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金剛石刀具制造的關鍵技術

關鍵詞：發(fā)布時間：2014-03-13 點擊數：3877

摘要由于金剛石刀具具有硬度高、耐磨性好、熱導率大、摩擦系數和熱膨脹系數小、化學惰性強等特性，以及經過仔細刃磨后能得到十分鋒利的刃口，因而能廣泛應用于現代制造領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*關鍵技術。

　　關鍵詞單晶金剛石刀具聚晶金剛石刀具制造關鍵技術

　　一、前言

　　隨著我國汽車、摩托車、航空航天、計算機、核工程、IT、醫(yī)療器械、精密儀器等行業(yè)的飛速發(fā)展，數控機床和加工中心機床的普遍使用，對零件的切削加工精度、尺寸一致性、切削可靠性、生產效率和刀具壽命的要求越來越高。由于金剛石集力學、光學、熱學、聲學等眾多的優(yōu)異性能于一身，具有*高的硬度和耐磨性，摩擦系數小、導熱性高、熱膨脹系數和化學惰性低，所以是制造現代高速切削刀具的理想材料。因而廣泛應用于現代制造領域的有色金屬和非金屬材料的精密和超精密切削加工。本文對單晶和聚晶金剛石刀具制造的*關鍵技術作一概述。

　　二、單晶金剛石刀具制造的關鍵技術

　　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化加工工藝，降低制造成本，而且還可提高刀具刃口質量和使用壽命，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

　　根據金剛石晶體中所含的雜質可分為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定金剛石品質高低的依據。切削刀具用金剛石的質量要求為：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。對于精度要求*高的眼科、腦外科手術刀、激光反射鏡等超精密加工刀具，則要從拉絲模I級甚至寶石級原石中選料，*后用偏光顯微鏡或更精密的儀器選出內應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應力的優(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，需要采用精細的刃磨方法才能獲得高質量的刃口。

　　2.單晶金剛石的定向

　　對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力*小。單晶金剛石刀具定向應包含前、后刀面置于的晶面和晶體成長的晶軸方向二個方面。研究表明，刀具的定向方案與其在切削過程中的磨損機理有關。金剛石刀具的磨損是一個非常復雜的物理與化學反應過程，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。磨損形式有機械磨損、熱化學磨損和微小崩口等。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）定向和人工目測定向。儀器定向精度高，但價格昂貴。人工目測定向是根據原子晶面的數目及相對位置來確定晶體的晶軸位置與方向。例如八面體晶體，通過三對對稱頂點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得到八個正方形即為（100）面；與交成其棱邊的兩個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，目前國內仍有相當一部分企業(yè)沿襲這種簡易方法制造金剛石刀具。因為這種方法夾持金剛石的牢固性差，刀刃*容易在切削中產生不易察覺的微小位移和振動，所以不可能滿足超精密鏡面切削加工的需要。因此，上世紀七十年代未發(fā)現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*重要的突破之一。相隔10年后問世的惰性氣體保護下釬焊技術（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是這一關鍵技術進步的又一標志。

　　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械研磨和非純機械研磨二種方法。

　　單晶金剛石的機械研磨是在直徑為300mm的鑄鐵研磨盤上進行。研磨盤由材料組織中孔隙的形狀、大小和比例均經過優(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行預研磨。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床的振動等對研磨刀刃的質量有很大影響。機械研磨因為線速度高、局部壓力大、對刀具表面及刃口沖擊十分激烈，不可避免地會導致刀具表面產生微小溝紋和較厚的研磨變質層，并且刀刃鋸齒度相對較大，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。實踐表明，采用機械研磨得到的金剛石表面粗糙度*限值為10nm,刀刃鋸齒度達幾十個nm,表面加工變質層厚度約為200nm。

