硬質合金刀具微尺度刃口塗層技術與創成方法研究

《硬質合金刀具微尺度刃口塗層技術與創成方法研究》是依託山東大學，由張磊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：硬質合金刀具微尺度刃口塗層技術與創成方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張磊
• 依託單位：山東大學

中文摘要

微尺度刃口金剛石刀具易於實現硬脆材料延性域加工。金剛石刀具硬度高、耐磨損，但切削刃的刃口難於刃磨到微尺度，而硬質合金刀具切削刃的刃口易於刃磨到微尺度，但與金剛石刀具相比易磨損，壽命低。本項目提出先刃磨硬質合金刀具獲得微尺度刃口，進而在硬質合金刀具刃口襯底沉積類金剛石薄膜塗層，研製具有微尺度刃口、較強抗磨損能力和較高刀具壽命的類金剛石薄膜塗層硬質合金刀具，並探討其加工矽晶體的切削性能。本項目通過研究硬質合金刀具襯底的脆-延轉變低損傷機械刃磨機理，利用聲發射感測器接收並分析因材料裂紋、塑性變形等引起應變能快速釋放而產生的應力波，評定刀具刃口表面完整性；研究刀具微尺度刃口的機械刃磨工藝和類金剛石薄膜塗層的沉積工藝，建立類金剛石薄膜塗層硬質合金刀具的製備技術；探討類金剛石薄膜塗層硬質合金刀具在矽晶體表面制絨中的切削性能，為用於光伏太陽能電池的矽晶體表面制絨高效精密加工提供基礎理論和工藝技術。

結題摘要

刀具表面塗層的目的是增效和延壽。本項目提出在硬質合金刀具表面沉積類金剛石塗層，研製具有較強抗磨損能力和較高使用壽命的類金剛石塗層硬質合金刀具，並研究了其加工矽晶體的切削性能。結果表明：類金剛石塗層與硬質合金基體有較好的結合強度，類金剛石塗層可以延長硬質合金刀具的壽命，提高使役性能。建立了等離子清洗硬質合金襯底的預處理方法，利用等離子輔助磁控濺射技術在硬質合金刀具表面製備了5種含有純金屬過渡層的類金剛石塗層。具有Cu和Ag過渡層的類金剛石塗層含有較高含量的sp3鍵。具有Ti和W過渡層的類金剛石塗層硬度較高。具有W過渡層的類金剛石塗層的膜-基結合力最好。具有Ti和W過渡層的類金剛石塗層耐磨性較好。基於硬脆材料延性域加工理論，建立了延性域微切削的臨界進給速度模型和切屑分離準則。基於流體動力學理論建立了磨削液在氣障層內的流動軌跡模型，研究了不同磨削工況下磨削氣障層對磨削液進入磨削弧區的影響規律，結合噴嘴截面形狀、噴嘴位置和噴射角度，建立了磨削液有效供給的方法。基於傳熱學理論，建立了磨削硬質合金過程中磨削弧區磨削液的對流換熱係數計算模型和磨削溫度預測模型。通過實驗測試得到的溫度與理論計算的誤差在22%以下。在KERN五軸超精密加工中心分別採用類金剛石塗層和未塗層的硬質合金刀具進行矽晶體加工，發現未塗層的硬質合金刀具磨損非常迅速，加工距離短，加工後的矽晶體有微裂紋和微缺陷，而類金剛石塗層硬質合金刀具可以有效增加加工距離，提高矽晶體表面的加工質量。類金剛石塗層硬質合金刀具是一種很有市場潛力的刀具，具有廣闊的套用前景。