因為金剛石刀具具有硬度高、耐磨性好、熱導(dǎo)率大、沖突系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)慵懶強等特性，以及經(jīng)過仔細(xì)刃磨后能得到十分尖利的刃口，因而能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造范疇中有色金屬和非金屬資料的精細(xì)和超精細(xì)切削加工。彈性磨塊綜述了單晶和聚晶金剛石刀具制造的最要害技能。
一、 前語
跟著我國汽車、摩托車、航空航天、計算機、核工程、IT、醫(yī)療器械、精細(xì)儀器等職業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)控機床和加工基地機床的遍及運用，對零件的切削加工精度、尺度一致性、切削牢靠性、出產(chǎn)功率和刀具壽數(shù)的請求越來越高。因為金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等很多的優(yōu)良功能于一身，具有高的硬度和耐磨性，沖突系數(shù)小、導(dǎo)熱性高、熱膨脹系數(shù)和化學(xué)慵懶低，所以是制造現(xiàn)代高速切削刀具的抱負(fù)資料。因而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造范疇的有色金屬和非金屬資料的精細(xì)和超精細(xì)切削加工。這篇文章對單晶和聚晶金剛石刀具制造的最要害技能作一概述。
二、 單晶金剛石刀具制造的要害技能
因為單晶金剛石各向異性，在不一樣晶面及不一樣方向上功能差異很大，準(zhǔn)確的選料和定向不僅可簡化加工技能，下降制造本錢，而且還可前進(jìn)刀具刃口質(zhì)量和運用壽數(shù)，充分發(fā)揮金剛石刀具的優(yōu)良功能。
1.單晶金剛石的選料
依據(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。通常按金剛石晶體的顆粒巨細(xì)（分量）、形狀、完好程度、透明度、裂紋、包裹體的多少、色彩及其均勻程度作為鑒定金剛石品質(zhì)凹凸的依據(jù)。切削刀具用金剛石的質(zhì)量請求為：晶體完好、形狀為十二面體、弧形八面體或過渡形晶體，晶體直徑通常不小于4mm,色彩為無色、淺綠、黃棕色等，不允許有裂紋，晶體外表可允許有不大于0.5mm的包裹體和蝕坑，分量為0.7～3克拉。關(guān)于精度請求高的眼科、腦外科手術(shù)刀、激光反射鏡等超精細(xì)加工刀具，則要從拉絲模I級乃至寶石級原石中選料，最后用偏光顯微鏡或更精細(xì)的儀器選出內(nèi)應(yīng)力小的金剛石作為刀具坯料。
人工組成單晶金剛石屬Ib型，因為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構(gòu)成細(xì)小崩口的也許性，而且因為晶格均勻畸變，硬度略高于 單晶金剛石。另外因增加了去掉內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)化技能，使之切削功能更為安穩(wěn)、牢靠、離散性更小，出廠時其晶軸方向已準(zhǔn)確斷定，所以更適宜于切削刀具的制造。缺點是Ib型人工單晶的脆性較大，加工較 單晶更為艱難，需求選用精細(xì)的刃磨辦法才干取得高質(zhì)量的刃口。
2.單晶金剛石的定向
對 單晶金剛石定向的意圖不僅是要使刀具具有最長壽數(shù)，而且請求后刀面與已加工外表的沖突及刃口鄰近解理面的應(yīng)力最小。單晶金剛石刀具定向應(yīng)包括前、后刀面置于的晶面和晶體生長的晶軸方向二個方面。研討標(biāo)明，刀具的定向計劃與其在切削進(jìn)程中的磨損機理有關(guān)。金剛石刀具的磨損是一個十分復(fù)雜的物理與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，不一樣加工條件和不一樣加工工件資料，其磨損方法及其所占份額也會不一樣，磨損速度取決于金剛石在不一樣資猜中的溶解率。磨損方法有機械磨損、熱化學(xué)磨損和細(xì)小崩口等。通常前、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。
