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金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵詞：發(fā)布時(shí)間：2014-03-13 點(diǎn)擊數(shù)：3960

摘要由于金剛石刀具具有硬度高、耐磨性好、熱導(dǎo)率大、摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)惰性強(qiáng)等特性，以及經(jīng)過仔細(xì)刃磨后能得到十分鋒利的刃口，因而能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造領(lǐng)域中有色金屬和非金屬材料的精密和超精密切削加工。本文綜述了單晶和聚晶金剛石刀具制造的*關(guān)鍵技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞單晶金剛石刀具聚晶金剛石刀具制造關(guān)鍵技術(shù)

　　一、前言

　　隨著我國汽車、摩托車、航空航天、計(jì)算機(jī)、核工程、IT、醫(yī)療器械、精密儀器等行業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床和加工中心機(jī)床的普遍使用，對(duì)零件的切削加工精度、尺寸一致性、切削可靠性、生產(chǎn)效率和刀具壽命的要求越來越高。由于金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等眾多的優(yōu)異性能于一身，具有*高的硬度和耐磨性，摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱性高、熱膨脹系數(shù)和化學(xué)惰性低，所以是制造現(xiàn)代高速切削刀具的理想材料。因而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造領(lǐng)域的有色金屬和非金屬材料的精密和超精密切削加工。本文對(duì)單晶和聚晶金剛石刀具制造的*關(guān)鍵技術(shù)作一概述。

　　二、單晶金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)

　　由于單晶金剛石各向異性，在不同晶面及不同方向上性能差異很大，正確的選料和定向不僅可簡(jiǎn)化加工工藝，降低制造成本，而且還可提高刀具刃口質(zhì)量和使用壽命，充分發(fā)揮金剛石刀具的優(yōu)異性能。

　　1.單晶金剛石的選料

　　根據(jù)金剛石晶體中所含的雜質(zhì)可分為Ia型、Ib型、IIa型和IIb型四類。一般按金剛石晶體的顆粒大?。ㄖ亓浚?、形狀、完整程度、透明度、裂紋、包裹體的多少、顏色及其均勻程度作為評(píng)定金剛石品質(zhì)高低的依據(jù)。切削刀具用金剛石的質(zhì)量要求為：晶體完整、形狀為十二面體、弧形八面體或過渡形晶體，晶體直徑一般不小于4mm,顏色為無色、淺綠、黃棕色等，不允許有裂紋，晶體表面可允許有不大于0.5mm的包裹體和蝕坑，重量為0.7～3克拉。對(duì)于精度要求*高的眼科、腦外科手術(shù)刀、激光反射鏡等超精密加工刀具，則要從拉絲模I級(jí)甚至寶石級(jí)原石中選料，*后用偏光顯微鏡或更精密的儀器選出內(nèi)應(yīng)力小的金剛石作為刀具坯料。

　　人工合成單晶金剛石屬Ib型，由于其晶格中氮原子均勻置換了碳原子，減少了氮原子聚集在刃口形成微小崩口的可能性，并且由于晶格均勻畸變，硬度略高于天然單晶金剛石。另外因增加了去除內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)化工藝，使之切削性能更為穩(wěn)定、可靠、離散性更小，出廠時(shí)其晶軸方向已精確確定，所以更適宜于切削刀具的制作。缺點(diǎn)是Ib型人造單晶的脆性較大，加工較天然單晶更為困難，需要采用精細(xì)的刃磨方法才能獲得高質(zhì)量的刃口。

　　2.單晶金剛石的定向

　　對(duì)天然單晶金剛石定向的目的不僅是要使刀具具有*長壽命，而且要求后刀面與已加工表面的摩擦及刃口附近解理面的應(yīng)力*小。單晶金剛石刀具定向應(yīng)包含前、后刀面置于的晶面和晶體成長的晶軸方向二個(gè)方面。研究表明，刀具的定向方案與其在切削過程中的磨損機(jī)理有關(guān)。金剛石刀具的磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的物理與化學(xué)反應(yīng)過程，不同加工條件和不同加工工件材料，其磨損形式及其所占比例也會(huì)不同，磨損速度取決于金剛石在不同材料中的溶解率。磨損形式有機(jī)械磨損、熱化學(xué)磨損和微小崩口等。一般前、后刀面都定在（110，100）或（100，100）晶面上，（111）晶面的任何方向均不易磨削，應(yīng)予避開。

