CN113211162A - 一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法和装置，方法包括在金刚石刀具进行超精密加工时，通过引入氧化性气体屏蔽加工区域，增加所述加工区域环境介质的氧化能力，加速所述加工区域金属表面氧化膜的形成。本发明能够抑制金属催化金刚石刀具石墨化，减小其化学磨损。

Description

一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法和装置
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法和装置。
背景技术
单晶金刚石刀具具备了几乎全面优于金属和陶瓷刀具的机械与物理特性，包括：极小的刃口半径(≤0.05um)、超高的材料硬度(莫氏硬度10)、极低的摩擦系数(0.1左右)、极高的热传导率(2000W/mK左右)、较低的热膨胀系数(1.0×10-6K-1左右)和优异的耐磨性。鉴于其独特且综合的刀具性能，金刚石可通过其尖锐刃口实现纳米尺度的极微量材料去除，是世界公认最理想的微纳切削用刀具材料，也是实现超精密切削加工的重要前提。然而，超精密金刚石切削的可加工金属材料不包括黑色金属，因为金刚石中的碳元素与黑色金属中的铁、铬等元素具有极强的化学亲和性，碳原子和黑色金属原子之间的化学反应会导致刀具刃口在切削时发生剧烈的化学磨损。现有文献显示，金刚石刀具切削钢铁时的磨损速率比切削黄铜或铝合金要快103～104倍；实验表明，金刚石切削铁的有效加工里程不到6m，切削钢的有效加工里程仅有不足5m。金刚石刀具的快速化学磨损严重阻碍了超精密切削在加工领域的推广，以及高精度黑色金属零部件在国防军工和先进制造领域中的应用。
金刚石刀具化学磨损是不同性质固体材料在高速切削运动下发生的复杂化学反应过程，其反应速率受多项物理、化学因素影响。学术界广泛认为这种化学磨损主要是由于，金刚石刀具刃口在切削力载荷作用下与活跃黑色金属原子之间发生滑动摩擦，进而导致金刚石石墨化被催化加速的结果。超声振动这种辅助加工方式已被证明能有效抑制切削黑色金属时金刚石刀具的快速化学磨损，在合适的切削和振动条件下，可将其有效加工里程提升至500m～2000m以上，已逐渐在超精密加工领域获得应用。与传统连续切削的材料去除方式相比，超声振动通过实现刀刃与工件或切屑之间高频率、间歇性的接触与分离，进而达到降低切削力、改善材料变形、增强切削区域与环境气体或切削液物理接触等效果。振动切削通过刀具的高频往复运动可形成规律一致的物理间隙，允许环境气体进入切削界面，并与工件表面的活泼金属原子发生化学反应，进而对其化学亲碳性以及金刚石的石墨化速率产生显著影响。除抑制化学磨损之外，超声振动加工其他工艺优点十分突出，具有减小刀具颤振和毛刺产生、改善难加工材料的切削性能等众多优势。
黑色金属因其未充满的d层轨道，较容易与拥有未配对电子的氧原子形成强化学键，生成化学性质稳定的金属氧化物薄膜。由于氧化膜的形成会对金属原子与金刚石碳原子之间的物理接触和表面化学反应形成阻隔效应，阻碍黑色金属催化金刚石刀具石墨化。因而，研究不同情况下金属氧化膜的生长特性规律，有助于掌握超精密加工过程中金属氧化膜对刀具化学磨损的抑制特性和探求氧化膜对金刚石石墨化过程中黑色金属催化效应的削弱与钝化机制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法和装置，能够抑制金属催化金刚石刀具石墨化，减小其化学磨损。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法，在金刚石刀具进行超精密加工时，通过引入氧化性气体屏蔽加工区域，增加所述加工区域环境介质的氧化能力，加速所述加工区域金属表面氧化膜的形成。
所述氧化性气体为氧气或臭氧。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，包括夹具和金刚石刀具，所述夹具用于对工件进行定位，还包括制氧装置，和通过管路与所述制氧装置相连的层流嘴，所述制氧装置产生的氧化性气体通过所述层流嘴喷射在所述金刚石刀具和工件之间，以增加加工区域环境介质的氧化能力，加速所述加工区域金属表面氧化膜的形成。
所述制氧装置产生的氧气浓度为90％。
所述管路上设置有流量计。
所述层流嘴包括喷嘴、三轴位移平台和底座；所述喷嘴通过所述三轴位移平台安装在所述底座上，所述喷嘴的喷射口上设置有激光笔，所述喷嘴的喷射口还设置有层流滤网；所述激光笔用于定位，使得所述喷嘴对准所述金刚石刀具的刀尖；所述层流滤网用于将紊流的氧化性气体转为层流的氧化性气体。
所述管路上设置有短波紫外灯管，所述短波紫外灯管用于将管路中的氧气转变为臭氧。
所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置还包括抽气装置，所述抽气装置用于收集所述加工区域的多余的氧化性气体，并送入分解装置；所述分解装置用于分解所述多余的氧化性气体。
