金剛石刀具

天然金剛石刀具主要用于紫銅及銅合金和金、銀、銠等貴重有色金屬，以及特殊零件的超精密鏡面加工，如錄相機(jī)磁盤、光學(xué)平面鏡、多面鏡和二次曲面鏡等。但其結(jié)晶各向異性，刀具價(jià)格昂貴。PCD的性能取決于金剛石晶粒及鈷的含量，刀具壽命為硬質(zhì)合金(WC基體)刀具的10～500倍。主要用于車削加工各種有色金屬如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金和耐磨性極強(qiáng)的纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材等非金屬材料。切削加工時(shí)切削速度、進(jìn)給速度和切削深度加工條件取決于工件材料以及硬度。人造聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)性能和應(yīng)用接近PCD刀具，主要用在有色金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷、非金屬材料(塑料、硬質(zhì)橡膠、碳棒、木材、水泥制品等)、復(fù)合材料等切削加工，逐漸替代硬質(zhì)合金刀具。由于金剛石顆粒間有部分殘余粘結(jié)金屬和石墨，其中粘結(jié)金屬以聚結(jié)態(tài)或呈葉脈狀分布會(huì)減低刀具耐磨性和壽命。此外存在溶媒金屬殘留量，溶媒金屬與金剛石表面直接接觸。降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐熱溫度，故刀具切削性能不夠穩(wěn)定。金剛石厚膜刀具制備過程復(fù)雜，因金剛石與低熔點(diǎn)金屬及其合金之間具有很高的界面能。金剛石很難被一般的低熔點(diǎn)焊料合金所浸潤(rùn)?？珊感詷O差，難以制作復(fù)雜幾何形狀刀具，故TDF焊接刀具不能應(yīng)用在高速銑削中。金剛石涂層刀具可以應(yīng)用于高速加工，原因是除了金剛石涂層刀具具有優(yōu)良的機(jī)械性能外，金剛石涂層工藝能夠制備任意復(fù)雜形狀銑刀，用于高速加工如鋁鈦合金航空材料和難加工非金屬材料如石墨電極等。

1、天然金剛石Natural Diamond(ND)；

2、人造聚晶金剛石Artificial Polvcrystalline Diamond(PCD)；

3、人造聚晶金剛石復(fù)合片Polycrystalline Diamond Compact(PDC)；化學(xué)氣相沉積涂層金剛石刀具ChemicalVapor Deposition Diamond Coated Tools(CVD)。

4、沉積厚度達(dá)100μm的無襯底純金剛石厚膜Thick Diamond Film(CD)；

5、在刀具基體表面直接上沉積厚度小于30μm的金剛石薄膜涂層Coated Thin Diamond Film(CD)。

金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)?？梢杂糜诜墙饘儆泊嗖牧先缡?、高耐磨材料、復(fù)合材料、高硅鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工。金剛石刀具類型繁多，性能差異顯著，不同類型金剛石刀具的結(jié)構(gòu)、制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域有較大區(qū)別。

天然ND刀具

為天然金剛石拉蔓峰譜，具有以下特征：

(1)1332尖鋒處顯示存在金剛石。

(2)波型幅度(FWHM)為4.1cm-1

顯示為純金剛石。ND是已知礦物中最硬的物質(zhì)，主要用于制備刀具車刀。天然金剛石刀具精細(xì)研磨后刃口半徑可達(dá)0.01～0.002μm。其中天然單晶金剛石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位經(jīng)高倍放大1500倍仍然觀察到刀刃光滑。SCD車削鋁制活塞時(shí)Ra可達(dá)到4μm，而在同樣切削條件下用PCD刀具加工時(shí)的表面粗糙時(shí)的Ra為15～50μm。故采用SCD刀具配合精密車床進(jìn)行精密和超精密加工，可獲得鏡面表面。

聚晶PCD刀具

PCD是高溫超高壓條件下通過鈷等金屬結(jié)合劑將金剛石微粉聚集燒結(jié)合成的多晶體材料，又稱燒結(jié)金剛石。聚晶金剛石刀具整體燒結(jié)成銑刀，用于銑削加工，PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)，屬各向同性，硬度均勻，石墨化溫度為550℃。刀具具有高硬度、高導(dǎo)熱性、低熱脹系數(shù)、高彈性模量和低摩擦系數(shù)。刀刃非常鋒利等特點(diǎn)。