　　對于加工精度要求十分高的金剛石刀具，傳統(tǒng)機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，尺寸形狀相當高等等。為此，除了在原機械研磨基礎上采用空氣靜壓軸承的高精度研磨盤外，近年國內外學者研發(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被加工的金剛石刀具的刃口進行物理濺蝕，以實現原子級的微細加工。其加工效率及刃口質量與離子束能量、刀具表面的電流密度及離子束相對于刀具表面的夾角有關。離子束濺蝕法*適用于加工尺寸小于1μm的微小金剛石刀具，并可達到很高的形狀精度。

　?。?）真空等離子化學拋光法

　　真空等離子化學拋光法的加工原理如圖1所示。轉動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)生分子級化學反應而起到研磨刀具刃口的作用。反應生成的一氧化碳或二氧化碳氣體被真空泵抽出。該方法的研磨速度為1～3000μm3/ｓ，約每秒0.25～750個原子層，可研磨出*高的刃口質量。該方法*先被美國刀刃技術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精度的超精表面。

　　（3）無損傷機械化學拋光法

　　該方法是在溶液中加入適量的金剛石微粉和更細微（達納米級）的硅粉，帶強負靜電的細微硅粉會吸附在粒度大得多的單個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被加工金剛石進行研磨。該方法的磨削效率非常低，僅為每分鐘一個原子層，但刃口質量非常好。

　?。?）熱化學拋光法

　　在溫度為800℃時，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，擴散到鐵晶體晶格中去。熱化學拋光法即是運用此機理對金剛石表面進行研磨加工。該方法的磨削效率為每秒40～2000個原子層。

　　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1nm，刀刃非常鋒利（ρ≤0.1μm）和金剛石刀具的變質層較淺；缺點是研磨效率較低，適宜于精研后的超精研磨加工。

　　5.單晶金剛石刀具的設計

　　單晶金剛石刀具設計時主要根據被加工零件的精度要求、實際加工條件和金剛石材料的特性來綜合設計刀具幾何參數。設計時應遵循下列原則：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單。②根據單晶金剛石脆性大、抗沖擊能力差的特點，應結合加工條件盡量優(yōu)化幾何形狀參數，提高刀頭的抗沖擊能力。③根據被切削零件的精度要求設計合理的修光刃長度，同時考慮刀具刃口的切薄能力，修光刃應在≥500倍的高倍顯微鏡下檢測時無缺陷。

　　三、聚晶金剛石刀具制造的關鍵技術

　　聚晶金剛石刀具的關鍵制造技術是刃磨工藝，由于聚晶金剛石（PCD）具有接近單晶金剛石的硬度與耐磨性，使刀具的刃磨相當困難，主要體現在材料磨除率小，砂輪損耗大，刃磨效率低與刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨工藝困難性已成為其推廣應用的障礙之一，為了突破這一瓶頸，國內外學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，因此難以達到超精密鏡面切削加工的要求。優(yōu)點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)和金剛石砂輪機械刃磨。

　　1.放電刃磨

　　（1）放電刃磨的機理

　　放電刃磨是通過在電介質分離的砂輪電*與刀具電*間放電產生瞬時高溫，將PCD材料中的金屬相熔化和氣化，同時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，由于金剛石不導電，所以刀具電*即為PCD中的金屬相構成的導電網絡。由此可見放電刃磨實質是熱蝕加工過程。由于放電刃磨的溫度瞬時可高達8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨時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，故刃磨效率很高。

　?。?）放電刃磨的設備

　　放電刃磨時，通常采用碳氫化合物作為砂輪電*與刀具電*間的電介質，工作電壓一般為直流80～200V，砂輪電*采用銅、鎢、石墨等導電材料。根據刃磨時的位置，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，砂輪旋轉還需左右擺動。脈沖電源是影響刃磨效率和刃磨質量的關鍵設備。德國Vollmer公司的七軸數控六軸聯動的QWD760就是圓周放電刃磨機床，可以加工各種形狀曲面的PCD刀刃；QM110則是端面放電刃磨機床。

