纳米晶CBN超精密切削淬硬钢的加工机理及技术基础

The worldwide demand of hardened steel molding insert with nanometer machining accuracy is increasing in optical and opto-electrical fields. Aiming at bad machined surface and serious tool wear existing in ultra-precision cutting of hardened steel, this project uses the new isotropic nano-structured CBN bulk with hardness of single crystal diamond and the grain size of nanometer as cutting tool material, and then studies the machining mechanism and fundamental technology of ultra-precision cutting of hardened steel with nano-structured CBN. Through studying the mechanical lapping mechanism of nano-structured CBN, surface generation mechanism of hardened steel, tool wear mechanism and the processes by the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experiments, the surface material removal theory in lapping nano-structured CBN are first developed. Then the influence of tool parameters and cutting parameters on surface integrity and tool wear is confirmed. Finally, the tool wear rate model and strategy of controlling wear are established for ultra-precision cutting of hardened steel with nano-structured CBN. Based on the above studies, an improved technology for direct ultra-precision cutting of hardened steel is successfully developed in order to realize direct ultra-precision cutting of hardened steel molding inserts, and realize direct cutting of hardened steel parts with high efficiency and low cost in automobile and mechanical bearing fields.

针对光学和光电子领域对具有纳米级表面粗糙度和亚微米级面形精度淬硬钢光学模具的强大需求，以及淬硬钢直接超精密切削加工中存在的表面完整性差和刀具磨损严重等问题，本课题拟应用硬度接近于单晶金刚石、纳米级晶粒尺寸、各向同性的新型纳米晶CBN块材作为刀具材料，围绕纳米晶CBN超精密切削淬硬钢的加工机理及技术基础，运用理论分析、数值模拟与工艺实验相结合的方法，研究新型纳米晶CBN刀具的机械刃磨机理、淬硬钢超精密切削加工的表面形成机理、刀具磨损机理及工艺实现技术，提出纳米晶CBN刀具刃磨中的表层材料去除理论，建立刀具几何参数、切削参数与表面完整性和刀具磨损之间的关系规律，以及建立纳米晶CBN刀具磨损率数学模型及其控制策略。在此基础上，提出创新的淬硬钢直接超精密切削加工技术，为实现淬硬钢光学模具的直接超精密切削加工，以及实现汽车、轴承行业中高精度淬硬钢零部件的高效率、低成本直接切削加工奠定技术基础。

制造新型超硬材料CBN刀具是解决淬硬钢超精密切削加工的有效途径，国外在无结合剂CBN刀具制造及应用领域开展了大量的研究工作，将新型刀具应用于淬硬钢、不锈钢、轴承钢、钛合金等难加工材料的超精密切削，取得了很好的研究成果，而国内尚未开展相关的研究工作。纳米孪晶CBN(nt-cBN)材料与无结合剂CBN相比，具有硬度更高、韧性更好、晶粒尺寸更小等优点。本项目在自然科学基金的资助下在nt-cBN刀具制造和切削性能方面做了很多探索性的研究工作。通过三年的研究已按计划完成了大部分研究工作，首先对用于刀具制造的nt-cBN块材的机械物理性能进行研究，并完成了nt-cBN块材的焊接；对nt-cBN材料进行了机械刃磨机理的理论分析及实验验证，提出一种nt-cBN表层材料去除理论，脆塑转变临界研磨深度理论计算结果为23.9nm，并基于实验分析了研磨工艺参数对加工质量的影响规律；完成了nt-cBN刀具超精密切削淬硬钢的数值模拟分析模型的建立，对切削过程中的切屑形态、切削力、切削温度、残余应力等进行了数值模拟分析，进而优化刀具几何参数和切削工艺参数；研究了加工策略及工艺参数对刀具表面质量和刃口锋利度的影响机制，完成了nt-cBN毫米级尺寸切削刀具的轮廓加工，实现了切削刃钝圆半径低于60nm的nt-cBN圆弧刃微刀具的精密制造；采用nt-cBN刀具完成了淬硬钢的超精密切削加工实验，加工表面粗糙度Sa低于7nm，结合仿真结果研究了淬硬钢纳米级表面的形成机理，以及亚表层损伤即表面完整性的产生机制及影响因素；根据刀具磨损的实验和仿真结果，研究了nt-cBN刀具的磨损机理以及刀具磨损量和磨损形态随着工艺参数变化的演化过程，面向淬硬钢的超精密切削提出了nt-cBN刀具磨损的控制策略。此外，还探讨了截面离子束抛光技术、聚焦离子束(FIB)技术和飞秒激光加工应用在刀具制造的可行性，确定了飞秒激光轮廓加工和FIB精密加工的刀具制造方案；针对nt-cBN材料的飞秒激光和FIB加工机理以及实现锋利刃口和较高表面质量的加工策略进行了研究；完成了纳米孪晶金刚石(ntD)微刀具的制造，加工出了非常完整的圆弧截面微通道结构，底部粗糙度Sa低至13nm，并提出一种微通道结构的加工策略。