【摘要】：微細(xì)零部件系統(tǒng)是微小尺度范圍內(nèi)綜合機(jī)、電、液等技術(shù)而形成的高新技術(shù)產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用在綠色能源、信息電子、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)和儀器儀表等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。微細(xì)切削是一種在介觀尺度直接對(duì)工件進(jìn)行切削去除的加工技術(shù),具有卓越的三維加工能力、加工材料的普適性、加工效率和加工成本方面的綜合優(yōu)勢(shì),是微細(xì)零部件加工技術(shù)體系的重要組成部分。在微細(xì)切削過程中,由于刀具與工件間極高的切削速度會(huì)帶來的二者間劇烈機(jī)械摩擦,這對(duì)微細(xì)刀具的耐磨損性能和抗工件粘附性能提出了比傳統(tǒng)刀具更高的要求。普通硬質(zhì)合金微細(xì)刀具在高速微細(xì)切削過程中,磨損嚴(yán)重、易折斷、易粘附工件材料、效率低且消耗大。因此,微細(xì)切削行業(yè)迫切需要研究耐磨損性能更好、工作壽命更長(zhǎng)的新型微細(xì)刀具來滿足行業(yè)的發(fā)展需求。化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)金剛石薄膜具有硬度高、摩擦系數(shù)低、耐磨性強(qiáng)、表面化學(xué)惰性高,以及與許多工程材料間弱粘附性等優(yōu)異的機(jī)械及摩擦學(xué)性能。由于熱絲化學(xué)氣相沉積(Hot Filament CVD,HFCVD)法制備金剛石薄膜具有設(shè)備簡(jiǎn)單易控、沉積效率高、加工成本低、基體形狀不受限制等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為刀具金剛石涂層的主要方法之一。因而,采用HFCVD法在微細(xì)刀具上涂覆金剛石薄膜能有效延緩切削刃的磨損失效,提升微細(xì)刀具耐用度,或許能成為突破微細(xì)切削發(fā)展技術(shù)瓶頸的有效手段。本文以HFCVD法為基礎(chǔ),致力于解決高性能CVD金剛石涂層微細(xì)刀具制備及其應(yīng)用過程中的四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題,即:CVD金剛石薄膜的制備及其耐磨損性能研究、批量化制備金剛石涂層微細(xì)刀具的溫度場(chǎng)仿真優(yōu)化、高性能金剛石涂層微細(xì)刀具的制備工藝優(yōu)化以及適應(yīng)石墨、印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)和7075鋁合金專屬加工特性的高性能金剛石涂層微細(xì)刀具的開發(fā)與應(yīng)用。主要工作概括為如下幾點(diǎn):1.CVD金剛石薄膜的制備及其耐磨損性能研究。CVD金剛石薄膜的基礎(chǔ)特性直接影響其在微細(xì)刀具上的切削應(yīng)用性能。本部分圍繞微米金剛石(Micro Crystalline Diamond,MCD)和納米金剛石(Nano Crystalline Diamond,NCD)兩種典型的CVD金剛石薄膜,對(duì)比研究了在硬質(zhì)合金基體上二者微觀形貌、表面粗糙度、晶粒取向、金剛石純度及其與基體附著強(qiáng)度的差異,并進(jìn)一步提出了通過mcd薄膜和ncd薄膜對(duì)磨來定量對(duì)比二者耐磨損性能的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示:金剛石薄膜互磨時(shí)主要的磨損機(jī)理為薄膜的自拋光機(jī)理引起的磨粒磨損效應(yīng)。在對(duì)磨條件相同時(shí),ncd薄膜的磨損率約為mcd薄膜的2倍,主要原因是mcd薄膜中硬度較高的mcd顆粒凸起較易插入ncd薄膜中,進(jìn)而導(dǎo)致ncd薄膜被快速刮落和磨損。mcd、ncd薄膜的對(duì)磨實(shí)驗(yàn)顯示,mcd薄膜的耐磨損性能優(yōu)于ncd薄膜。2.批量化制備金剛石涂層微細(xì)刀具的溫度場(chǎng)仿真研究。