机床振动对高精度金刚石刀具研磨质量的影响.pdf

第26卷 第3期航 空 学 报Vol126 No132005年 5月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICAMay2005收稿日期:2004204230;修订日期:2004209225基金项目:国家自然科学基金(50175022)资助项目文章编号:100026893(2005)0320367204机床振动对高精度金刚石刀具研磨质量的影响宗文俊1,李 旦1,孙 涛1,程 凯1,2,梁迎春1(1.哈尔滨工业大学 精密工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)(2.英国里兹城市大学 工程学院,里兹,Leeds LS1 3HE)Machine Vibration Influence on Lapping Quality of Ultra2precision Diamond Cutting ToolsZONG Wen2jun1,LI Dan1,SUN Tao1,CHEN G Kai1,2,LIANG Ying2chun1(1.Precision Engineering Research Institute,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)(2.School of Engineering,Leeds Metropolitan University,Calverley Street,Leeds LS1 3HE,U.K.)摘 要:研磨机床的振动是影响金刚石刀具机械研磨质量的重要因素,尤其在精密研磨工序。为了提高金刚石刀具的研磨质量,针对金刚石刀具的精密研磨工序,在研磨加工时对机床施加空气隔振垫,使研磨的金刚石刀具切削刃钝圆半径从隔振前的9318 nm降到了隔振后的7217 nm,前刀面表面粗糙度则从214 nm降到了110 nm,研磨质量得到明显改善。关键词:金刚石刀具;刃口钝圆半径;隔振;机械研磨中图分类号:TG58016;TQ164 文献标识码:AAbstract:Vibration of lapping machine is an important influencing factor on the lapping quality of diamond cut2ting tools in mechanical lapping,especially in the precision lapping process.In order to improve the lappingquality of diamond cutting tools,the air vibration isolators are used for lapping machine tool during the preci2sion lapping procedure.Measured results show that the cutting edge radius of lapped diamond cutting tool isreduced from 9318 nm obtained without isolators to 7217 nm,and the surface roughness of rake face is reducedfrom 214 nm to 110 nm.The lapping quality is improved obviously.Key words:diamond cutting tool;cutting edge radius;vibrating isolation;mechanical lapping 天然单晶金刚石具有高硬度强度、耐磨损、化学稳定性与导热性好以及可获得十分锋锐的刃口钝圆半径等优良特性,被广泛用作超精密切削用刀具材料1。但是,单晶金刚石刀具的刃口锋锐度、刃口及刀面的表面粗糙度和刃口的几何精度等重要刃磨技术指标都必须符合要求。随着航空、航天及民用等超精加工行业的发展,对产品加工精度也提出越来越高的要求,金刚石刀具的各项技术指标也被相应提高。在国内,由于金刚石刀具刃磨技术整体水平较低,刃口钝圆半径达到100 nm比较困难,而且研磨质量也一直没有统一的技术标准。而在国外,高精度的单晶金刚石刀具研磨后的刃口钝圆半径必须在50100 nm之间,刃口及刀面表面粗糙度值Ra优于10 nm,刃口线轮廓度或圆轮廓度则要优于50 nm2。从国内外情况来看,由于高精度金刚石刀具的加工技术涉及到航空、航天等国防军工领域超精密零件的关键加工技术,世界各国都对该项技术封锁保密,有关这方面的文献叙述也相对较少。在金刚石刀具的研磨加工过程中,机床内部和外部的振动干扰会使得被研磨的金刚石刀具和研磨盘之间产生多余的相对运动而使金刚石刀具无法达到所需的加工精度和表面质量3。尤其在最后的精密研磨工序,这种干扰会使金刚石晶体产生微观解理,直接影响到刀具的锋锐度、刃口和前刀面的表面粗糙度。因此,针对单晶金刚石刀具的最后精密研磨工序,从实验的角度来分析研磨机床振动对金刚石刀具研磨质量的影响,从而探索出金刚石刀具研磨的最佳工艺。1 理论分析金刚石刀具动态研磨过程实际上是金刚石微粉颗粒压入金刚石晶体并在金刚石晶体表面刻划的过程。假设金刚石微粉颗粒为理想的维氏压头,则微粉颗粒和金刚石晶体间的相互作用如图1所示。