晶體定向的辦法可分為儀器（例如X射線衍射分析儀）定向和人工目測定向。儀器定向精度高，但價格昂貴。人工目測定向是依據(jù)原子晶面的數(shù)目及相對方位來斷定晶體的晶軸方位與方向。例如八面體晶體，經(jīng)過三對對稱極點銜接而成的三條彼此筆直的直線即為晶體的X、Y、Z軸線。八面體的晶面即為（111）面，筆直于軸線磨去其極點得到八個正方形即為（100）面；與交成其棱邊的兩個面等視點地磨去棱邊，即可得（110）面。
3.單晶金剛石的焊接
因為金剛石具有高的界面能，焊接功能極差。用機械夾持或鑲嵌釬焊的辦法固定金剛石一直是傳統(tǒng)的加工辦法，現(xiàn)在國內(nèi)仍有適當(dāng)一有些企業(yè)沿用這種簡便辦法制造金剛石刀具。因為這種辦法夾持金剛石的結(jié)實性差，刀刃極簡略在切削中發(fā)作不易發(fā)覺的細(xì)小位移和振蕩，所以不也許滿意超精細(xì)鏡面切削加工的需求。因而，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能最重要的打破之一。相隔10年后面世的慵懶氣體維護(hù)下釬焊技能（德國Kesel公司Brazing Unit DLA2500）和近年研制的金剛石外表金屬化釬焊技能是這一要害技能前進(jìn)的又一象征。
4.單晶金剛石的刃磨
現(xiàn)在，單晶金剛石刀具的刃磨可分為機械研磨和非純機械研磨二種辦法。
單晶金剛石的機械研磨是在直徑為300mm的鑄鐵研磨盤上進(jìn)行。研磨盤由資料安排中孔隙的形狀、巨細(xì)和份額均經(jīng)過優(yōu)化的高磷鑄鐵制成。研磨盤的外表鑲嵌有金剛石研磨粉，其顆粒直徑可從小于1μm直到40μm。粗顆粒研磨功率高，但研磨質(zhì)量差，只能用于粗磨。精磨則選用尺度小于1μm的微粉。研磨前，首先將金剛石粉與橄欖油或其它相似物質(zhì)混組成研磨膏，然后涂敷在研磨盤外表，再用一較大的金剛石在研磨盤外表上進(jìn)行預(yù)研磨。研討標(biāo)明，研磨粉的粒度、研磨盤外表狀況、研磨的方向視點、研磨盤的端跳和研磨機床的振蕩等對研磨刀刃的質(zhì)量有很大影響。機械研磨因為線速度高、有些壓力大、對刀具外表及刃口沖擊十分激烈，不可避免地會致使刀具外表發(fā)作細(xì)小溝紋和較厚的研磨蛻變層，而且刀刃鋸齒度相對較大，從而不能滿意請求尖利度十分高的超精細(xì)切削刀具的需求。實踐標(biāo)明，選用機械研磨得到的金剛石外表粗糙度極限值為10nm，刀刃鋸齒度達(dá)幾十個nm,外表加工蛻變層厚度約為200nm。
關(guān)于加工精度請求十分高的金剛石刀具，傳統(tǒng)機械研磨的辦法受到了極大的束縛。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，精度差錯請求小于0.1μm；又如加工光通信光柵外表的微細(xì)溝紋的刀具請求刀尖圓弧半徑不大于0.1μm～0.3μm，尺度形狀適當(dāng)高等等。為此，除了在原機械研磨基礎(chǔ)上選用空氣靜壓軸承的高精度研磨盤外，近年國內(nèi)外專家研制了各種新的研磨辦法。
離子束濺蝕法是運用高能離子的炮擊效果直接對被加工的金剛石刀具的刃口進(jìn)行物理濺蝕，以完成原子級的微細(xì)加工。其加工功率及刃口質(zhì)量與離子束能量、刀具外表的電流密度及離子束相關(guān)于刀具外表的夾角有關(guān)。離子束濺蝕法最適用于加工尺度小于1μm的細(xì)小金剛石刀具，并可到達(dá)很高的形狀精度。
?。?）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，滾動的磨盤被中心的高真空區(qū)分為左、右兩有些。左面為堆積區(qū)，在磨盤外表涂上一層細(xì)晶粒氧化硅；右邊為研磨區(qū)，金剛石外表處于活化狀況的碳原子經(jīng)過與磨盤上的氧化硅發(fā)作分子級化學(xué)反應(yīng)而起到研磨刀具刃口的效果。反應(yīng)生成的一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w被真空泵抽出。該辦法的研磨速度為1～3000μm3/ｓ，約每秒0.25～750個原子層，可研磨出高的刃口質(zhì)量。該辦法最早被美國刀刃技能公司用于研磨超精細(xì)金剛石鏡面切削刀具，廣泛用于加工各種納米級精度的超精外表。
