單晶金剛石刀具加工論文節(jié)選

1 單晶金剛石刀具的選料與定向

制作單晶金剛石刀具第1 步工作就是選料,根據(jù)不同的加工條件、方法,選擇合適的原材料不僅可以保證刀具的質(zhì)量,而且可以避免浪費(fèi)金剛石原材料而增加加工成本。一般刀具用金剛石原材料要求晶體完整、無(wú)裂痕,晶體表面應(yīng)該盡量平整,最小直徑一般應(yīng)不小于4 mm ,重量為0. 7～3 ct 。

由于刀具的要求,或金剛石形狀所決定,有時(shí)候需要將金剛石原石分割。金剛石具有平行完全解理,金剛石中的碳原子與碳原子之間是以較大力量的共價(jià)鍵結(jié)合在一起的。但是在金剛石結(jié)構(gòu)中的某些特定方向,如平行八面體面方向施加一定的力后,金剛石非常容易破裂,主要是因?yàn)榻饎偸w中連接此面的鍵相對(duì)較少。因此選擇金剛石的解理面進(jìn)行分割原石。在需要劈開的金剛石上開出一條稱為切縫的槽或刻痕。劈開的技巧在于知道從哪里開縫以及要切多深。切縫要想磨出一把高質(zhì)量單晶金剛石刀具,必須掌握單晶金剛石的晶體定向技術(shù)。這主要是由于單晶金剛石的各向異性的特點(diǎn)決定的,金剛石的各個(gè)方

向上的硬度差別很大。要選擇合適的晶面和晶向作為刀具的前刀面、后刀面,即刀刃,使其耐磨性和加工性能達(dá)到最好。金剛石晶體各界面在好磨方向上, 晶面的磨削率最低, 晶面次之, 晶面磨削率最高。由于 晶面硬度太高,研磨加工困難,而且微觀強(qiáng)度不高,易解理,很難磨出鋒利刃口。晶面在好磨方向上磨削率比晶面高近一倍, 但從金剛石不同晶面產(chǎn)生破損的機(jī)率來適用各種型號(hào)的電機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)。對(duì)于不同的電機(jī)只需調(diào)整相應(yīng)閥值即可。

晶體定向主要有三種方法：人工目測(cè)晶體定向、激光晶體定向和X射線晶體定向。

人工目測(cè)晶體定向

該方法是根據(jù)天然晶體外部幾何形狀、表面生長(zhǎng)、腐蝕特征及各晶面之間的幾何角度關(guān)系，憑借操作者長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)，通過觀察和試驗(yàn)所做的粗略晶體定向。該方法簡(jiǎn)單、易行、不需要借助設(shè)備，但定向結(jié)果準(zhǔn)確性差，對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)要求高，且對(duì)于經(jīng)過加工、失去了天然單晶晶體特征的刀具就無(wú)法再進(jìn)行人工目測(cè)定向。

激光晶體定向

激光晶體定向是用相干性較好的激光照射到金剛石晶體表面上，在不同結(jié)晶方向上表面存在的在生長(zhǎng)過程中形成的形狀規(guī)則的晶面晶紋和微觀凹坑被反射到屏幕上形成特征衍射光圖像。但實(shí)際上因受到外界干擾因素，自然形成的規(guī)則晶面晶紋和微觀凹坑往往不明顯或根本無(wú)法觀察到。因此這種晶體在定向之前，要經(jīng)過適當(dāng)?shù)娜斯じg，以形成特征形貌。

X射線晶體定向

由于X射線的波長(zhǎng)接近晶體的晶格常數(shù)，當(dāng)X射線透過晶體或從晶體表面反射回來時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射。利用這個(gè)原理已開發(fā)有專用的X射線晶體定向儀。這種晶體定向方法精度高，但是因X射線對(duì)人體有一定的危害，在使用時(shí)需注重對(duì)操作人員的保護(hù)。

金剛石刀具的晶向選擇

金剛石各向異性，因此不但各晶面的硬度、耐磨性不同，就是同一晶面不同方向的耐磨性也不同。如果晶向選擇不當(dāng)，即使晶面選擇正確，刃磨效率也會(huì)大大降低。同時(shí)由于金剛石晶體的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大5～7倍，所以在刃磨過程中要選擇晶面的易磨方向，同時(shí)刃口要迎著刃磨砂輪線速度的正方向(即采取逆磨)，以保證刃磨效率并減小刃口的微觀解理程度。