介于基體溫度會(huì)顯著影響金剛石薄膜的質(zhì)量的沉積機(jī)理,本部分利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件,探討了不同熱絲排布方式對(duì)基體表面溫度分布的影響。對(duì)于批量化微細(xì)刀具的溫度場(chǎng)仿真,首先采用測(cè)溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)雜三維仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置的正確性;進(jìn)而采用正交試驗(yàn)方法研究了熱絲的直徑d、高度h、間距d和長(zhǎng)度l等熱絲排布參數(shù)對(duì)微細(xì)刀具基體表面溫度場(chǎng)分布的影響,并獲得了熱絲優(yōu)化排布方案(d=0.65mm,h=12mm,d=27mm,l=160mm)。該熱絲排布方案對(duì)應(yīng)的刀具溫度場(chǎng)分布均勻,不同位置微細(xì)刀具薄膜沉積區(qū)域溫度波動(dòng)范圍極小。實(shí)際薄膜沉積實(shí)驗(yàn)顯示,采用優(yōu)化的熱絲排布方式可批量化獲得金剛石薄膜顆粒尺寸和厚度相近的cvd金剛石涂層微細(xì)刀具。3.高性能cvd金剛石涂層微細(xì)刀具的制備工藝優(yōu)化研究。為制備斷裂強(qiáng)度高、薄膜均勻一致性好、膜-基附著強(qiáng)度高的高性能cvd金剛石涂層微細(xì)刀具,本部分從預(yù)處理和沉積工藝兩方面入手,對(duì)金剛石涂層微細(xì)刀具的制備過程進(jìn)行了優(yōu)化。首先,通過靜載微細(xì)刀具壓斷實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)只預(yù)處理刀具切削部分可顯著減輕預(yù)處理對(duì)微細(xì)刀具斷裂強(qiáng)度的弱化作用。其次,通過基體表面形貌、元素組成分析和壓痕實(shí)驗(yàn)獲得了可對(duì)刀具基體表面進(jìn)行有效粗化和去鈷的堿處理(10分鐘)和酸處理時(shí)間(10秒)。隨后,通過形核反應(yīng)氣壓、基體溫度和碳源濃度對(duì)金剛石薄膜形核密度、生長(zhǎng)速率及均勻性影響規(guī)律的研究,確定了優(yōu)化的形核反應(yīng)氣壓(1.6kpa)、基體溫度(850oc)和碳源氫氣流量比(1:2.75)。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)摻硼金剛石(borondopeddiamond,bdd)薄膜在沉積過程中可阻止基體鈷元素高溫溢出但耐磨性不及mcd薄膜的特點(diǎn),提出了bdd+mcd復(fù)合金剛石薄膜新工藝。石墨切削實(shí)驗(yàn)顯示,bdd+mcd復(fù)合涂層微細(xì)鉆頭的鉆削壽命約為mcd或bdd涂層微細(xì)刀具工作壽命的2-3倍。4.石墨加工用高性能cvd金剛石涂層微細(xì)刀具的開發(fā)與應(yīng)用研究。本部分主要從涂層類型和厚度兩方面優(yōu)化了石墨加工專用cvd金剛石涂層微細(xì)刀具的切削性能。石墨與MCD、NCD薄膜以及硬質(zhì)合金的對(duì)磨試驗(yàn)顯示,MCD薄膜具有更高的石墨去除率。切削石墨實(shí)驗(yàn)顯示MCD涂層微細(xì)刀具的工作壽命分別為NCD、DLC、TiAl N涂層以及未涂層微細(xì)刀具工作壽命的1.5、2、6和9倍。通過對(duì)平片上不同厚度MCD薄膜的檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn),隨著厚度的增加,MCD薄膜表面金剛石純度和硬度逐漸提高,表層殘余壓應(yīng)力逐漸減小,薄膜附著強(qiáng)度逐漸降低。不同厚度MCD涂層微細(xì)刀具的石墨切削實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)MCD涂層厚度為2.5μm時(shí),微細(xì)刀具的工作壽命最長(zhǎng),且實(shí)驗(yàn)過程中其鉆孔孔壁清晰無破損。該厚度MCD薄膜集合了高耐磨性和與基體間高附著強(qiáng)度兩方面的優(yōu)勢(shì),因而其表現(xiàn)出最優(yōu)的石墨切削性能。5.PCB板加工用CVD金剛石涂層微細(xì)刀具的優(yōu)化制備研究。本部分首先研究了MCD、NCD薄膜和硬質(zhì)合金與PCB板間的摩擦磨損性能并發(fā)現(xiàn)NCD薄膜與PCB板間摩擦系數(shù)最小(0.35)。