?。?）無損傷機械化學(xué)拋光法
該辦法是在溶液中參加適當(dāng)?shù)慕饎偸⒎酆透w細(xì)（達(dá)納米級）的硅粉，帶強負(fù)靜電的纖細(xì)硅粉會吸附在粒度大得多的單個金剛石微粒上構(gòu)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被加工金剛石進(jìn)行研磨。該辦法的磨削功率十分低，僅為每分鐘一個原子層，但刃口質(zhì)量十分好。
?。?）熱化學(xué)拋光法
在溫度為800℃時，若使金剛石外表與鐵觸摸，金剛石晶體中的碳原子能夠脫節(jié)自身晶格的束縛，分散到鐵晶體晶格中去。熱化學(xué)拋光法便是運用此機理對金剛石外表進(jìn)行研磨加工。該辦法的磨削功率為每秒40～2000個原子層。
用上述四種新的研磨辦法均可使金剛石外表反常潤滑，其外表粗糙度可達(dá)1nm，刀刃十分尖利（ρ≤0.1μm）和金剛石刀具的蛻變層較淺；缺點是研磨功率較低，適宜于精研后的超精研磨加工。
5.單晶金剛石刀具的規(guī)劃
單晶金剛石刀具規(guī)劃時首要依據(jù)被加工零件的精度請求、實踐加工條件和金剛石資料的特性來歸納規(guī)劃刀具幾許參數(shù)。規(guī)劃時應(yīng)遵從下列準(zhǔn)則：①因為單晶金剛石硬度高，加工艱難，刀具幾許形狀盡也許簡略。②依據(jù)單晶金剛石脆性大、抗沖擊才能差的特色，應(yīng)聯(lián)系加工條件盡量優(yōu)化幾許形狀參數(shù)，前進(jìn)刀頭的抗沖擊才能。③依據(jù)被切削零件的精度請求規(guī)劃合理的修光刃長度，一起思考刀具刃口的切薄才能，修光刃應(yīng)在≥500倍的高倍顯微鏡下檢測時無缺點。
三、 聚晶金剛石刀具制造的要害技能
聚晶金剛石刀具的要害制造技能是刃磨技能，因為聚晶金剛石（PCD）具有挨近單晶金剛石的硬度與耐磨性，使刀具的刃磨適當(dāng)艱難，首要體現(xiàn)在資料磨除率小，砂輪損耗大，刃磨功率低與刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨技能艱難性已成為其推廣應(yīng)用的妨礙之一，為了打破這一瓶頸，國內(nèi)外專家作了很多研討開發(fā)作業(yè)?？墒瞧駷橹?，任何PCD刀具的刃磨技能都無法加工出ρ≤1μm的鋒銳刃口，因而難以到達(dá)超精細(xì)鏡面切削加工的請求。長處是制造本錢可大大低于單晶金剛石刀具。
PCD刀具的首要刃磨辦法現(xiàn)在用得最多的是放電刃磨(EDG)和金剛石砂輪機械刃磨。
1.放電刃磨
?。?）放電刃磨的機理
放電刃磨是經(jīng)過在電介質(zhì)別離的砂輪電極與刀具電極間放電發(fā)作瞬時高溫，將PCD資猜中的金屬相熔化和氣化，一起也可將有些金剛石晶體中的碳原子從晶格中轟逸。刃磨PCD刀具時，因為金剛石不導(dǎo)電，所以刀具電極即為PCD中的金屬相構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由此可見放電刃磨本質(zhì)是熱蝕加工進(jìn)程。因為放電刃磨的溫度瞬時可高達(dá)8000～12000℃，因而PCD刀具刃磨時也許致使金剛石周邊晶體的熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質(zhì)合金基體的界面處腐蝕速度更快，這是放電刃磨的首要缺點。因為放電刃磨是一種非觸摸刃磨進(jìn)程，磨削力小到可忽略不計，故刃磨功率很高。
（2）放電刃磨的設(shè)備
放電刃磨時，通常選用碳?xì)浠衔镒鳛樯拜嗠姌O與刀具電極間的電介質(zhì)，作業(yè)電壓通常為直流80～200V，砂輪電極選用銅、鎢、石墨等導(dǎo)電資料。依據(jù)刃磨時的方位，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)還需擺布搖擺。脈沖電源是影響刃磨功率和刃磨質(zhì)量的要害設(shè)備。德國Vollmer公司的七軸數(shù)控六軸聯(lián)動的QWD760即是圓周放電刃磨機床，能夠加工各種形狀曲面的PCD刀刃；QM110則是端面放電刃磨機床。
國外專家對PCD放電刃磨技能作了很多的實驗研討，英國專家T.B.Thoe等人得到下列定論：