金剛石刀具的磨、破損

金剛石刀具的磨損機(jī)理比較復(fù)雜，可分為宏觀磨損和微觀磨損，前者以機(jī)械磨損為主，后者以熱化學(xué)磨損為主。常見的金剛石刀具磨破損形態(tài)為前刀面磨損、后刀面磨損和刃口崩裂。在單晶金剛石刀具刃磨過程中，需要其磨損以刃磨出滿足要求的刀具，但若產(chǎn)生了不需要的磨損就可能損傷已經(jīng)刃磨好的前、后刀面。而刃口崩裂(即崩刃)是在刃口上的應(yīng)力超過金剛石刀具的局部承受能力時(shí)發(fā)生的，一般是由金剛石晶體沿(111)晶面的微觀解理破損造成的。在超精密加工中，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑比較小，其本身又屬于硬脆材料，同時(shí)由于其各向異性且(111)面易發(fā)生解理，隨著振動(dòng)和砂輪砂粒對(duì)刀具刃口的沖擊作用，故常常會(huì)伴隨產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。

超精密加工中，單晶金剛石刀具的兩個(gè)基本精度是刀刃輪廓精度和刃口的鈍圓半徑。要求加工非球面透鏡用的圓弧刀具刃口的圓度為0.05μm以下,加工多面體反射鏡用的刀刃直線度為0.02μm；刀具刃口的鈍圓半徑(ρ值)表示了刀具刃口的鋒利程度，為了適應(yīng)各種加工要求，刀刃刃口半徑范圍從20nm～1μm。

單晶金剛石刀具的晶面選擇

金剛石晶體屬于平面立方晶系，由于每個(gè)晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之間距離的不同，造成天然金剛石晶體的各向異性，因此金剛石不僅各晶面表現(xiàn)的物理機(jī)械性能不同、其制造難易程度和使用壽命都不相同，各晶面的微觀破損強(qiáng)度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強(qiáng)度可用Hertz試驗(yàn)法來測(cè)定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強(qiáng)度數(shù)值一般偏差較大，主要依賴于應(yīng)力分布的形態(tài)和分布范圍，因此適合用概率論來分析。當(dāng)作用應(yīng)力相同時(shí)，(110)晶面的破損概率最大，(111)晶面次之，(100)晶面產(chǎn)生破損的概率最小。即在外力作用下，(110)晶面最易破損，(111)晶面次之，(100)最不易破損。盡管(110)晶面的磨削率高于(100)晶面，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，(100)晶面較其它晶面具有更高的抗應(yīng)力、腐蝕和熱退化能力。結(jié)合微觀強(qiáng)度綜合考慮，用(100)面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高質(zhì)量的刀具刃口，不易產(chǎn)生微觀崩刃。

通常應(yīng)根據(jù)刀具的要求來進(jìn)行單晶金剛石刀具的晶面選擇。一般來說，如果要求金剛石刀具獲得最高的強(qiáng)度，應(yīng)選用(100)晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗機(jī)械磨損，則選用(110)晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗化學(xué)磨損，則宜采用(110)晶面作刀具的前刀面，(100)晶面作后刀面，或者前、后刀面都采用(100)晶面。這些要求都需要借助晶體定向技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

由于單晶金剛石本身的物理特性，切削時(shí)不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好，加工有色金屬時(shí)，表面粗糙度可達(dá)Rz0.1～0.05μm。金剛石還能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結(jié)硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實(shí)心木和膠合板、MDF等復(fù)合材料)。

試驗(yàn)在EWAG RS-12磨刀機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中，由于缺乏有效的晶體定向手段，只有通過對(duì)報(bào)廢刀具的結(jié)構(gòu)分析，大致判定刀具的晶面方向，然后通過刃磨過程中刀具與砂輪表面的接觸力、接觸聲音等信息，兼顧砂輪速度、主軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度和擺幅等參數(shù)，仔細(xì)尋找刀具合適的刃磨角度。當(dāng)刃磨的聲音比較沉悶吃力、手感機(jī)床有較大振動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即退出刀具，避免刀體損傷砂輪，并重新調(diào)整角度。調(diào)節(jié)適當(dāng)后，刃磨的聲音比較輕快柔軟，手感機(jī)床振動(dòng)微小，并且連續(xù)上刀0.05mm，機(jī)床不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng) 。

通過各次刃磨情況的比對(duì)，確定主切削刃和副切削刃較為合理的刃磨選向?yàn)樯拜喰D(zhuǎn)方向應(yīng)指向刃口受壓方向，并與之形成15～30o角。根據(jù)機(jī)床資料并綜合考慮材料去除率和磨削比率，推薦采用的砂輪速度為8～65m/s。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂輪速度在22～28m/s時(shí)，研磨效果最好；速度在15 m/s時(shí)刃口的Rt值最小。因此，在實(shí)際的刃磨過程中，將刀頭放置在研磨盤φ140左右的區(qū)域內(nèi)，粗磨時(shí)選擇砂輪轉(zhuǎn)速為2100rev/min，精磨時(shí)選擇砂輪轉(zhuǎn)速為1000rev/min，保證粗磨時(shí)的砂輪速度為23m/s左右，精磨時(shí)為15 m/s左右。主軸往復(fù)擺動(dòng)幅度不宜過大，一般比刃磨刀口寬度略寬即可，擺動(dòng)頻率也不宜過快。

