一种适用于转向精密磨研的超硬材料的筛选方法及加工方法

1.本发明属于超精密加工技术领域，更具体地，涉及一种适用于转向精密磨研的超硬材料的筛选方法及加工方法。


背景技术：

2.随着现代加工制造业的飞速发展，精密和超精密加工技术得到了重点关注和大力发展，它是衡量一个国家尖端制造业发展水平和国际竞争力的重要标志。目前，超精密数控机床的研发已成为热点领域。刀具作为超精密数控机床的核心部件之一，其性能直接决定了加工精度。作为超硬碳材料的代表，纳米孪晶复合金刚石(nanotwinned diamond composite，nt-d)具有金刚石材料中前所未有的硬度、韧性和热稳定性，nt-d的维氏硬度(hv)达200gpa，是天然金刚石的2倍，断裂韧性(k
ic
)达26.6mpa m
1/2
，是天然金刚石的5倍，与硬质合金相当。此外，nt-d的起始氧化温度与天然金刚石相比提高了约210℃。这些优异的性能表明nt-d有望成为具有更高精度、更高热稳定性和更长寿的超精密切削刀具。
3.目前，采用传统的单方向磨研工艺制造nt-d刀具，效率低加工困难，且加工后nt-d的表面质量差、晶界处应力集中明显，无法获得形状合适、表面光滑、刀刃锋锐的刀具，这已成为制约nt-d在超精密加工领域应用的瓶颈。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于转向精密磨研的超硬材料的筛选方法及加工方法，旨在解决现有利用单方向磨研工艺对超硬材料进行加工的方法存在效率低、加工困难、加工后产品表面质量差等问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种适用于转向精密磨研的超硬材料的筛选方法，包括如下步骤：
6.s1.1、预测超硬材料可能存在的单晶多型结构，并对各类单晶多型结构进行优化，得到单晶模型，并计算所述单晶模型的力学性能；
7.s1.2、以构建的单晶模型为种子建立所述超硬材料的多晶模型；
8.s1.3、对适用于分子动力学模拟的势函数进行验证优化，然后对建立的各类多晶模型进行分子动力学磨削模拟，获取单磨粒和多磨粒磨研下超硬材料内部微结构和表面宏观性能的关联，再通过改变磨削模拟加工参数，获取外部加工参数和表面宏观性能的关联，从而筛选得到适用于转向精密磨研的超硬材料，并得到所述适用于转向精密磨研的超硬材料的易磨方向。
9.优选地，步骤s1.1中，采用粒子群优化算法预测可能存在的单晶多型结构，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算优化预测的单晶多型结构。
10.优选地，步骤s1.1中，计算所述单晶模型的力学性能具体为：对所述单晶模型进行应变加载，获取包括所述单晶模型在受力时的理想强度、能量变化、原子运动和化学键的断裂重组情况的信息。
11.优选地，步骤s1.2中，采用泰森多边形算法建立多晶模型。
12.优选地，步骤s1.3中，所述适用于分子动力学模拟的势函数包括tersoff势、c.lcbop势和ch.airebo势。
13.优选地，步骤s1.3中，势函数的验证优化方法为通过对比第一性原理计算和分子动力学模拟计算建立的单晶模型的界面能、表面能、层错能、孪晶能、派纳力、剪切应变应力关系，筛选或修正势函数，得到适用于分子动力学磨削模拟的势函数。
14.按照本发明的另一方面，提供了一种基于转向精密磨研的超硬材料加工方法，包括如下步骤：
15.s1、利用上述筛选方法得到适用于转向精密磨研的超硬材料；
16.s2、根据所述超硬材料中各晶粒的易磨方向，采用转向磨研的方式对所述超硬材料中的易磨方向进行磨研，保证不同晶粒的表面材料去除率相同；
17.s3、对磨研后的样品进行表面抛光。
18.优选地，步骤s2中，磨研过程中的负载压依据预设的不同晶粒易磨方向的磨削率而设定。
19.优选地，步骤s3具体为：将纳米级镍粉、纳米级钴粉、纳米级二氧化硅与微米级金刚石粉末混合作为抛光剂，对抛光板施加2n～5n载荷，在500r/min～1500r/min转速下对磨研后的样品进行表面抛光。
20.优选地，所述加工方法还包括步骤s4，通过超声波振动清洗去除抛光后样品表面残留，并通过高频超声波去除抛光后样品晶界处的残余应力。
21.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