?、?、 關(guān)于細(xì)晶粒PCD刀具，端面放電刃磨可取得較好刃口質(zhì)量；關(guān)于粗晶粒PCD刀具，圓周放電刃磨可取得較好刃口質(zhì)量。
?、凇?增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，但一起會致使PCD刀具外表發(fā)作更深更寬的裂紋。
③、 細(xì)晶粒PCD簡略放電，砂輪電極磨損量小，放電中掉落的晶粒均勻尺度等于晶粒尺度，故刃口質(zhì)量較好。
?、堋?粗晶粒PCD與硬質(zhì)合金接壤面的腐蝕程度較大。
另外，德國專家E.Beck等人認(rèn)為：脈沖電源及刃磨技能進(jìn)程對放電刃磨的質(zhì)量有較大影響。
2.金剛石砂輪機械刃磨
金剛石砂輪機械刃磨是現(xiàn)在運用最廣泛的PCD刀具刃磨辦法，與放電刃磨比較，其刃磨功率較低（磨除率約為1.5mm3/mｉｎ），加工本錢較高，但可取得良好的刃口質(zhì)量和完好光亮的刀面。
?。?）刃磨機理
金剛石砂輪機械刃磨PCD刀具的機理比較復(fù)雜，國內(nèi)外專家對此進(jìn)行了很多研討。經(jīng)過對刃磨后的PCD刀具用掃描電子顯微鏡（SEM）調(diào)查其外表的微觀形貌后得出定論：金剛石砂輪在磨削PCD刀具的進(jìn)程中發(fā)作了刻劃和滑動、沖突和揉捏、化學(xué)反應(yīng)和細(xì)小散裂。當(dāng)砂輪與PCD觸摸的剎那間，磨削力俄然增大，劇烈的機械沖擊易使外表發(fā)作細(xì)小裂紋，只有當(dāng)磨削深度和磨削壓力較大時才會發(fā)作PCD碎片脫落。當(dāng)進(jìn)入安穩(wěn)磨削期間，因為砂輪的金剛石磨粒不斷在PCD外表上進(jìn)行刻劃、揉捏和沖突，當(dāng)壓力到達(dá)定程度時，PCD外表上的前期細(xì)小裂紋越來越大，直至脫落。當(dāng)磨削繼續(xù)進(jìn)行，磨粒鈍化使磨削溫度到達(dá)金剛石石墨化臨界值時，PCD會發(fā)作石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。因而，機械刃磨PCD刀具的去掉資料方法首要是刻劃、沖突、化學(xué)反應(yīng)和細(xì)小片狀脫落。
?。?）機械刃磨設(shè)備
PCD資料的特性決議了對PCD刀具刃磨機床的請求不一樣于一般東西磨床，即請求：①砂輪主軸和反轉(zhuǎn)作業(yè)臺以及機床全體具有很高的剛性和安穩(wěn)性，以堅持刃磨時砂輪對PCD資料的穩(wěn)定壓力，彈性變形減小到起碼；②砂輪架可作橫向搖擺，以保證砂輪端面磨損均勻，砂輪架的搖擺頻率和搖擺幅度可調(diào)；③機床上應(yīng)配置光學(xué)投影裝置和高精度反轉(zhuǎn)作業(yè)臺，完成在機測量刀尖圓弧R和視點；④機床作業(yè)臺面和反轉(zhuǎn)作業(yè)臺直線進(jìn)給數(shù)值由光柵顯示，示值精度達(dá)1μm；⑤選用特別的專用金剛石砂輪。瑞士EWAG-RS系列和臺灣遠(yuǎn)山機械出產(chǎn)的FC-200D/500D能根本滿意PCD刀具機械刃磨的需求。
3.PCD刀具的規(guī)劃
PCD刀具的規(guī)劃應(yīng)遵從下列準(zhǔn)則：①前角巨細(xì)應(yīng)依據(jù)工件資料的物理力學(xué)特性和刀具制造技能的難易程度來合理挑選；②后角依據(jù)已加工外表質(zhì)量請求的凹凸，特別是外表粗糙度、微觀形狀精度和彈性變形量的巨細(xì)來巧妙合理組合；③刀尖R的巨細(xì)應(yīng)依據(jù)不一樣工件原料、切削加工余量、外表光亮度、切削力巨細(xì)和技能體系剛性來準(zhǔn)確選用；④主偏角應(yīng)依據(jù)技能剛性、切削力巨細(xì)、切削溫度凹凸歸納挑選；⑤刃傾角應(yīng)依據(jù)刀尖強度、排屑方向、刀刃尖利度等準(zhǔn)確規(guī)劃?？倸w，PCD刀具幾許參數(shù)的規(guī)劃應(yīng)依據(jù)切削加工請求、工件資料、切削條件和切削用量、制造設(shè)備的精度等歸納思考，終究應(yīng)體現(xiàn)在刀具的刃口既尖利又強固；加工質(zhì)量要好，刀具壽數(shù)要長。
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