CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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基于控制研磨深度的金刚石研磨质量分析

庞飞 雷大江 王伟

庞飞, 雷大江, 王伟. 基于控制研磨深度的金刚石研磨质量分析[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(1): 118-125. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0048
引用本文: 庞飞, 雷大江, 王伟. 基于控制研磨深度的金刚石研磨质量分析[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(1): 118-125. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0048
PANG Fei, LEI Dajiang, WANG Wei. Diamond grinding quality analysis based on controlled grinding depth[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(1): 118-125. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0048
Citation: PANG Fei, LEI Dajiang, WANG Wei. Diamond grinding quality analysis based on controlled grinding depth[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(1): 118-125. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0048

基于控制研磨深度的金刚石研磨质量分析

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0048
基金项目: 国家科技重大专项(2017ZX04022001)
详细信息
    作者简介:

    庞飞,男,1996年生,硕士研究生。主要研究方向:金刚石刀具的超精密加工制造。E-mail:190595501@qq.com

  • 中图分类号: TG58;TQ164

Diamond grinding quality analysis based on controlled grinding depth

  • 摘要: 为了探究金刚石器件在机械研磨过程中原子层面的材料表面成形和亚表面损伤机制,利用分子动力学(molecular dynamics,MD)方法建立金刚石多磨粒研磨金刚石工件的模型,仿真研究金刚石材料表面成形的过程,并对比不同研磨深度对研磨力、材料回弹率和材料亚表面损伤的影响规律。分析表明:堆积在磨粒之间的切屑原子具有微研磨的作用,磨粒之间的相变区在研磨的作用下逐渐融合在一起,形成金刚石材料的加工表面;分别以h=0.36 nm、0.71 nm、1.07 nm、1.43 nm的研磨深度进行研磨,研磨深度超过0.71 nm后才能有效抑制金刚石晶体材料回弹,但增大研磨深度会增加金刚石工件表面堆积原子,不能改善其表面研磨质量;研磨深度在0.71 nm范围内的金刚石亚表层损伤较小且稳定,超过0.71 nm的研磨深度会使损伤快速增大,且会出现超过3.00 nm的大纵深损伤。

     

  • 图  1  磨粒研磨的分子动力学模型

    Figure  1.  MD model of abrasive grinding

    图  2  磨粒研磨作用下金刚石工件原子的相变

    Figure  2.  Atomic amorphization of diamond workpiece in abrasive grinding

    图  3  研磨造成的相变层变化

    Figure  3.  Change of amorphous layer caused by grinding

    图  4  磨粒研磨模型示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of abrasive grinding model

    图  5  不同研磨深度下磨粒的切向研磨力变化

    Figure  5.  Tangential grinding force variation of abrasives at different grinding depths

    图  6  不同研磨深度下磨粒的法向研磨力变化

    Figure  6.  Normal grinding force variation of abrasives at different grinding depths

    图  7  不同研磨深度下的原子堆积

    Figure  7.  Atomic build-up at different grinding depths

    图  8  不同研磨深度下工件切片的应力分布

    Figure  8.  Stress distribution of workpiece sections at different grinding depths

    图  9  不同研磨深度下工件表面形貌

    Figure  9.  Surface morphology of the workpiece at different grinding depths

    图  10  金刚石工件的材料回弹现象

    Figure  10.  Material rebound phenomenon of diamond workpieces

    图  11  不同研磨深度下金刚石材料回弹率变化

    Figure  11.  Rebound rate of diamond material changes at different grinding depths

    图  12  工件亚表面损伤厚度测量示意图

    Figure  12.  Schematic diagram of workpiece subsurface damage thickness measurement

    图  13  不同研磨深度下的工件相变层平均厚度变化曲线

    Figure  13.  Change curve of amorphous layer thickness of workpiece under different grinding depth

    图  14  不同研磨深度下的金刚石工件的原子相变

    Figure  14.  Atomic phase transition diagram of diamond workpiece at different grinding depths

    图  15  金刚石研磨系统局部图

    Figure  15.  Local diagram of the diamond grinding system

    图  16  测量简图

    Figure  16.  Measurement sketch

    图  17  不同压力研磨下的表面形貌

    Figure  17.  Surface morphology under different pressures

    表  1  分子动力学仿真试验参数

    Table  1.   MD simulation test parameters

    参数条件或取值
    刻划晶面(0 0 1)
    刻划方向[1 0 0]
    刻划速度 $ {v_x} $ / (m·s−1)100
    研磨深度 h / nm0.36, 0.71, 1.07, 1.43
    磨粒移动距离 L / nm18.5
    时间步长 t / fs0.5
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    表  2  模型具体参数设置[14]

    Table  2.   Model specific parameter settings[14]

    吸引项
    结合能
    $ A $ / eV
    排斥项
    结合能
    $ B $ / eV
    吸引项
    势能梯度
    系数 $ \lambda $ / (nm−1)
    排斥项
    势能梯度
    系数 $ \mu $ / (nm−1)
    键级函
    数值 $ \beta $
    调制函
    数系数 $ n $
    键角函
    数系数 $ c $
    键角函
    数系数 $ d $
    键角函
    数系数 $ h $
    第一截断
    距离 $ R $ / nm
    第二截断
    距离$ S $ / nm
    1 393.6346.734.8822.121.57×10−70.7338 0494.35−0.570.1950.21
    下载: 导出CSV

    表  3  工件表面粗糙度测量结果

    Table  3.   Measurement results of the surface roughness of the workpiece

    研磨压力 F / N表面粗糙度值 Ra / nm
    103.259
    205.696
    308.015
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-14
  • 修回日期:  2022-07-11
  • 录用日期:  2022-07-13
  • 刊出日期:  2023-02-20

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