　　晶體定向的方法可分為儀器（例如X射線衍射分析儀）定向和人工目測(cè)定向。儀器定向精度高，但價(jià)格昂貴。人工目測(cè)定向是根據(jù)原子晶面的數(shù)目及相對(duì)位置來確定晶體的晶軸位置與方向。例如八面體晶體，通過三對(duì)對(duì)稱頂點(diǎn)連接而成的三條相互垂直的直線即為晶體的X、Y、Z軸線。八面體的晶面即為（111）面，垂直于軸線磨去其頂點(diǎn)得到八個(gè)正方形即為（100）面；與交成其棱邊的兩個(gè)面等角度地磨去棱邊，即可得（110）面。

　　3.單晶金剛石的焊接

　　由于金剛石具有*高的界面能，焊接性能*差。用機(jī)械夾持或鑲嵌釬焊的方法固定金剛石一直是傳統(tǒng)的加工方法，目前國內(nèi)仍有相當(dāng)一部分企業(yè)沿襲這種簡(jiǎn)易方法制造金剛石刀具。因?yàn)檫@種方法夾持金剛石的牢固性差，刀刃*容易在切削中產(chǎn)生不易察覺的微小位移和振動(dòng)，所以不可能滿足超精密鏡面切削加工的需要。因此，上世紀(jì)七十年代未發(fā)現(xiàn)釬焊金剛石的特定條件（高真空環(huán)境）和釬焊合金（以鈦為活性元素的銀基合金）是金剛石刀具制造技術(shù)*重要的突破之一。相隔10年后問世的惰性氣體保護(hù)下釬焊技術(shù)（德國Kesel公司Brazing Unit DLA2500）和近年研發(fā)的金剛石表面金屬化釬焊技術(shù)是這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步的又一標(biāo)志。

　　4.單晶金剛石的刃磨

　　目前，單晶金剛石刀具的刃磨可分為機(jī)械研磨和非純機(jī)械研磨二種方法。

　　單晶金剛石的機(jī)械研磨是在直徑為300mm的鑄鐵研磨盤上進(jìn)行。研磨盤由材料組織中孔隙的形狀、大小和比例均經(jīng)過優(yōu)化的高磷鑄鐵制成。研磨盤的表面鑲嵌有金剛石研磨粉，其顆粒直徑可從小于1μm直到40μm。粗顆粒研磨效率高，但研磨質(zhì)量差，只能用于粗磨。精磨則采用尺寸小于1μm的微粉。研磨前，首先將金剛石粉與橄欖油或其它類似物質(zhì)混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盤表面，再用一較大的金剛石在研磨盤表面上進(jìn)行預(yù)研磨。研究表明，研磨粉的粒度、研磨盤表面狀態(tài)、研磨的方向角度、研磨盤的端跳和研磨機(jī)床的振動(dòng)等對(duì)研磨刀刃的質(zhì)量有很大影響。機(jī)械研磨因?yàn)榫€速度高、局部壓力大、對(duì)刀具表面及刃口沖擊十分激烈，不可避免地會(huì)導(dǎo)致刀具表面產(chǎn)生微小溝紋和較厚的研磨變質(zhì)層，并且刀刃鋸齒度相對(duì)較大，從而不能滿足要求鋒利度非常高的超精密切削刀具的需要。實(shí)踐表明，采用機(jī)械研磨得到的金剛石表面粗糙度*限值為10nm,刀刃鋸齒度達(dá)幾十個(gè)nm,表面加工變質(zhì)層厚度約為200nm。

　　對(duì)于加工精度要求十分高的金剛石刀具，傳統(tǒng)機(jī)械研磨的方法受到了*大的限制。例如：高精度輪廓儀、隧道掃描顯微鏡和原子力顯微鏡上的金剛石探針的前端球面，其球面半徑僅1～2μm，精度誤差要求小于0.1μm；又如加工光通信光柵表面的微細(xì)溝紋的刀具要求刀尖圓弧半徑不大于0.1μm～0.3μm，尺寸形狀相當(dāng)高等等。為此，除了在原機(jī)械研磨基礎(chǔ)上采用空氣靜壓軸承的高精度研磨盤外，近年國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了各種新的研磨方法。

　　離子束濺蝕法是利用高能離子的轟擊作用直接對(duì)被加工的金剛石刀具的刃口進(jìn)行物理濺蝕，以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的微細(xì)加工。其加工效率及刃口質(zhì)量與離子束能量、刀具表面的電流密度及離子束相對(duì)于刀具表面的夾角有關(guān)。離子束濺蝕法*適用于加工尺寸小于1μm的微小金剛石刀具，并可達(dá)到很高的形狀精度。