　　國外學者對PCD放電刃磨技術作了大量的試驗研究，英國學者T.B.Thoe等人得到下列結論：

　?、佟?對于細晶粒PCD刀具，端面放電刃磨可獲得較好刃口質量；對于粗晶粒PCD刀具，圓周放電刃磨可獲得較好刃口質量。

　?、?、增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，但同時會導致PCD刀具表面產生更深更寬的裂紋。

　?、?、細晶粒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，故刃口質量較好。

　　④、粗晶粒PCD與硬質合金交界面的侵蝕程度較大。

　　另外，德國學者E.Beck等人認為：脈沖電源及刃磨工藝步驟對放電刃磨的質量有較大影響。

　　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量和完整光潔的刀面。

　　（1）刃磨機理

　　金剛石砂輪機械刃磨PCD刀具的機理比較復雜，國內外學者對此進行了大量研究。通過對刃磨后的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、摩擦和擠壓、化學反應和微小散裂。當砂輪與PCD接觸的瞬間，磨削力突然增大，劇烈的機械沖擊易使表面產生微小裂紋，只有當磨削深度和磨削壓力較大時才會發(fā)生PCD碎片剝落。當進入穩(wěn)定磨削期間，由于砂輪的金剛石磨粒不斷在PCD表面上進行刻劃、擠壓和摩擦，當壓力達到一定程度時，PCD表面上的初期微小裂紋越來越大，直至剝落。當磨削繼續(xù)進行，磨粒鈍化使磨削溫度達到金剛石石墨化臨界值時，PCD會發(fā)生石墨化和其它化學反應。因此，機械刃磨PCD刀具的去除材料方式主要是刻劃、摩擦、化學反應和微小片狀剝落。

　?。?）機械刃磨設備

　　PCD材料的特性決定了對PCD刀具刃磨機床的要求不同于普通工具磨床，即要求：①砂輪主軸和回轉工作臺以及機床整體具有很高的剛性和穩(wěn)定性，以保持刃磨時砂輪對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，以保證砂輪端面磨損均勻，砂輪架的擺動頻率和擺動幅度可調；③機床上應配置光學投影裝置和高精度回轉工作臺，實現在機測量刀尖圓弧R和角度；④機床工作臺面和回轉工作臺直線進給數值由光柵顯示，示值精度達1μm；⑤采用特殊的專用金剛石砂輪。瑞士EWAG-RS系列和臺灣遠山機械生產的FC-200D/500D能基本滿足PCD刀具機械刃磨的需要。

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

　　3.PCD刀具的設計

　　PCD刀具的設計應遵循下列原則：①前角大小應根據工件材料的物理力學特性和刀具制作工藝的難易程度來合理選擇；②后角根據已加工表面質量要求的高低，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的大小應根據不同工件材質、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主偏角應根據工藝剛性、切削力大小、切削溫度高低綜合選擇；⑤刃傾角應根據刀尖強度、排屑方向、刀刃鋒利度等正確設計?？傊?，PCD刀具幾何參數的設計應根據切削加工要求、工件材料、切削條件和切削用量、制造設備的精度等綜合考慮，*終應體現在刀具的刃口既鋒利又強固；加工質量要好，刀具壽命要長。

　　四、結束語

　　根據我國制造業(yè)發(fā)展的趨勢，金剛石刀具特別是高精密、超高精密、微型甚至納米級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學力學模型，應用計算機仿真技術和數值運算，進一步研究單晶金剛石刀具的研磨機理、刀刃形成機理和刀具磨損機理。

　　2.用*先進的現代科技手段進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”和建立切削數據庫。

　　3.進一步完善單晶金剛石的釬焊技術與設備、超精刃磨技術及其設備，提高生產效率和降低制造成本。

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

　　5.在目前金剛石砂輪機械刃磨設備的基礎上，逐步實現PCD刀具刃磨機床的多軸聯動并增加高精度的在線測量裝置，以擴大PCD刀具刃磨機床的加工品種規(guī)格和應用范圍

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