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MCD和纳米预埋消磁套管切削性能
发表时间:2018-3-3     阅读次数: 182      字体:【

 MCD和纳米预埋消磁套管切削性能


MCD和纳米预埋消磁套管(NanoCrystallinDiamond,?预埋消磁套管薄膜的基础特性直接影响其在微细刀具上的切削应用性能。本部分围绕微米预埋消磁套管(MicroCrystallinDiamond.NCD两种典型的预埋消磁套管薄膜,对比研究了硬质合金基体上二者微观形貌、表面粗糙度、晶粒取向、预埋消磁套管纯度及其与基体附着强度的差异,并进一步提出了通过mcd薄膜和ncd薄膜对磨来定量对比二者耐磨损性能的新方法。实验结果揭示:预埋消磁套管薄膜互磨时主要的磨损机理为薄膜的自抛光机理引起的磨粒磨损效应。对磨条件相同时,ncd薄膜的磨损率约为mcd薄膜的2倍,主要原因是mcd薄膜中硬度较高的mcd颗粒凸起较易插入ncd薄膜中,进而导致ncd薄膜被快速刮落和磨损。mcdncd薄膜的对磨实验显示,mcd薄膜的耐磨损性能优于ncd薄膜。

批量化制备预埋消磁套管涂层微细刀具的温度场仿真研究。介于基体温度会显著影响预埋消磁套管薄膜的质量的沉积机理,本部分利用计算流体动力学仿真软件,探讨了不同热丝排布方式对基体表面温度分布的影响。对于批量化微细刀具的温度场仿真,首先采用测温实验验证了复杂三维仿真模型建立与参数设置的正确性;进而采用正交试验方法研究了热丝的直径d高度h间距d和长度l等热丝排布参数对微细刀具基体表面温度场分布的影响,并获得了热丝优化排布方案(d=0.65mm,h=12mm,d=27mm,l=160mm该热丝排布方案对应的刀具温度场分布均匀,不同位置微细刀具薄膜沉积区域温度波动范围极小。实际薄膜沉积实验显示,采用优化的热丝排布方式可批量化获得预埋消磁套管薄膜颗粒尺寸和厚度相近的预埋消磁套管涂层微细刀具。3.高性能预埋消磁套管涂层微细刀具的制备工艺优化研究。为制备断裂强度高、薄膜均匀一致性好、膜-基附着强度高的高性能预埋消磁套管涂层微细刀具,本部分从预处理和沉积工艺两方面入手,对预埋消磁套管涂层微细刀具的制备过程进行了优化。首先,通过静载微细刀具压断实验,发现只预处理刀具切削部分可显著减轻预处理对微细刀具断裂强度的弱化作用。其次,通过基体表面形貌、元素组成分析和压痕实验获得了可对刀具基体表面进行有效粗化和去钴的碱处理(10分钟)和酸处理时间(10秒)随后,通过形核反应气压、基体温度和碳源浓度对预埋消磁套管薄膜形核密度、生长速率及均匀性影响规律的研究,确定了优化的形核反应气压(1.6kpa基体温度(850oc和碳源氢气流量比(1:2.75此基础上,针对掺硼预埋消磁套管(borondopeddiamond,bdd薄膜在沉积过程中可阻止基体钴元素高温溢出但耐磨性不及mcd薄膜的特点,提出了bdd+mcd复合预埋消磁套管薄膜新工艺。石墨切削实验显示,bdd+mcd复合涂层微细钻头的钻削寿命约为mcd或bdd涂层微细刀具工作寿命的2-3倍。4.石墨加工用高性能预埋消磁套管涂层微细刀具的开发与应用研究。本部分主要从涂层类型和厚度两方面优化了石墨加工专用预埋消磁套管涂层微细刀具的切削性能。石墨与MCDNCD薄膜以及硬质合金的对磨试验显示,MCD薄膜具有更高的石墨去除率。切削石墨实验显示MCD涂层微细刀具的工作寿命分别为NCDDLCTiA lN涂层以及未涂层微细刀具工作寿命的1.526和9倍。通过对平片上不同厚度MCD薄膜的检测分析发现,随着厚度的增加,MCD薄膜表面预埋消磁套管纯度和硬度逐渐提高,表层残余压应力逐渐减小,薄膜附着强度逐渐降低。不同厚度MCD涂层微细刀具的石墨切削实验显示,当MCD涂层厚度为2.5μm时,微细刀具的工作寿命最长,且实验过程中其钻孔孔壁清晰无破损。该厚度MCD薄膜集合了高耐磨性和与基体间高附着强度两方面的优势,因而其表现出最优的石墨切削性能。5.PCB板加工用预埋消磁套管涂层微细刀具的优化制备研究。本部分首先研究了MCDNCD薄膜和硬质合金与PCB板间的摩擦磨损性能并发现NCD薄膜与PCB板间摩擦系数最小(0.35MCDNCDDLC和TiA lN薄膜涂层微细钻头钻削PCB板的实验显示基于NCD薄膜兼具耐磨和与PCB板摩擦系数低两方面的优点,NCD涂层微钻的工作寿命最长。优化的薄膜类型基础上,分别在PCB微钻上沉积了不同厚度的NCD薄膜。结合钻孔形貌、钻削力和刀具磨损情况分析可知:当NCD涂层为3μm时,微钻钻孔数最多,其工作寿命约为未涂层PCB板微钻的5-7倍。6.铝合金加工用预埋消磁套管涂层微细刀具的开发与应用研究。针对7075铝合金粘着性好且硬度较高的加工特点,本部分首先采用摩擦实验研究了预埋消磁套管薄膜及硬质合金与铝合金间的摩擦磨损特性,发现了NCD薄膜与铝合金对磨时摩擦系数和磨损率均明显低于MCD薄膜和硬质合金的特性,揭示了其主要原因为NCD薄膜良好的耐磨损性能,及其与铝合金间较高的化学惰性和低粘附强度。随后,MCDNCDDLCTiA lN涂层和未涂层微细钻头钻削铝合金的实验显示,NCD涂层微细刀具的工作寿命最长。其原因在于,钻削过程中,NCD涂层微钻的切削刃保持完整,平均进给力一直处于较低水平,钻孔孔壁清晰且具有很高的圆度。基于优化的薄膜类型,不同厚度NCD涂层微细刀具切削实验显示,当NCD涂层厚度为4.5μm时最为合理,既不太厚以致影响切削刃锋利性;同时也能有效地保护切削刃。此时,微钻的工作寿命为未涂层微钻的4.5倍,且明显高于其他厚度的NCD涂层微细钻头。高性能预埋消磁套管涂层微细刀具的成功研制与应用,有效拓展了预埋消磁套管薄膜的应用领域、提高了石墨、PCB板和铝合金零件的生产效率,降低了相应产品的制造成本;同时也为实现传统硬质合金微细刀具行业的技术升级提供了有力的技术保障。


 
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