方法采用不同的镍源及EDTA二钠、有机酸、氧化铝,按照不同的配比配制镀液,在720℃、真空度6×10?2 Pa条件下镀覆,保温2.5h,通过粒度分析、快速振动球磨机、能谱分析、三维数字显微镜、磁性测试、镀层快速腐蚀测试等表征手段,探讨不同的工艺对金刚石表面镀层性能的影响。结果镀覆后,金刚石中心粒径D50和峰宽(峰宽D95-D5,中心粒径D50是粒度分布曲线中累积分布为50%时的最大颗粒的等效直径,D5、D95分别是分布曲线中累积分布为5%、95%时的最大颗粒的等效直径)随着氯化镍含量的增加而增大,随着EDTA二钠含量的增加而减小。有机酸对镀覆反应的促进为:柠檬酸氯乙酸乳酸。通过真空镀镍获得的镀层表面为镍金属层,具有磁性。金刚石的强度没有受到石墨化的影响而下降,镀层与金刚石之间结合较为牢固,且耐酸液腐蚀性能远好于化学镀镍。以氯化镍为镍源的真空镀镍金刚石,采用埋砂法在电镀金刚石线设备进行上砂测试,在10m/min的走线速度下,0.4mm长度钢线表面的金刚石约60颗,约为化学镀镍金刚石上砂颗粒数的30%。结论通过真空镀覆方式能够在金刚石表面沉积金属镍层,经初步测试,可以在电镀金刚石线中使用。