图中:2a为压痕的特征尺寸;0为磨粒顶角;ap为金刚石微粉颗粒嵌入金刚石晶体表面的动态研磨深度;acp为金刚石晶体的动态脆塑转变临界研磨深度。由图示可知2a=2aptan(0/2)(1)航 空 学 报第26卷图1 磨粒和金刚石刀具间的接触示意图Fig11The contact between diamond cutting tool and grit 进行研磨时,作用在金刚石微粉颗粒上的载荷P可以表示为P=Ha2/2(2)式中:为金刚石微粉压头的几何因子;H为金刚石晶体的显微硬度。研磨时的动态冲击临界载荷Pcd可表示为Pcd=0KId(KId/H)3(3)式中:0为综合系数;KId为单晶金刚石晶体的动态断裂韧性,单位MPam1/2。根据动态力的平衡,同时考虑晶面与晶向的影响,可推导出金刚石刀具表层材料在动态研磨过程中的脆塑转变临界研磨深度4acp=mcmocot02209E50H2(4)式中:mc为与研磨表面解理角相关的修正系数;mo为与研磨偏向角相关的修正系数;为与表面粗糙度相关的系数;E为杨氏模量;为金刚石晶体表面萌生裂纹所需的表面能,单位Jm-2。从式(4)可知,金刚石刀具刃口附近表层材料的去除方式与自身固有的脆塑转变临界研磨深度acp相关。当动态研磨深度ap小于脆塑转变临界研磨深度acp时,刀具刃口处的表层材料以塑性方式去除。当ap大于acp时,刀具刃口处的表层材料以脆性方式去除。刀具刃口附近表层材料的两种不同去除方式如图2所示。(a)塑性方式:apacp图2 金刚石刀具刃口处表层材料的两种去除方式Fig12Two material removal modes of tool surface layeraround cutting edge radius研磨机床的振动会使刀具研磨表面和研磨盘之间叠加一个多余的相对位移,由此降低了两者间的接触精度,即引起动态研磨深度ap的扰动,使其产生偏量ap后变成ap=ap+ap(5)研磨机床自身振幅越大,刀具研磨表面和研磨盘之间的接触精度就越低,刃口和磨粒接触点上出现动态研磨深度ap大于脆塑转变临界研磨深度acp现象的可能性也就越大。一旦刀具刃口接触点上的ap大于acp,接触点附近的刀具表层材料就会发生微小的脆性解理,这种去除方式的去除量相对塑性变形要大的多,因此会破坏先前塑性域中研磨好的锋利刃口而使刃口钝圆半径变大,前刀面表面粗糙度值Ra也会随之增大。2 实验条件实验所涉及的仪器设备有:高精度动平衡仪VA211B,高精度频谱分析仪AD23525,原子力显微镜Nanoscopea和高精度金刚石刀具研磨机。单晶金刚石刀具研磨装置采用空气静压轴承主轴和高磷铸铁研磨盘,研磨盘主轴系统的结构示意图如图3所示,其中研磨盘主轴系统的转速可在3003000 r/min范围内变化。因研磨盘存在一定的加工误差、安装误差以及盘本身内部组织的不一致性,安装后的研磨盘主轴系统有可能出现重心偏离主轴轴心而产生回转偏心,因此开始实验之前需用动平衡仪对2800 r/min转速下的研磨盘进行精细动平衡,以保证此转速下研磨盘主轴系统具有012m的轴向回转精度和013m的径向回转精度。研磨盘上涂敷W011的金刚石微粉,单晶金刚石刀具前刀面和研磨盘接触面上的研磨线速度约为3018 m/s。金刚石刀具前刀面为(100)晶面,研磨方向为 100 晶向。水平和垂直两方向的测振传感器同时安装在空气静压轴承的轴套上,这样可以同步测出研磨机床在隔振前和隔振后正常工作下(2800 r/min转速)的振动信息。经仔细研磨后的金刚石刀具用丙酮清洗干净后采用原子力显微镜测出刀具切削刃钝圆半径1 空气隔振垫;2 电机;3 空气静压轴承;4 配重5 装夹系统;6 金刚石刀具;7 高磷铸铁研磨盘图3 金刚石刀具研磨装置简意图Fig13The lapping setup for diamond cutting tool863 第3期宗文俊等:机床振动对高精度金刚石刀具研磨质量影响的实验研究 和前刀面表面粗糙度值Ra,最后进行结果分析。3 实验结果和讨论图4是高精度金刚石刀具研磨机床在采取隔振措施前正常工作的振动幅值与频率情况。由此图可知,研磨机床在水平方向和垂直方向的振动频率都为4615 Hz。但在没有采取隔振措施的情况下,两个方向的振幅都相对比较大,由传感器测得的水平方向振幅为431410-4g(其原始电压为5915 mV),垂直方向为1841610-4g(其原始电压为25313 mV)。显然,研磨机床在这样大的自身振幅下工作,金刚石刀具的刃口钝圆半径和前刀面表面质量达不到机械研磨的良好状态,如图5和图6所示。图4 隔振前机床正常工作的振动情况Fig14The amplitude and frequency of lapping machine with2out air vibration isolators图5 隔振前金刚石刀具刃口AFM形貌Fig15The AFM topography of cutting edge of lapped dia2mond cutting tool without air vibration isolators图6 隔振前金刚石刀具前刀面AFM形貌Fig16The AFM topography of rake face of lapped diamondcutting tool without air vibration isolators从图5的刀具刃口AFM微观形貌可知,研磨机床在没有隔振措施下,研磨出来的金刚石刀具刃口钝圆半径基本上在90100 nm之间变化,图示测量点的刃口钝圆半径rn为9318 nm。