　　（2）真空等離子化學(xué)拋光法

　　真空等離子化學(xué)拋光法的加工原理如圖1所示。轉(zhuǎn)動(dòng)的磨盤被中間的高真空區(qū)分為左、右兩部分。左邊為沉積區(qū)，在磨盤表面涂上一層細(xì)晶粒氧化硅；右邊為研磨區(qū)，金剛石表面處于活化狀態(tài)的碳原子通過與磨盤上的氧化硅發(fā)生分子級(jí)化學(xué)反應(yīng)而起到研磨刀具刃口的作用。反應(yīng)生成的一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w被真空泵抽出。該方法的研磨速度為1～3000μm3/ｓ，約每秒0.25～750個(gè)原子層，可研磨出*高的刃口質(zhì)量。該方法*先被美國刀刃技術(shù)公司用于研磨超精密金剛石鏡面切削刀具，廣泛用于加工各種納米級(jí)精度的超精表面。

　　（3）無損傷機(jī)械化學(xué)拋光法

　　該方法是在溶液中加入適量的金剛石微粉和更細(xì)微（達(dá)納米級(jí)）的硅粉，帶強(qiáng)負(fù)靜電的細(xì)微硅粉會(huì)吸附在粒度大得多的單個(gè)金剛石微粒上形成具有硅吸附層的金剛石磨料，然后將其涂敷在多孔的鑄鐵磨盤上對(duì)被加工金剛石進(jìn)行研磨。該方法的磨削效率非常低，僅為每分鐘一個(gè)原子層，但刃口質(zhì)量非常好。

　?。?）熱化學(xué)拋光法

　　在溫度為800℃時(shí)，若使金剛石表面與鐵接觸，金剛石晶體中的碳原子能夠擺脫自身晶格的約束，擴(kuò)散到鐵晶體晶格中去。熱化學(xué)拋光法即是運(yùn)用此機(jī)理對(duì)金剛石表面進(jìn)行研磨加工。該方法的磨削效率為每秒40～2000個(gè)原子層。

　　用上述四種新的研磨方法均可使金剛石表面異常光滑，其表面粗糙度可達(dá)1nm，刀刃非常鋒利（ρ≤0.1μm）和金剛石刀具的變質(zhì)層較淺；缺點(diǎn)是研磨效率較低，適宜于精研后的超精研磨加工。

　　5.單晶金剛石刀具的設(shè)計(jì)

　　單晶金剛石刀具設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)被加工零件的精度要求、實(shí)際加工條件和金剛石材料的特性來綜合設(shè)計(jì)刀具幾何參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循下列原則：①由于單晶金剛石硬度高，加工困難，刀具幾何形狀盡可能簡(jiǎn)單。②根據(jù)單晶金剛石脆性大、抗沖擊能力差的特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合加工條件盡量?jī)?yōu)化幾何形狀參數(shù)，提高刀頭的抗沖擊能力。③根據(jù)被切削零件的精度要求設(shè)計(jì)合理的修光刃長度，同時(shí)考慮刀具刃口的切薄能力，修光刃應(yīng)在≥500倍的高倍顯微鏡下檢測(cè)時(shí)無缺陷。

　　三、聚晶金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)

　　聚晶金剛石刀具的關(guān)鍵制造技術(shù)是刃磨工藝，由于聚晶金剛石（PCD）具有接近單晶金剛石的硬度與耐磨性，使刀具的刃磨相當(dāng)困難，主要體現(xiàn)在材料磨除率小，砂輪損耗大，刃磨效率低與刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨工藝?yán)щy性已成為其推廣應(yīng)用的障礙之一，為了突破這一瓶頸，國內(nèi)外學(xué)者作了大量研究開發(fā)工作。但是迄今為止，任何PCD刀具的刃磨工藝都無法加工出ρ≤1μm的鋒銳刃口，因此難以達(dá)到超精密鏡面切削加工的要求。優(yōu)點(diǎn)是制造成本可大大低于單晶金剛石刀具。

