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复杂微细结构及自由曲面的高效、高精度、低成本加工已成为现代制造领域一个重要课题和研究趋势。作为一种相对新兴的加工方法,金刚石超精密切削加工技术已成功应用于非铁基材料复杂微细结构的超精密加工中。然而,金刚石刀具的快速、剧烈磨损问题,严重限制了其在铁基材料超精密切削加工中的应用。因此,金刚石刀具磨损的抑制成了铁基材料金刚石超精密切削加工的关键。本文的研究目标便是将金刚石超精密切削加工技术引入到铁基材料的超精密切削加工中,并开发针对铁基材料的复杂微细结构及自由曲面的金刚石超精密切削加工工艺。本文主要做了以下研究工作: 为克服金刚石刀具的化学磨损问题,将等离子稀土渗氮处理技术引入到铁基材料的金刚石超精密切削加工中。实验结果表明,等离子稀土渗氮技术可有效抑制金刚石刀具的化学磨损,采用该技术不仅在铁基材料上实现了光学镜面(表面粗糙度RMS20nm)的长距离(5.4km)金刚石超精密切削加工,并且首次采用常规金刚石超精密切削加工方法在铁基材料上实现了表面粗糙度 RMS优于40nm的菲涅尔透镜结构(直径5mm)的超精密加工。然而,实验结果显示,尽管等离子稀土渗氮技术可有效抑制金刚石刀具的化学磨损,但是对于微崩碎磨损的抑制则无能为力。 为进一步抑制金刚石刀具的磨损行为,首次将等离子稀土渗氮技术及椭圆振动辅助切削加工技术结合起来用于铁基材料的金刚石超精密切削加工,并从热、化学及损伤力学角度对金刚石刀具的微崩碎磨损机理及其抑制进行了系统研究。实验结果表明,作用在金刚石刀具上过大的比切削力是导致金刚石刀具微崩碎磨损的主要原因,并且等离子稀土渗氮技术与椭圆振动辅助切削加工技术相结合的联合解决方案对于金刚石刀具磨损的抑制强烈依赖于金刚石刀具的晶向选择。在相同实验条件下,相对于常用的前、后刀面均为(100)面的金刚石刀具,前刀面为(110)面、后刀面为(100)面的金刚石刀具具有更好的抗微崩碎磨损能力。 在上述研究结果的基础上,开发了基于二维椭圆振动辅助切削加工技术的复杂微细结构的金刚石超精密切削加工工艺,通过精确控制切削深度方向振幅的方法在铁基材料上实现了具有纳米级表面粗糙度的正弦波、三角波、锯齿波、六边形等规则微细结构及哈尔滨工业大学校徽、校名等不规则微细结构的金刚石超精密切削加工。实验结果表明,本文所开发的加工工艺具有较好的实用性,5小时(甚至更短时间)内便可在面积为64mm×48mm的加工区域内实现表面粗糙度Ra小于5nm,Rz小于20nm的复杂微细结构的超精密切削加工。 本文最后开发了自由曲面的金刚石超精密切削加工工艺,与上述复杂微细结构的加工工艺相似,自由曲面加工工艺也是基于二维椭圆振动辅助切削加工技术,不同的是通过控制切削加工过程中金刚石刀具振动轨迹与被加工表面法向量之间的位置关系在铁基材料上实现了具有纳米级表面粗糙度的自由曲面的金刚石超精密切削加工。实验结果表明,采用本文所开发的加工工艺,可在数小时内完成表面粗糙度Ra小于15nm,Rz小于70nm的较大尺寸自由曲面(直径39mm,深度/高度5.6mm)的超精密加工。