光學脆性材料冷電漿射流輔助切削的機理與方法

《光學脆性材料冷電漿射流輔助切削的機理與方法》是依託大連理工大學,由劉新擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：光學脆性材料冷電漿射流輔助切削的機理與方法
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉新

項目摘要

抑制金剛石刀具磨損的同時提高塑性域切削的臨界切削深度，是光學脆性材料高效超精密切削亟待解決的瓶頸問題。本項目基於試驗中發現的冷電漿射流可在切削區起潤滑冷卻作用並能降低材料的表面硬度和塑性變形抗力的現象，提出在冷電漿射流中進行光學脆性材料單晶金剛石切削的新思路。研究冷電漿射流的產生、特性控制、導入切削區域的方法；分析冷電漿射流對刀-工摩擦副摩擦磨損性能的影響；結合刀具的微幅橢圓超聲振動，通過單點劃痕試驗和金剛石切削試驗，探明冷電漿射流對SiC、Soda-lime玻璃、BK7玻璃等典型光學脆性材料表面性質的作用機理及脆塑轉變過程的影響規律；結合試驗數據，藉助分子動力學和有限元分析等方法對脆性材料冷電漿射流輔助切削過程進行建模和分析，建立各參數對刀具壽命和表面質量的預測模型。研究結果對豐富非傳統與超精密加工相關理論與技術，特別是光學脆性材料的高效超精密切削方法具有重要意義。

結題摘要

抑制金剛石刀具磨損的同時提高塑性域切削的臨界切削深度，是光學脆性材料高效超精密切削亟待解決的瓶頸問題。項目提出利用大氣壓冷電漿射流調控刀-工界面及光學脆性材料的力學性能，以抑制刀具磨損，穩定加工過程，提高加工質量。從氣體放電和超聲橢圓振動切削原理入手，研製出了溫度可低至-7℃、易輸送至切削區域、長度可在7cm-200cm調節的大氣壓柔性冷等離子射流，探究了電漿射流的放電特性，對其活性成分進行了診斷。搭建了超聲橢圓振動裝置，其變幅桿的輸出端振幅可在25 nm~1500 nm間線性調節，並可通過所得經驗公式對振幅進行精確預測。為研究冷電漿射流抑制金剛石刀具磨損的機理，用磨損試驗機，在空氣、冷電漿射流氣氛中進行了K9玻璃/金剛石摩擦副摩擦磨損試驗，發現轉速較高時（n=200-400 r/min），冷電漿射流對於K9玻璃/金剛石摩擦副具有明顯減磨作用。藉助EDS對摩擦表面的元素成分進行分析，探究了電漿對加工界面的作用機理，發現冷電漿射流在刀-工接觸界面發生了化學反應，形成了有助於減磨的氮化物。為分析冷電漿射流對光學脆性材料臨界切深的作用機理和影響規律，對未處理及電漿處理後的光學脆性材料進行了彎曲試驗及壓痕劃痕試驗，研究了電漿射流對晶體表麵塑性變形抗力及斷裂抗力的影響機制。研究發現，當冷電漿射流處理光學脆性材料時，冷電漿射流中的活性粒子吸附於材料表面引發Rehbinder效應，可延緩脆性材料受力產生塑脆轉變斷裂，降低材料的彈塑轉變臨界載荷，並可較明顯增加材料的塑性去除區域，且作用效果可保持20h以上。在加工過程中預先對材料處理後再進行加工，可增加脆塑轉變的臨界切深，延緩材料發生脆性斷裂，從而降低切削力，提高加工質量，減緩刀具磨損。