　　PCD刀具的主要刃磨方法目前用得*多的是放電刃磨(EDG)和金剛石砂輪機(jī)械刃磨。

　　1.放電刃磨

　?。?）放電刃磨的機(jī)理

　　放電刃磨是通過在電介質(zhì)分離的砂輪電*與刀具電*間放電產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，將PCD材料中的金屬相熔化和氣化，同時(shí)也可將部分金剛石晶體中的碳原子從晶格中轟逸。刃磨PCD刀具時(shí)，由于金剛石不導(dǎo)電，所以刀具電*即為PCD中的金屬相構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由此可見放電刃磨實(shí)質(zhì)是熱蝕加工過程。由于放電刃磨的溫度瞬時(shí)可高達(dá)8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨時(shí)可能引起金剛石周邊晶體的熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質(zhì)合金基體的界面處侵蝕速度更快，這是放電刃磨的主要缺陷。由于放電刃磨是一種非接觸刃磨過程，磨削力小到可忽略不計(jì)，故刃磨效率很高。

　　（2）放電刃磨的設(shè)備

　　放電刃磨時(shí)，通常采用碳?xì)浠衔镒鳛樯拜嗠?與刀具電*間的電介質(zhì)，工作電壓一般為直流80～200V，砂輪電*采用銅、鎢、石墨等導(dǎo)電材料。根據(jù)刃磨時(shí)的位置，放電刃磨可分為圓周（線）放電刃磨和端面（輪）放電刃磨。在端面放電刃磨中，砂輪旋轉(zhuǎn)還需左右擺動(dòng)。脈沖電源是影響刃磨效率和刃磨質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備。德國Vollmer公司的七軸數(shù)控六軸聯(lián)動(dòng)的QWD760就是圓周放電刃磨機(jī)床，可以加工各種形狀曲面的PCD刀刃；QM110則是端面放電刃磨機(jī)床。

　　國外學(xué)者對(duì)PCD放電刃磨技術(shù)作了大量的試驗(yàn)研究，英國學(xué)者T.B.Thoe等人得到下列結(jié)論：

　?、?、對(duì)于細(xì)晶粒PCD刀具，端面放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量；對(duì)于粗晶粒PCD刀具，圓周放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量。

　?、?、增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致PCD刀具表面產(chǎn)生更深更寬的裂紋。

　　③、細(xì)晶粒PCD容易放電，砂輪電*磨損量小，放電中脫落的晶粒平均尺寸等于晶粒尺寸，故刃口質(zhì)量較好。

　?、堋?粗晶粒PCD與硬質(zhì)合金交界面的侵蝕程度較大。

　　另外，德國學(xué)者E.Beck等人認(rèn)為：脈沖電源及刃磨工藝步驟對(duì)放電刃磨的質(zhì)量有較大影響。

　　2.金剛石砂輪機(jī)械刃磨

　　金剛石砂輪機(jī)械刃磨是目前使用*廣泛的PCD刀具刃磨方法，與放電刃磨相比，其刃磨效率較低（磨除率約為1.5mm3/mｉｎ），加工成本較高，但可獲得良好的刃口質(zhì)量和完整光潔的刀面。

　　（1）刃磨機(jī)理

　　金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD刀具的機(jī)理比較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。通過對(duì)刃磨后的PCD刀具用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其表面的微觀形貌后得出結(jié)論：金剛石砂輪在磨削PCD刀具的過程中發(fā)生了刻劃和滑動(dòng)、摩擦和擠壓、化學(xué)反應(yīng)和微小散裂。當(dāng)砂輪與PCD接觸的瞬間，磨削力突然增大，劇烈的機(jī)械沖擊易使表面產(chǎn)生微小裂紋，只有當(dāng)磨削深度和磨削壓力較大時(shí)才會(huì)發(fā)生PCD碎片剝落。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定磨削期間，由于砂輪的金剛石磨粒不斷在PCD表面上進(jìn)行刻劃、擠壓和摩擦，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，PCD表面上的初期微小裂紋越來越大，直至剝落。當(dāng)磨削繼續(xù)進(jìn)行，磨粒鈍化使磨削溫度達(dá)到金剛石石墨化臨界值時(shí)，PCD會(huì)發(fā)生石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。因此，機(jī)械刃磨PCD刀具的去除材料方式主要是刻劃、摩擦、化學(xué)反應(yīng)和微小片狀剝落。