人造PCD刀具

為提高PCD刀片的韌性和可焊性，常將PCD與硬質(zhì)合金刀體做成人造聚晶金剛石復(fù)合刀片(PDc)。即在硬質(zhì)合金基底其表面壓制一層0.5～1mm厚的PCD燒結(jié)而成。復(fù)合刀片的抗彎強(qiáng)度與硬質(zhì)合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。PCD及人造聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)刀具的刃口鋒利性和加工的工件表面質(zhì)量低于ND。同時(shí)其可加工性很差，磨削比小，難以根據(jù)刀頭的幾何形狀任意成形。利用人造聚晶金剛石復(fù)合片只能制備車刀，還不能制造帶斷屑槽的可轉(zhuǎn)位刀片和復(fù)雜三維曲面幾何形狀的銑刀。

TDF焊接刀具

金剛石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金剛石厚膜一次焊接至基體(通常為K類硬質(zhì)合金)上，形成復(fù)合片，然后拋光復(fù)合片，二次焊接至刀體上，刃磨成需要的形狀和刃口。如圖3(a)所示，為CVD金剛石厚膜(金剛石膜厚度達(dá)30μm)，具有硬度高、耐磨損、摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料。由于金剛石焊接過程工藝復(fù)雜，CVD金剛石厚膜(TDF)焊接刀具尚未大批量應(yīng)用。

涂層刀具

金剛石涂層刀具是用CVD法直接在硬質(zhì)合金(K類硬質(zhì)合金)或陶瓷等基體上沉積一層1～25μm金剛石薄膜，無解理面各向同性。如圖3(b)。薄膜涂層刀具硬度達(dá)9800～10000HV。熱導(dǎo)率高，室溫下導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2000W·m-1·K-1，而硬質(zhì)合金刀具導(dǎo)熱系數(shù)僅為80～100m-1·K-1。CVD方法金剛石可以涂層到任何復(fù)雜形狀的刀具上，這是聚晶金剛石無法擁有的最顯著的優(yōu)勢(shì)。

立方氮化硼刀具

立方氮化硼(PCBN)是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的第二種無機(jī)超硬材料,其硬度略次于金剛石,熱穩(wěn)定性好,耐熱性可達(dá)到1400~1500度,比金剛石的耐熱性(700~800度)幾乎高一倍.立方氮化硼(PCBN)刀具主要適合加工各種黑色金屬及其合金材料;最適合于各種淬硬鋼(碳素工具鋼 軸承鋼 模具鋼 高速鋼)珠光體灰口鑄鐵(釩鈦鑄鐵)冷硬鑄鐵高溫合金(鎳基合金鈷基合金)及表面噴涂堆焊的加工.具有使用壽命長(zhǎng),減少換刀次數(shù),補(bǔ)償停機(jī)所花的時(shí)間,使數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線的高效能得到更充分的發(fā)揮,可以改變傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式(即淬火前用刀具粗加工和淬火后用砂輪精加工的方法),從而能在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行淬火前淬火后的車削加工(以車代磨),具有很好的經(jīng)濟(jì)效益.

天然鉆石四方拉絲模

用戶在選擇和使用金剛石涂層刀具之前，必須了解有關(guān)金剛石涂層刀具的以下幾點(diǎn)常識(shí)：

涂層的區(qū)別

非晶金剛石(也稱為類金剛石碳——譯注)涂層是采用PVD工藝沉積的一種碳膜。它既具有一部分金剛石的SP3鍵，又具有一部分碳的SP2鍵；其成膜硬度很高，但又低于金剛石膜的硬度；其厚度也比我們通常沉積的金剛石膜要薄一些。加工石墨時(shí)，非晶金剛石涂層刀具的壽命是未涂層硬質(zhì)合金刀具的2-3倍。與之相比，CVD金剛石則是采用CVD工藝沉積的純金剛石涂層，加工石墨時(shí)的刀具壽命是硬質(zhì)合金刀具的12-20倍，從而可減少換刀次數(shù)，提高加工的可靠性和精度一致性。

加工淬硬鋼

金剛石由碳原子構(gòu)成。某些材料受熱時(shí)，會(huì)從金剛石中吸出碳原子并在工件中形成碳化物。鐵就是此類材料之一。用金剛石刀具加工鐵族材料時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使金剛石中的碳原子擴(kuò)散到鐵中，從而造成金剛石涂層因化學(xué)磨損而提前失效。