所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置还包括气体传感器，所述气体传感器用于检测所述加工区域的所述氧化性气体的浓度。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过高浓度的氧气或者臭氧增加了环境介质中气体的氧化能力，使得金属表面形成了一层更厚的氧化膜，进一步钝化了金属与金刚石刀具的直接接触，阻碍了金属催化金刚石刀具石墨化。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明实施例1的装置结构示意图；
图3是本发明实施例2的装置结构示意图；
图4是本发明中层流嘴的结构示意图；
图5是不同切削里程下切削不锈钢的刀具磨损实验结果图；
图6是不同气体压强下切削纯钨的刀具磨损实验结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法，在金刚石刀具进行超精密加工时，通过引入氧化性气体屏蔽加工区域，增加所述加工区域环境介质的氧化能力，加速所述加工区域金属表面氧化膜的形成。
该方法的原理如图1所示，与金属相比，金属氧化物不是催化金刚石石墨化的有效催化剂。覆盖在金属表面的氧化膜将通过限制石墨与纯金属的直接接触来降低金刚石石墨化的催化效率，并且随着氧化物厚度的增加，这种抑制作用会变得更强。增加氧气压力，加速氧化物的生长，可以加强这种影响。随着氧浓度的增加，切削区域氧压力增加引起的氧化物生长增强可以抑制超声振动切削过程中金刚石刀具的化学磨损。从图1中可以看出，相比于传统的连续切削，超声振动切削通过高频断续切削增加了环境气体介质的物理穿透，使得空气中所含有的少量氧气可以在切削过程中与金属接触形成一层薄氧化膜，因此可以在一定程度上抑制刀具的化学磨损。而富氧屏蔽超声振动切削通过高浓度的氧气或者臭氧增加了环境介质中气体的氧化能力，使得金属表面形成了一层更厚的氧化膜，进一步钝化了金属与金刚石刀具的直接接触，阻碍了金属催化金刚石刀具石墨化。
本发明的实施例1为O2辅助超声振动切削以抑制金刚石刀具化学磨损的新装置，如图2所示，包括夹具和金刚石刀具3，所述夹具用于对工件1进行定位，金刚石刀具3安装在超声振动发振器4上；其还包括制氧装置5，和通过管路与所述制氧装置5相连的层流嘴2，所述制氧装置5产生的氧化性气体通过所述层流嘴2喷射在所述金刚石刀具3和工件1之间，以增加加工区域环境介质的氧化能力，加速所述加工区域金属表面氧化膜的形成。可选的，管路上可以设置流量计6，通过该流量计6可以随时氧气喷射的流量和压强。
空气通过制氧装置可以产生高浓度(约90％)的氧气，然后通过相应的气体管路传输，通过气体流量计6调控氧气传输的流量和喷口处的压强，然后通过层流嘴2准确把氧气喷射在工件1和金刚石刀具3刀尖接触的区域，通过超声振动发振器4实现高频断续切削。通过不锈钢、纯铬和纯钨的切削实验表明，该装置可以有效抑制金刚石刀具的化学磨损。氧气由于其清洁无污染、易于得到、成本低等诸多优点，使得该装置有着较好的工业应用前景。
本实施例中的制氧装置可以采用变压吸附的原理将空气中的氧气与氮气及其他气体分离开来，在常温下接通电源即可连续从空气中分离出流量可调的氧气。其结构由制氧机主机及一个湿化瓶组成，该制氧方法为纯物理方式。
使用该装置辅助超精密加工时可以减小在相同的加工条件下金刚石刀具的后刀面磨损宽度VB和磨损长度L，同时可以减小前刀面的磨损，改善加工后刀具的前刀面形貌，减小加工工件表面的粗糙度，改善加工后工件的表面质量。
本发明的实施例2为O3辅助超声振动切削以抑制金刚石刀具化学磨损的新装置，如图3所示，其与实施例1的区别在于，所述管路设置有短波紫外灯管7，所述短波紫外灯管7用于将管路中的氧气转变为臭氧。
可选的，该O3辅助超声振动切削以抑制金刚石刀具化学磨损的新装置还包括抽气装置8，所述抽气装置8用于收集所述加工区域的多余的氧化性气体，并送入分解装置9；所述分解装置9用于分解所述多余的氧化性气体。
可选的，O2辅助超声振动切削以抑制金刚石刀具化学磨损的新装置还包括气体传感器，所述气体传感器用于检测所述加工区域的所述氧化性气体的浓度，如此可以实时监测加工过程中的氧化性气体的浓度，保证氧化过程的良好进行，同时避免多余的氧化性气体污染空气。
本实施例中使用的制氧装置和O2辅助超声振动切削以抑制金刚石刀具化学磨损装置所采用的制氧装置相同，产生的高浓度氧气通过了一个波长为185nm的短波紫外灯管变为臭氧，然后通过层流嘴喷射在加工区域。由于高浓度臭氧对健康有害，额外的臭氧由抽气装置收集，然后排放到由氯化亚铁(FeCl2)组成的臭氧解离器(即分解装置)中，以防止空气污染。氯化亚铁是一种常用的无污染强还原剂，用于分解臭氧。由于酸性环境有利于这种氧化还原反应，因此利用稀盐酸(HCl)溶液为这种氧化还原反应提供所需的酸性环境：
2FeCL2+2HCL+O3→2FeCL3+H2O+O2