MCD、NCD、DLC和TiAlN薄膜涂層微細(xì)鉆頭鉆削PCB板的實(shí)驗(yàn)顯示基于NCD薄膜兼具耐磨和與PCB板摩擦系數(shù)低兩方面的優(yōu)點(diǎn),NCD涂層微鉆的工作壽命最長(zhǎng)。在優(yōu)化的薄膜類型基礎(chǔ)上,分別在PCB微鉆上沉積了不同厚度的NCD薄膜。結(jié)合鉆孔形貌、鉆削力和刀具磨損情況分析可知:當(dāng)NCD涂層為3μm時(shí),微鉆鉆孔數(shù)最多,其工作壽命約為未涂層PCB板微鉆的5-7倍。6.鋁合金加工用CVD金剛石涂層微細(xì)刀具的開發(fā)與應(yīng)用研究。針對(duì)7075鋁合金粘著性好且硬度較高的加工特點(diǎn),本部分首先采用摩擦實(shí)驗(yàn)研究了CVD金剛石薄膜及硬質(zhì)合金與鋁合金間的摩擦磨損特性,發(fā)現(xiàn)了NCD薄膜與鋁合金對(duì)磨時(shí)摩擦系數(shù)和磨損率均明顯低于MCD薄膜和硬質(zhì)合金的特性,揭示了其主要原因?yàn)镹CD薄膜良好的耐磨損性能,及其與鋁合金間較高的化學(xué)惰性和低粘附強(qiáng)度。隨后,MCD、NCD、DLC、TiAlN涂層和未涂層微細(xì)鉆頭鉆削鋁合金的實(shí)驗(yàn)顯示,NCD涂層微細(xì)刀具的工作壽命最長(zhǎng)。其原因在于,鉆削過程中,NCD涂層微鉆的切削刃保持完整,平均進(jìn)給力一直處于較低水平,鉆孔孔壁清晰且具有很高的圓度。基于優(yōu)化的薄膜類型,不同厚度NCD涂層微細(xì)刀具切削實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)NCD涂層厚度為4.5μm時(shí)最為合理,既不太厚以致影響切削刃鋒利性;同時(shí)也能有效地保護(hù)切削刃。此時(shí),微鉆的工作壽命為未涂層微鉆的4.5倍,且明顯高于其他厚度的NCD涂層微細(xì)鉆頭。高性能CVD金剛石涂層微細(xì)刀具的成功研制與應(yīng)用,有效拓展了CVD金剛石薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域、提高了石墨、PCB板和鋁合金零件的生產(chǎn)效率,降低了相應(yīng)產(chǎn)品的制造成本;同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硬質(zhì)合金微細(xì)刀具行業(yè)的技術(shù)升級(jí)提供了有力的技術(shù)保障。
【圖文】：

涂層類型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究的可成功應(yīng)用于石墨、印刷線的微細(xì)刀具表面硬質(zhì)涂層薄膜綜述的制備及其耐磨損性能研究同素異形體，，其內(nèi)部的碳原子面體晶胞的立方面心晶體[1]。是現(xiàn)今人類已知的最硬的工程材高硬度、低磨損率和強(qiáng)化學(xué)惰泛的工程材料。

圖 1- 2 微細(xì)機(jī)械加工的尺寸范圍[21]Figure 1- 2 Dimentional size of micro mechanical machining具對(duì)于微細(xì)切削加工過程十分重要，因?yàn)楣ぜ募庸ぜ?xì)刀具的特性密切相關(guān)。因此，如何提高微細(xì)刀具的外學(xué)者研究的重點(diǎn)方向。國(guó)內(nèi)外研究主要從微細(xì)刀具及刀具涂層等方面進(jìn)行微細(xì)刀具切削性能的優(yōu)化。的熱硬性和韌性，鎢鈷類超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金被廣泛用微細(xì)切削過程中，微細(xì)刀具不僅需要高的強(qiáng)度和韌性利度，這要求微細(xì)刀具的基體材料應(yīng)采用晶粒度小于前，國(guó)際上已有廠家量產(chǎn)晶粒尺寸為 0.5～1.0 μm 的超材料，微細(xì)刀具的切削刃圓弧半徑可降低到幾微米，利度。刀具的幾何形狀也會(huì)對(duì)其切削性能產(chǎn)生巨大的影響。等設(shè)計(jì)了一種半圓微細(xì)銑刀。有限元分析結(jié)果顯示該銑
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4;TG71

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