刀具的限制

重磨和(或)重涂層的金剛石涂層刀具質(zhì)量難以保證由于刀具表面生成的涂層為純金剛石，因此用金剛石磨輪對(duì)刀具進(jìn)行重磨需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。此外，為使金剛石生長(zhǎng)而采用的刀具。制備工藝會(huì)改變刀具表面的化學(xué)特性，由于涂層時(shí)要求對(duì)這種化學(xué)特性進(jìn)行非常精確的控制，因此刀具重新涂層的效果難以得到保證。

刀具的壽命

與任何其他刀具一樣，金剛石涂層刀具的壽命也各不相同，主要取決于被切削材料、選用的進(jìn)給率和切削速度，以及工件的幾何形狀等。一般來說，加工石墨的金剛石涂層刀具的壽命是未涂層硬質(zhì)合金刀具的10-20 倍，在某些情況下甚至可能更長(zhǎng)。這樣，就能用一把刀具完成幾乎任何加工任務(wù)，無需因刀具磨損而換刀，避免了加工中斷和重新校準(zhǔn)，從而有可能實(shí)現(xiàn)無人值守加工。在復(fù)合材料的加工中，也完全可能獲得較長(zhǎng)的刀具壽命。

據(jù)報(bào)道，在加工高密度玻璃纖維、碳纖維和Gl0-FR4等難加工復(fù)合材料時(shí)，金剛石涂層刀具的壽命可高達(dá)未涂層硬質(zhì)合金刀具的70倍。

存在的問題

金剛石涂層的剝落可以預(yù)防涂層剝落是金剛石涂層刀具的一個(gè)嚴(yán)重問題，也是一個(gè)常見問題(尤其在加工碳纖維之類材料時(shí))，會(huì)導(dǎo)致刀具壽命難以預(yù)測(cè)。上世紀(jì)90年代后期，界面化學(xué)特性被確定為是影響金剛石涂層粘附性能的重要因素。通過選擇兼容性好的硬質(zhì)合金化學(xué)特性、采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理技術(shù)和合理的沉積反應(yīng)條件，就有可能減輕或消除金剛石涂層的剝落，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的磨損模式。在顯微鏡下觀察正常磨損的金剛石涂層刀具，可以發(fā)現(xiàn)，金剛石被穩(wěn)定磨損直至硬質(zhì)合金基體，而沒有發(fā)生崩刃或剝落。

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪具有金剛石和陶瓷結(jié)合劑的共同特點(diǎn)，與普通剛玉、碳化硅磨具相比，它的磨削力強(qiáng)，磨削時(shí)溫度比較低，磨具磨損比較??；可以適應(yīng)各種冷卻液的作用；磨削時(shí)磨具的形狀保持性好，磨出工件的精度高；磨具內(nèi)有較多的氣孔，磨削時(shí)有利于排屑和散熱，不易堵塞、不易燒傷工件；磨具的自銳性比較好，修整間隔的時(shí)間長(zhǎng)，修整比較容易。因此陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的使用日益增多。

選擇合理的工藝參數(shù)，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪研磨單晶金剛石，研磨效率比金屬結(jié)合劑砂輪高，磨耗比非常小，加工成本低，因此采用陶瓷結(jié)合劑砂輪研磨單晶金剛石，可極大的提高破天研磨效率。在磨削PCD刀具方面，由于樹脂結(jié)合劑較軟，磨削時(shí)容易變形，不能有效地磨削PCD刀具；金屬結(jié)合劑由于對(duì)磨粒的結(jié)合能力太強(qiáng)而使磨具自銳性差，磨削效率低，而且金屬結(jié)合劑砂輪會(huì)造成PCD刀具邊緣產(chǎn)生最最嚴(yán)重的破壞；綜合磨削效率、磨具耐用度及工件表面的加工質(zhì)量，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪是磨削PCD刀具最合適選擇。

第1章緒論

1.1天然金剛石刀具對(duì)超精密車削加工的重要作用

1.1.1金剛石刀具刃口鋒利度對(duì)超精密車削加工的重要作用與影響

1.1.2金剛石刀具刀刃幾何形狀對(duì)超精密車削加工的影響

1.1.3金剛石刀具刀刃輪廓精度對(duì)超精密車削加工的影響

1.1.4金剛石刀具刀刃微觀質(zhì)量對(duì)超精密車削加工的影響

1.2天然金剛石刀具制造技術(shù)的發(fā)展

1.2.1天然金剛石刀具的制造方法和主要技術(shù)指標(biāo)