实施例1和实施例2中的层流嘴如图4所示，该层流嘴包括喷嘴21、三轴位移平台22和底座23；所述喷嘴21通过所述三轴位移平台22安装在所述底座23上，所述喷嘴21的喷射口上设置有激光笔24，所述喷嘴的喷射口还设置有层流滤网25；所述激光笔24用于定位，使得所述喷嘴对准所述金刚石刀具的刀尖；所述层流滤网25用于将紊流的氧化性气体转为层流的氧化性气体。该层流喷的喷嘴上加有激光笔24，使得层流嘴喷出的氧化性气体能够准确喷射在加工区域，有利于在刀具和工件的接触区金属表面形成氧化膜，抑制刀具化学磨损。
该层流嘴能够通过吸铁石将底座固定在机床上，在对层流嘴进行粗调位置之后，通过三轴微位移平台22微调，使得喷嘴21使得激光笔24发出的光束打在金刚石刀具的刀尖上，这时可以认为层流嘴精确的对准了加工区域。喷嘴出口处的层流滤网25可以把氧气紊流转变为层流，使得氧气的喷射距离更远，与工件表面的接触更加充分。
在打开了制氧装置并确保气路通畅无阻塞、无漏气之后就可以将层流嘴对准金刚石刀具的刀尖，通过调节气体流量计调节到合适的氧化性气体流量并且气体传感器检测到氧化性气体含量达到预定目标之后，就可以开始启动机床，进行工件的打圆，测惯量和调节动平衡。然后打开超声振动发振器调整好振幅后完成对刀，编写好加工程序，就可以开始进行加工。当氧化性气体为氧气时，由于氧气是易燃性气体，加工过程中要保持加工环境有一定湿度而且不会出现火星或电火花，保证加工过程中的安全。当氧化性气体为臭氧时，在加工结束后，要先关闭制氧装置和短波长紫外灯，然后通过气体传感器检测到环境中的臭氧浓度到达臭氧污染的标准以下时才能关闭抽气装置，移走分解装置，以保证绝大多数的臭氧都被强还原剂氯化亚铁还原为氧气，不会导致环境污染和危害人体健康。
如图5和图6所示，通过不锈钢和纯钨的切削实验可以看出，在相同的切削条件下，氧气可以明显减小金刚石刀具的磨损宽度VB和磨损长度L，臭氧由于其更强的氧化性，可以进一步的抑制刀具的磨损。并且随着加工里程的增加，抑制刀具磨损的效果越发明显。同时，增大气体压强也有利于促进氧气和臭氧与黑色金属之间的化学反应进行，有利于抑制刀具的化学磨损。实验结果验证了该装置对抑制刀具化学磨损的有效性。

Claims (9)

1.一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法，其特征在于，在金刚石刀具进行超精密加工时，通过引入氧化性气体屏蔽加工区域，增加所述加工区域环境介质的氧化能力，加速所述加工区域金属表面氧化膜的形成。
2.根据权利要求1所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的方法，其特征在于，所述氧化性气体为氧气或臭氧。
3.一种富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，包括夹具和金刚石刀具，所述夹具用于对工件进行定位，其特征在于，还包括制氧装置，和通过管路与所述制氧装置相连的层流嘴，所述制氧装置产生的氧化性气体通过所述层流嘴喷射在所述金刚石刀具和工件之间，以增加加工区域环境介质的氧化能力，加速所述加工区域金属表面氧化膜的形成。
4.根据权利要求3所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，其特征在于，所述制氧装置产生的氧气浓度为90％。
5.根据权利要求3所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，其特征在于，所述管路上设置有流量计。
6.根据权利要求3所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，其特征在于，所述层流嘴包括喷嘴、三轴位移平台和底座；所述喷嘴通过所述三轴位移平台安装在所述底座上，所述喷嘴的喷射口上设置有激光笔，所述喷嘴的喷射口还设置有层流滤网；所述激光笔用于定位，使得所述喷嘴对准所述金刚石刀具的刀尖；所述层流滤网用于将紊流的氧化性气体转为层流的氧化性气体。
7.根据权利要求3所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，其特征在于，所述管路上设置有短波紫外灯管，所述短波紫外灯管用于将管路中的氧气转变为臭氧。
8.根据权利要求3所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，其特征在于，还包括抽气装置，所述抽气装置用于收集所述加工区域的多余的氧化性气体，并送入分解装置；所述分解装置用于分解所述多余的氧化性气体。
9.根据权利要求3所述的富氧屏蔽抑制金刚石刀具化学磨损的装置，其特征在于，还包括气体传感器，所述气体传感器用于检测所述加工区域的所述氧化性气体的浓度。
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