22.(1)本发明通过数值模拟建立超硬材料内部微结构和外部加工参数与超硬材料表面宏观性能的关联，筛选出适用于转向精密磨研的超硬材料，同时获得超硬材料中各个晶粒的易磨方向，以便于从不同的易磨方向进行转向磨研，从而克服传统单方向磨研带来的表面质量差、晶界应力集中等问题。
23.(2)本发明提出了基于转向精密磨研的超硬材料加工方法，该工艺考虑到超硬材料的晶向、孪晶界及相界等微结构信息依据磨研面晶粒的易磨方向制定磨研程序，将样品分别转到各个晶粒的易磨方向进行磨研，磨研方向实时调整，可保证磨研面表面材料去除率一致。采用转向精密磨研的方法避免了传统磨研工艺的缺点，不断转到易磨方向进行精密磨研提高了加工效率，扩展了超精密加工的范围，有望为具有更高精度、更高热稳定性和更长寿的超精密切削刀具提供参考。
附图说明
24.图1为本发明实施例中nt-d不同微结构特征的数值模型。
25.图2为本发明实施例中分子动力学模拟磨削示意图。
26.图3为本发明实施例中金刚石111面不同晶向磨削力图。
27.图4为本发明实施例中nt-d样品中晶粒分布及易磨方向示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.本发明涉及的超硬材料(superhard material)，典型代表为聚晶金刚石、蓝丝黛尔石、纳米孪晶金刚石以及纳米孪晶立方氮化硼等。本实施例以超硬纳米孪晶金刚石(nt-d)为例，通过数值模拟探究了超硬材料的内部微结构与表面宏观性能的关联，设计出一种适用于转向精密磨研的nt-d的筛选方法，其包括如下步骤：
30.(1)单晶模型的构建：建立典型的单晶金刚石多型结构，采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测程序calypso搜寻可能存在的金刚石多型结构，随后优化预测出各类单晶多型结构，筛选可能存在的结构，为后续基于第一性原理(fpc)的压剪模拟和多晶模型的建立提供基础。
31.该步骤中的模型建立是利用ms(materials studio)软件建立典型的单晶金刚石多型结构，包括3c单相、孪晶(tb)相、3c/2h双相、3c/4h双相和3c/4h/2h多相，如图1所示。
32.优化预测方法是采用基于密度泛函理论(density functional theory,dft)的第一性原理计算软件vasp(vienna ab-intio simulation package)优化预测出各类单晶多型结构，筛选出可能存在的结构。
33.(2)多晶模型的构建：基于泰森多边形算法(voronoi tessellation)将空间进行二维或三维划分，以优化后的单晶模型为“种子”建立多晶模型，如附图1所示。
34.该步骤中的多晶模型建立是通过晶体建模软件atomsk的polycrystal模块，基于泰森多边形算法(voronoi tessellation)。
35.(3)单晶模型的基本力学性能计算：对calypso筛选出的单晶金刚石多型结构进行拉压、纯剪、压剪等应变加载，以获取各类模型在受到摩擦应力时的理想强度、能量变化、原子运动、化学键的断裂重组等信息，探索压剪过程中可能出现的亚稳定构型，便于分析nt-d的表面生成机理。
36.该步骤中对单晶金刚石多型结构的应变加载是采用vasp软件进行的。其中理想强度、能量变化等信息通过vasp计算得到。原子运动、化学键的断裂重组等信息是采用可视化软件ovito(open visualization tool)和vesta(visualization for electronic and structural analysis)实现的。
37.(4)势函数验证与优化：针对金刚石的分子动力学(md)模拟研究，常用的势函数有tersoff势、c.lcbop势、ch.airebo势等；上述势函数多用于md压缩或压痕模拟，是否适用于md磨削模拟有待评估。从界面能、表面能、层错能、孪晶能、派纳力、剪切应变应力关系等表界面和力学响应方面进行验证优化。
38.所述的md模拟是基于lammps(large-scale atomic/molecular massively parallel simulator)软件实现的。所述的界面能、表面能、层错能等信息是基于vasp软件计算得到的。