从图6的前刀面AFM微观形貌图可知,残留在前刀面的研磨痕迹明显,都为纳米尺度的塑性沟槽,但从明暗相间的沟槽宽度分布可看出,表面波纹度相对较大,AFM实际测量的刀具前刀面表面粗糙度值Ra为214 nm。图7则是采用空气隔振垫隔振后的机床工作振动情况。采取隔振措施后,机床固有频率降到了715 Hz,隔振效果相当显著。从图7的测量结图7 隔振前机床正常工作的振动情况Fig17The amplitude and frequency of lapping machinewith air vibration isolators963航 空 学 报第26卷果可知,研磨机床工作时的振动频率变化不大,水平方向4615 Hz,垂直方向4610 Hz,但振幅却有较大的降低,水平方向的振幅降到251710-4g(其原始电压为3513 mV),而垂直方向的振幅降到1081810-4g(其原始电压为14511 mV),两者的降低幅度都将近一半。尤其是垂直方向10Hz以上的振动,隔振效果更加明显。经过隔振后的金刚石刀具研磨质量已有了很大提高,如图8和图9所示。图8的刀具刃口钝圆半径AFM微观形貌图表明,隔振后研磨的刀具刃口钝圆半径在7080 nm之间变化,测量点的值约为7217nm。图8 隔振后金刚石刀具刃口AFM形貌Fig18The AFM topography of cutting edge of lappeddiamond cutting tool with air vibration isolators图9 隔振后金刚石刀具前刀面AFM形貌Fig19The AFM topography of rake face of lapped diamondcutting tool with air vibration isolators 另一方面,图9的前刀面AFM微观形貌图也同时表明,研磨后残留在前刀面的塑性沟槽已变得模糊不清,表面相对比较平整,粗糙度值Ra明显降低,测量点显示值为110 nm。与隔振前相比,刃口钝圆半径降低了2215%左右,表面粗糙度Ra值降低了5813%,金刚石刀具切削刃钝圆半径和前刀面粗糙度都明显优于没有隔振下的研磨质量。4 结 论通过对单晶金刚石刀具研磨过程的理论分析,并用实验结果比较隔振前和隔振后的金刚石刀具研磨质量,认为要获得高质量的金刚石刀具,研磨机床必须要采取严格的隔振措施来控制机床的振动,降低其固有频率和振动幅值,减少金刚石刀具和研磨盘之间多余的相对运动。尤其在最后的精密研磨工序,隔振措施对刀具刃口钝圆半径和前刀面粗糙度有很大的影响。只有在采取严格隔振措施的情况下,金刚石刀具才能获得较高的研磨表面质量和良好的刃口锋利度。参 考 文 献1 周明,袁哲俊.金刚石刀具晶面选择对切削过程及耐用度的影响J.哈尔滨工业大学学报,1999,31(4):77-79.Zhou M,Yuan ZJ.Effect of diamond tools crystal planeorientation on drilling process and tool lifeJ.Journal ofHarbin Institute of Technology,1999,31(4):77-79.(inChinese)2 孙涛,谭久彬,董申.天然金刚石刀具的研磨及其切削刃钝圆半径检测技术J.制造技术与机床,1998(8):24-26.Sun T,Tan J B,Dong S.Lapping of natural diamond cut2ting tool and measuring technique for its edge radiusJ.Manufacturing Technology and Machine Tool,1998(8):24-26.(in Chinese)3 袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技术M.北京:机械工业出版社,1999.40-42.Yuan ZJ,Wang X K.Precision and ultra2precision machi2ning techniques M.Beijing:Machine Industry Press,1999.40-42.(in Chinese)4Field J E,Pickles C S J.Strength,fracture and frictionproperties of diamondJ.Diamond and Related Materi2als,1996(5):625-634.作者简介:宗文俊(1979-)男,浙江义乌人,哈尔滨工业大学机电学院精密工程研究所博士研究生。主要研究方向为超精密加工及纳米机械加工技术。地址:哈尔滨工业大学413信箱(150001),E2mail:zongwenjun ,Tel:[phone]李 旦(1955-)男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工业大学机电学院教授,硕士,主要研究方向为超精密加工技术及振动与测量技术。孙涛(1964-)男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工业大学精密工程研究所研究员,博士,主要研究方向为纳米加工及测量技术。程 凯(1961-)男,黑龙江哈尔滨人,英国里兹城市大学工程学院教授、哈尔滨工业大学特聘教授,博士生导师。主要研究方向为超精密加工及特种加工技术。(责任编辑:蔡 斐)073