為得到經(jīng)濟(jì)性的刃磨效果，磨削接觸壓力需隨著刃長(zhǎng)的增加而增加。在粗磨時(shí)，隨著接觸壓力的升高，會(huì)出現(xiàn)材料去除率的正向突變。在超精磨時(shí)，材料去除率隨接觸壓力的增加先是逐漸升高，當(dāng)接觸壓力增加到180N時(shí)，材料去除率轉(zhuǎn)而逐漸降低。精拋時(shí)刀具與研磨盤之間的接觸壓力在12～14N時(shí)最有利于保證刃磨面的表面光潔度。因此刃磨時(shí)刀具與砂輪表面應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕佑|力。粗磨時(shí)，盡量采用機(jī)床的壓力控制，在對(duì)刀之后應(yīng)盡快上刀，并且按住機(jī)床變位操縱拉桿(該拉桿用于操縱工作臺(tái)在工作位與測(cè)量位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換)，以保證所需較大接觸力，避免引起機(jī)床振動(dòng)導(dǎo)致崩刃。

二十世紀(jì)七十年代后期，在激光核融合技術(shù)的研究中，需要大量加工高精度軟質(zhì)金屬反射鏡，要求軟質(zhì)金屬表面粗糙度和形狀精度達(dá)到超精密水平。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法，不僅加工時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、操作難度大，而且不易達(dá)到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)下，單晶金剛石超精密切削技術(shù)得以迅速發(fā)展。

金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體，其晶體結(jié)構(gòu)屬于等軸面心立方晶系(一種原子密度最高的晶系)。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp₃雜化共價(jià)鍵，因此具有很強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。它是自然界已知的最硬物質(zhì)，其顯微硬度可達(dá)10000HV，其它物理特性見以下內(nèi)容。

金剛石的物理性能講解

物理性能-數(shù)值

硬度-60000～100000MPa，隨晶體方向和溫度而定

抗彎強(qiáng)度-210～490MPa

抗壓強(qiáng)度-1500～2500MPa

彈性模量-(9～10.5)×10的12次方MPa

熱導(dǎo)率-8.4～16.7J/cm·s·℃

質(zhì)量熱容-0.156J/(g·℃)(常溫)

開始氧化溫度-900～1000K

開始石墨化溫度-1800K(在惰性氣體中)

和鋁合金、黃銅間的摩擦系數(shù)-0.05～0.07(在常溫下)

機(jī)械制造及其自動(dòng)化

主要研究方向：

精密及超精密加工技術(shù)，納米制造技術(shù)，特種制造技術(shù)，制造過程自動(dòng)化及信息技術(shù)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用技術(shù)，天然金剛石刀具的制造技術(shù)，光學(xué)玻璃的超精密磨削加工、先進(jìn)陶瓷的超精密磨削加工、微結(jié)構(gòu)表面的超精密磨削與切削加工、復(fù)雜表面光學(xué)元件的精密注塑成型加工、智能刀具，單晶金剛石刀具研磨制造及研修工藝; 各類有色金屬材料超精密零件加工；各種軟脆材料、紅外材料等光學(xué)零件的超精密加工，超精密加工，超精密金剛石車床。

機(jī)械電子工程

主要研究方向：

機(jī)電系統(tǒng)控制及自動(dòng)化，仿真與試驗(yàn)系統(tǒng)，流體控制及自動(dòng)化，傳感與測(cè)控技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)，混粉電火花加工，汽輪機(jī)葉片加工關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，金屬表面電解質(zhì)等離子拋光，面向企業(yè)業(yè)務(wù)重組與信息化的業(yè)務(wù)建模與仿真分析系統(tǒng);設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。

機(jī)械設(shè)計(jì)及理論

主要研究方向：

特種傳動(dòng)智能設(shè)計(jì)及控制，仿生及特種機(jī)器人，摩擦磨損理論，機(jī)械 CAD 及智能控制，復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算分析，起重機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元計(jì)算分析技術(shù)，機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真。

航空宇航制造工程

主要研究方向：

航天產(chǎn)品制造過程信息化技術(shù)、飛行器地面模擬設(shè)備機(jī)電一體化技術(shù)、飛行器特殊材料加工、空間環(huán)境下的虛擬裝配與維修技術(shù)，星球探測(cè)車移動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，足式仿生機(jī)器等。

