高精度碳化硅单晶刀具的电化学机械复合高效刃磨技术研究

• 作 者: 陈钊杰
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 单晶碳化硅4H-SiC 单晶刀具 刃磨 电化学射流辅助磨削 软质砂轮 高效低损伤磨削

近年来,随着先进光学透镜、电子部件、精密仪器和医疗器械对复杂形状与高精度表面的要求的日益提高,超精密加工技术也在不断发展。针对现有切削刀具材料化学稳定性低,高温易损耗,刀具寿命短等问题,本文提出使用高硬度和高化学稳定性兼备的单晶碳化硅(SiC)作为超精密加工用的刀具材料。研究围绕单晶碳化硅刀具的高效精密制备目标,针对碳化硅刀具刃磨困难等问题,提出了电化学射流辅助磨削加工的方法,以实现低损伤、高表面光洁度和高效的加工需求。为此,本文进行了一系列研究,具体内容如下:在文献调查的基础上对刀具发展概况及不同刀具的特点进行概述,提出新型单晶碳化硅刀具,并分析国内外刀具刃磨以及碳化硅加工的技术现状,提出电化学射流辅助磨削的新方法。以此方法为目标,首次对单晶碳化硅的电化学特性进行研究,使用三电极系统研究了其极化曲线与金属的差异,并通过改变电解液离子种类、离子浓度、阳极电位等不同电化学条件,分析4H-SiC的阳极氧化行为,归纳出获得最佳的氧化速率的电解液类型及其质量浓度,通过分析氧化后表面形貌以及表面物质组成,总结出单晶SiC的阳极氧化原理;研究4H-SiC的电化学射流局部氧化特性,对4H-SiC表面进行选择性氧化,分析了不同电流密度下产生氧化膜的形貌差异及产生原因,基于静态单点与动态扫描射流氧化实验研究射流参数对氧化膜形貌以及厚度的影响,通过卷积法的原理总结出形成均匀致密的大区域氧化膜形成条件;开发并探究电化学射流辅助磨削工艺,对比研究电化学射流辅助与传统机械磨削的效果。分析磨削后碳化硅晶体材料的表面完整性,研究不同磨削参数对磨削效果的影响,通过正交实验法对不同参数的影响程度以及最佳组合进行研究,提出了磨削过程的材料去除机理;从刀具设计出发,通过原材料的电火花线切割,机械刃磨和电化学射流辅助刃磨工艺完成刀具制作;观测刀具表面光洁度以及刀刃圆弧半径,通过不同刃磨工艺探究单晶碳化硅刀具的刀刃极限锋利度。此论文所提出的电化学射流辅助磨削方法不仅可以应用于单晶碳化硅刀具制作,也可以应用于其它类似于单晶碳化硅性质特点的材料的磨削抛光。