1.2.2天然金剛石刀具制造技術(shù)的發(fā)展

1.2.3天然金剛石刀具應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

1.3天然金剛石刀具制造中的關(guān)鍵問題

1.3.1天然金剛石刀具刃磨理論方面的關(guān)鍵問題

1.3.2天然金剛石刀具的設(shè)計(jì)技術(shù)

1.3.3金剛石刀具刃磨的關(guān)鍵工藝技術(shù)問題

1.3.4天然金剛石刀具刃磨機(jī)床的問題

1.3.5天然金剛石刀具檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面存在的問題

1.3.6天然金剛石刀具微觀應(yīng)用領(lǐng)域存在的問題

參考文獻(xiàn)

第2章天然金剛石晶體特性及預(yù)處理技術(shù)

2.1天然金剛石晶體特性

2.1.1物理化學(xué)性質(zhì)

2.1.2晶體學(xué)特性

2.2天然金剛石的分類與選料

2.2.1金剛石的分類

2.2.2選料原則

2.3天然金剛石的定向

2.3.1人工目測(cè)晶體定向

2.3.2激光晶體定向

2.3.3X射線晶體定向

2.4天然金剛石的切割

2.4.1劈割

2.4.2鋸切

2.4.3激光切割

2.5天然金剛石的裝卡

2.5.1機(jī)械夾持法

2.5.2粘結(jié)法

2.5.3鑲嵌法

2.5.4粉末冶金法

2.5.5釬焊法

參考文獻(xiàn)

第3章金剛石刀具的設(shè)計(jì)與制造方法

3.1金剛石刀具的幾何形狀設(shè)計(jì)

3.2金剛石刀具的晶面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.3金剛石刀具的傳統(tǒng)制造方法及優(yōu)缺點(diǎn)

3.4金剛石刀具的新型制造方法

參考文獻(xiàn)

第4章金剛石晶體的機(jī)械研磨理論

4.1金剛石晶體的機(jī)械研磨理論與學(xué)說

4.2機(jī)械研磨過程的分子動(dòng)力學(xué)仿真模擬

4.2.1仿真模型的建立

4.2.2動(dòng)態(tài)研磨力的分布

4.3金剛石晶體的脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理

4.3.1機(jī)理學(xué)說的提出

4.3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.4金剛石晶體研磨碎屑的相變問題

4.5金剛石晶體的各向異性評(píng)價(jià)

4.5.1金剛石晶體中PBC

4.5.2各向異性評(píng)價(jià)模型

4.5.3不同單形中的晶面及其磨削方向

4.6材料去除率的比值模型

4.6.1材料去除率比值和難磨比值的定義

4.6.2（100）前刀面上的材料去除率比值模型

4.6.3（110）前刀面上的材料去除率比值模型

參考文獻(xiàn)

第5章天然金剛石刀具研磨機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造

5.1天然金剛石刀具對(duì)研磨設(shè)備的要求

5.2天然金剛石刀具研磨機(jī)的發(fā)展

5.3天然金剛石刀具研磨機(jī)設(shè)計(jì)方法和步驟

5.4天然金剛石刀具研磨機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.4.1研磨機(jī)功能分析和整體設(shè)計(jì)

5.4.2總功能分解

5.4.3兩種類型后刀面的研磨

5.4.4原理解組合

5.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

5.5.1總體布置的設(shè)計(jì)

5.5.2坐標(biāo)系的定義

5.5.3總體參數(shù)的確定

5.6研磨機(jī)的誤差初步分析與建模

5.6.1研磨機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5.6.2研磨機(jī)誤差分析

5.6.3空間誤差模型

5.6.4誤差分配

5.7動(dòng)力學(xué)分析

5.7.1有限元模型的建立

5.7.2結(jié)合面處理

5.7.3網(wǎng)格劃分

5.7.4載荷加載及求解

5.7.5觀察結(jié)果

5.8三維外形設(shè)計(jì)

5.9控制系統(tǒng)的開發(fā)

5.9.1電氣系統(tǒng)總體方案

5.9.2各軸系控制方案

5.9.3軟件功能模塊劃分

5.9.4軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.9.5數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

5.10其他輔助設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)

……

第6章天然金剛石刀具的機(jī)械研磨工藝

第7章金剛石刀具的刃口極限鋒利度

第8章天然金剛石刀具的參數(shù)檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)價(jià)

第9章天然金剛石刀具的應(yīng)用

名詞索引

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。