39.(5)md磨削模拟：验证优化势函数后，开展md磨削模拟研究，如图2磨削示意图所示。拟对建立的各类二维/三维多晶模型进行md磨削模拟，分析晶界、孪晶界、相界等微结构对表面生成、表面材料去除、磨料堆积等的影响。通过观测单磨粒和多磨粒磨研下nt-d模型
的表面形貌、局部应力、相结构转变、化学键变化等，获取微结构-表面生成机理关联，明确磨削模拟后表面质量优异的微结构类型，为磨研实验筛选nt-d样品提供指导。随后，通过改变磨削方向、速率、模拟温度等外部加工参数，多次进行磨削模拟，获取外加工-表面生成关联。通过对金刚石的三个低指数晶面，即(111)面、(110)面和(001)面的md磨削模拟以确定易磨方向。如图3所示，以(111)面为例，通过md磨削模拟可知(111)面的易磨方向为[2_11]晶向，其余各个晶面易磨方向的确定方法相同，这里不再一一赘述。易磨方向的确定为后续nt-d的转向精密磨研加工实验方案的制定提供了指导。
[0040]
另一方面，本实施例还提供了一种基于转向精密磨研的超硬材料加工方法，其包括如下步骤：
[0041]
s1、利用上述筛选方法筛选得到适用于转向精密磨研的超硬材料
[0042]
通过该步骤筛选得到具有表面质量优异的微结构的nt-d样品，以便后续开展磨研实验，同时筛选过程中的磨削模拟可为实际样品磨研实验的加工参数提供参考。
[0043]
s2、对所筛选出的超硬nt-d样品进行转向精密磨研
[0044]
所述转向精密磨研的加工方案针对晶体结构中晶粒易磨方向不同而制定，如附图4所示。具体地，采用yx-2型x射线晶体定向仪分别测定磨研面各个晶粒的易磨方向，并根据三个晶粒中易磨方向的磨削率制定磨研程序。在空气轴承金刚石刀具磨研机中输入磨研程序，将nt-d样品先按照晶粒1的易磨方向固定在金刚石刀具磨研机上，对磨研盘施加固定载荷，以2000r/min转速进行磨研；随后依据磨研程序，固定装置分别转到晶粒2和3的易磨方向多次磨研，以保证3个晶粒的表面材料去除率一致；磨研面晶粒易磨方向的磨研负载压依据其磨削率比而定。可通过改变磨研速率、温度等外部加工参数，多次进行磨研实验，获取外部加工参数对nt-d磨研表面生成的影响。
[0045]
s3、对磨研后的nt-d样品进行表面抛光
[0046]
本实施例采用基于微细磨粒的机械作用的超精密磨研抛光对样品的表面进行抛光，具体实施方法为将不同比例的纳米级镍粉、钴粉、二氧化硅等抛光剂与微米级金刚石粉末混合作为抛光剂，对抛光板施加3n载荷，以500r/min～1500r/min转速对磨研后的nt-d样品表面抛光。
[0047]
s4、后续处理及实验论证
[0048]
利用超声波清洗仪对抛光后的nt-d样品振动清洗以除去各类碎屑、抛光剂残留等。
[0049]
转向精密磨研下nt-d表面生成机理的实验论证，可揭示磨粒磨损与超硬材料表面应力场变化的物理机制，具体包括以下内容：
[0050]
a.表面形貌表征和表面粗糙度测量，表面和次表面微结构表征：由于晶界两侧晶粒的晶向不同，需重点关注两侧的形貌差异以及晶界处是否存在应力集中和磨料堆积现象。
[0051]
其中，用来表征表面形貌并测量表面粗糙度的仪器是afm，用来表征表面和次表面微结构的仪器是hrtem。
[0052]
b.表面成分和化学键表征：测量表面区域的元素组成和化学态，观测抛光剂元素的残留程度；表征表面及次表面的化学键，以估算磨研抛光过程中sp3碳原子杂化键向sp2碳原子杂化键的转化程度。结合数值模拟结果，明确内部微结构和外部加工参数与nt-d表面
宏观性能的关联，揭示nt-d的表面生成机理，以便于对以后原材料样品筛选过程中的磨削模拟和转向磨研加工过程进行优化调整。
[0053]
其中，测量表面区域的元素组成和化学态的仪器是x射线能谱仪(eds)，采用电子能量损失谱(eels)表征表面及次表面的化学键。
[0054]
c.力学性能表征及残余应力消除：测量磨研抛光前后nt-d样品磨研面的硬度、韧性、耐磨等力学性能，考察不同加工参数对力学性能损失的影响程度。评估晶界处的残余应力并通过高频超声波将其消除。
[0055]
其中，硬度、韧性、耐磨等力学性能参数是采用纳米压痕仪(nth)和摩擦磨损试验机测量得到。残余应力消除采用非线性超声检测ram-snap设备实现。
[0056]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。