　?。?）機(jī)械刃磨設(shè)備

　　PCD材料的特性決定了對(duì)PCD刀具刃磨機(jī)床的要求不同于普通工具磨床，即要求：①砂輪主軸和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)以及機(jī)床整體具有很高的剛性和穩(wěn)定性，以保持刃磨時(shí)砂輪對(duì)PCD材料的恒定壓力，彈性變形減小到*少；②砂輪架可作橫向擺動(dòng)，以保證砂輪端面磨損均勻，砂輪架的擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度可調(diào)；③機(jī)床上應(yīng)配置光學(xué)投影裝置和高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量刀尖圓弧R和角度；④機(jī)床工作臺(tái)面和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)直線進(jìn)給數(shù)值由光柵顯示，示值精度達(dá)1μm；⑤采用特殊的專用金剛石砂輪。瑞士EWAG-RS系列和臺(tái)灣遠(yuǎn)山機(jī)械生產(chǎn)的FC-200D/500D能基本滿足PCD刀具機(jī)械刃磨的需要。

　　德國學(xué)者M(jìn).Kenter通過大量試驗(yàn)，得出下列結(jié)論：①為使杯狀金剛石砂輪徑向磨損均勻，應(yīng)使砂輪與刀具的重合度≥1，通過調(diào)節(jié)刃磨機(jī)床砂輪擺動(dòng)的振幅和頻率可達(dá)到這一要求；②砂輪旋轉(zhuǎn)速度VC、恒定壓力FA和PCD材料的粒度，將會(huì)影響磨除率和磨耗比的大小，因此實(shí)際加工時(shí)可改變VC和FA來提高刃磨效率、降低刃磨成本；③砂輪的粒度、硬度、結(jié)合劑種類和冷卻液濃度等均對(duì)磨除率和磨耗比有一定影響。

　　3.PCD刀具的設(shè)計(jì)

　　PCD刀具的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則：①前角大小應(yīng)根據(jù)工件材料的物理力學(xué)特性和刀具制作工藝的難易程度來合理選擇；②后角根據(jù)已加工表面質(zhì)量要求的高低，特別是表面粗糙度、微觀形狀精度和彈性變形量的大小來巧妙合理組合；③刀尖R的大小應(yīng)根據(jù)不同工件材質(zhì)、切削加工余量、表面光亮度、切削力大小和工藝系統(tǒng)剛性來正確選用；④主偏角應(yīng)根據(jù)工藝剛性、切削力大小、切削溫度高低綜合選擇；⑤刃傾角應(yīng)根據(jù)刀尖強(qiáng)度、排屑方向、刀刃鋒利度等正確設(shè)計(jì)。總之，PCD刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)切削加工要求、工件材料、切削條件和切削用量、制造設(shè)備的精度等綜合考慮，*終應(yīng)體現(xiàn)在刀具的刃口既鋒利又強(qiáng)固；加工質(zhì)量要好，刀具壽命要長。

　　四、結(jié)束語

　　根據(jù)我國制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，金剛石刀具特別是高精密、超高精密、微型甚至納米級(jí)的金剛石刀具需求量越來越大，放在我們面前迫切需要解決的問題是：

　　1.建立精確的單晶金剛石切削的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和數(shù)值運(yùn)算，進(jìn)一步研究單晶金剛石刀具的研磨機(jī)理、刀刃形成機(jī)理和刀具磨損機(jī)理。

　　2.用*先進(jìn)的現(xiàn)代科技手段進(jìn)一步完善單晶金剛石刀具高速超精密切削及納米切削的切削理論，創(chuàng)建“超精密微型切削學(xué)”和建立切削數(shù)據(jù)庫。

　　3.進(jìn)一步完善單晶金剛石的釬焊技術(shù)與設(shè)備、超精刃磨技術(shù)及其設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和降低制造成本。

　　4.針對(duì)目前PCD刀具刃磨設(shè)備主要存在放電刃磨刃口質(zhì)量和刀面質(zhì)量差，金剛石砂輪機(jī)械刃磨效率低、刃磨成本高的缺陷，深入研究工藝要素的作用機(jī)理及相互關(guān)系，通過對(duì)工藝參數(shù)綜合優(yōu)化，改善刃磨工藝及其設(shè)備。

　　5.在目前金剛石砂輪機(jī)械刃磨設(shè)備的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)PCD刀具刃磨機(jī)床的多軸聯(lián)動(dòng)并增加高精度的在線測(cè)量裝置，以擴(kuò)大PCD刀具刃磨機(jī)床的加工品種規(guī)格和應(yīng)用范圍

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金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵詞： 發(fā)布時(shí)間：2014-03-13 點(diǎn)擊數(shù)：3960

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