工業(yè)工程

主要研究方向：

可持續(xù)制造過程管理、重大裝備遠(yuǎn)程預(yù)診與自愈技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、國(guó)家大科學(xué)工程項(xiàng)目項(xiàng)目管理、企業(yè)業(yè)務(wù)過程建模與仿真、企業(yè)資源規(guī)劃、質(zhì)量管理、人因工程等。

工業(yè)設(shè)計(jì)

主要研究方向：

產(chǎn)品界面與外觀設(shè)計(jì)研究；作業(yè)環(huán)境的研究與設(shè)計(jì)；數(shù)字化工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)；產(chǎn)品的安全特性研究與設(shè)計(jì)；人機(jī)交互設(shè)計(jì)；作業(yè)動(dòng)作分析；產(chǎn)品聲音設(shè)計(jì)；產(chǎn)品聲音可聽性研究；產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)；機(jī)電裝備工效學(xué)研究等。

數(shù)字媒體技術(shù)（藝術(shù)）

主要研究方向：

電視與復(fù)合媒體界面設(shè)計(jì)研究、影像技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)藝術(shù)媒介形態(tài)研究；數(shù)字電影、虛擬現(xiàn)實(shí)與工程仿真研究，數(shù)字電影與空間交互敘事研究、工程美學(xué)與環(huán)境仿真設(shè)計(jì)研究、人機(jī)界面與產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊、電子游戲、數(shù)字影視、數(shù)字出版、廣告制作等領(lǐng)域從事數(shù)字媒體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制作與軟件開發(fā)。

如圖1所示

精密機(jī)械加工法是加工精度達(dá)到 1微米的機(jī)械加工方法。精密機(jī)械加工法主要有精車、精鏜、精銑、精磨和研磨等工藝。在嚴(yán)格控制的環(huán)境條件下，使用精密機(jī)床和精密量具和量?jī)x來實(shí)現(xiàn)的。加工精度達(dá)到和超過 0.1微米稱超精密機(jī)械加工法。在航空航天工業(yè)中，精密機(jī)械加工主要用于加工飛行器控制設(shè)備中的精密機(jī)械零件，如液壓和氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)。

一般用天然單晶金剛石刀具,刀刃圓弧半徑小于0.1微米。在高精度車床上加工可獲得1微米的精度和平均高度差小于0.2微米的表面不平度,坐標(biāo)精度可達(dá)±2微米。②精銑：用于加工形狀復(fù)雜的鋁或鈹合金結(jié)構(gòu)件。依靠機(jī)床的導(dǎo)軌和主軸的精度來獲得較高的相互位置精度。使用經(jīng)仔細(xì)研磨的金剛石刀頭進(jìn)行高速銑切可獲得精確的鏡面。

公司經(jīng)營(yíng)國(guó)產(chǎn)及奧地利、瑞典、德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)的進(jìn)口模具鋼材，冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑膠模具鋼，同時(shí)兼營(yíng)各種高級(jí)國(guó)內(nèi)外刀具，如天然金剛石刀具（聚晶金剛石刀具、單晶金剛石刀具）、整體硬質(zhì)合金鋸片、銑刀、鉸刀等，可用于切削加工各種淬火銅、銅、鋁、不銹鋼及各種合金銅等。品種、規(guī)格齊全，可滿足不同用戶的各種需求。

公司設(shè)有大型精光板加工中心，擁有大型平面磨床、龍門銑床、立式小銑床、臥式銑床、鉆孔機(jī)及倒角機(jī)等機(jī)械設(shè)備多臺(tái)；鋸料組配有帶鋸床、立式鋸床多臺(tái)；可滿足用戶切割條料、塊料、加工精光板等不同需求；同時(shí)公司配有探傷儀、硬度計(jì)、光譜儀等檢測(cè)設(shè)備以保證品質(zhì)，工件粗加工六面光公差內(nèi)控達(dá)到±0.2mm，精加工公差內(nèi)控達(dá)到±0.1mm，可承接1000*1000*3000mm的各類粗精加工業(yè)務(wù)，熱處理設(shè)備：擁有德國(guó)IPSEN公司設(shè)計(jì)制造的高溫高壓真空淬火爐兩臺(tái)，其中10BAR真空淬火爐一臺(tái)，加熱室規(guī)格為：600*600*900mm，最大承重800Kg；12BAR真空淬火爐一臺(tái)，加熱規(guī)格為：900*900*1200mm，最大承重1500Kg，特別適合需要高壓力、快冷速的大型壓鑄模具。

旺東盛擁有國(guó)內(nèi)一流的專業(yè)技術(shù)人才，配備有全套精密金相檢測(cè)顯微儀器、硬度測(cè)試儀、超聲波探傷儀等儀器，配合工藝檢驗(yàn)及投訴處理、失效分析等，制訂各類鋼材的公司內(nèi)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有完善的質(zhì)量監(jiān)控體系。