《光學模芯新材料及加工完整性的研究》是依託天津大學，由宮虎擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：光學模芯新材料及加工完整性的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：宮虎
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於鋼鐵材料的良好物理性能，被廣泛地用在了工業生產中。但由於其超精密加工時金剛石刀具的嚴重化學磨損，被認為是金剛石不可切削材料，限制了其在光學模具等領域的廣泛套用。本課題旨在為解決長期困擾光學注塑模芯直接加工的技術難題探索新的途徑。提出採用粉末燒結的方法製備出氮化鐵-鋁燒結體的新材料，並實現：採用金剛石刀具超精密切削可以形成納米級的表面質量；相比直接切削普通鋼鐵材料金剛石刀具的壽命增加10倍或更高；相比鎳磷合金，氮化鐵新材料套用在光學注塑模芯上的使用壽命增加3倍或更高。圍繞上述目標，本項目研究高性能氮化鐵-鋁燒結體新材料的製備工藝方法；研究新材料金剛石超精密車削的可加工性評價及機理；研究新材料光學注塑模芯的使用性能及失效機理。
結題摘要
由於鋼鐵材料的良好物理性能，被廣泛地用在了工業生產中。但由於其超精密加工時金剛石刀具的嚴重化學磨損，被認為是金剛石不可切削材料，限制了其在光學模具等領域的廣泛套用。本課題旨在為解決長期困擾光學注塑模芯直接加工的技術難題探索新的途徑。主要研究內容及成果如下： (1) 採用氣體滲氮和熱處理等方法製備了多種氮化物。根據實驗結果對氮化物形成的熱力學和動力學過程進行了分析。通過X 射線、SEM 、TEM 電子探針和顯微硬度計等設備，深入研究了氮化物的結構和性能，主要結論如下：（a）採用循環滲氮方法可在純鐵表面製備出較厚的Fe2-3N 和 Fe4N層。化合物層的厚度可以達到50微米，氮濃度隨深度的增加逐漸降低，擴散層厚度約為100微米; （b）採用表面納米化技術可以製備出納米結構的氮化物，其形成的動力學過程被明顯促進。通過納米結構化合物層生長的溫度依靠關係可以計算和測量氮原子的有效擴散激活能; （c）採用氣固反應滲氮及退火、淬火、回火等複合處理工藝，在薄片樣品中可以獲得高純度的 α″ － Fe16 N2 相。 當回火溫度為150 ℃、時間為4. 5 h 時，試樣中α″ － Fe16 N2 相的質量分數最大，達到 50. 57%。 （2）為了與新材料加工性能進行對比，研究了模具鋼直接超聲輔助車削系統，並提出了新型的自由曲面變幅桿設計方案。其特點是隨著頻率的變化刀尖振動方向隨之改變，可以適用於模具鋼自由曲面的超聲振動輔助切削。實驗結果表明超聲車削系統可以成功地直接在STAVAX鋼表面加工出鏡面。 （3）藉助分子動力學仿真研究發現，乾切削時超聲振動切削中刀屑分離過程的散熱作用非常顯著，到刀具停止運動之時，切削熱降低了很多，因此刀屑分離過程中的快速散熱很有可能是超聲振動切削過程中切削溫度降低的主要原因。為了驗證這結論，課題又對切削溫度的測量這一難題進行了研究，提出在金剛石刀具上製備薄膜熱電偶來測量超精密車削的瞬態溫度，雖然還存在一些問題，但是這一方法繼續完善將對理解超精密車削的機制具有十分重要的作用
