天然金剛石刀具制造技術(shù)

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(lái)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(lái)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(lái)進(jìn)行單晶金剛石刀具的晶面選擇。一般來(lái)說(shuō)，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(lái)實(shí)現(xiàn)。

PCD刀具的制造過(guò)程主要包括兩個(gè)階段:①PCD復(fù)合片的制造:PCD復(fù)合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結(jié)合劑(其中含鈷、鎳等金屬)按一定比例在高溫(1000~2000℃)、高壓(5~10萬(wàn)個(gè)大氣壓)下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過(guò)程中，由于結(jié)合劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結(jié)合橋，金剛石晶體以共價(jià)鍵形式鑲嵌于結(jié)合橋的骨架中。通常將復(fù)合片制成固定直徑和厚度的圓盤(pán)，還需對(duì)燒結(jié)成的復(fù)合片進(jìn)行研磨拋光及其它相應(yīng)的物理、化學(xué)處理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括復(fù)合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

由于PCD復(fù)合片具有很高的硬度及耐磨性，因此必須采用特殊的加工工藝。目前，加工PCD復(fù)合片主要采用電火花線切割、激光加工、超聲波加工、高壓水射流等幾種工藝方法，其工藝特點(diǎn)的比較見(jiàn)表1。

表1 PCD復(fù)合片切割工藝的比較

工藝方法-工藝特點(diǎn)

電火花加工-高度集中的脈沖放電能量、強(qiáng)大的放電爆炸力使PCD材料中的金屬融化，部分金剛石石墨化和氧化，部分金剛石脫落，工藝性好、效率高

超聲波加工-加工效率低，金剛石微粉消耗大，粉塵污染大

激光加工-非接觸加工，效率高、加工變形小、工藝性差

在上述加工方法中，電火花加工效果較佳。PCD中結(jié)合橋的存在使電火花加工復(fù)合片成為可能。在有工作液的條件下，利用脈沖電壓使靠近電極金屬處的工作液形成放電通道，并在局部產(chǎn)生放電火花，瞬間高溫可使聚晶金剛石熔化、脫落，從而形成所要求的三角形、長(zhǎng)方形或正方形的刀頭毛坯。電火花加工PCD復(fù)合片的效率及表面質(zhì)量受到切削速度、PCD粒度、層厚和電極質(zhì)量等因素的影響，其中切削速度的合理選擇十分關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)表明，增大切削速度會(huì)降低加工表面質(zhì)量，而切削速度過(guò)低則會(huì)產(chǎn)生"拱絲"現(xiàn)象，并降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會(huì)降低切割速度。

PCD復(fù)合片與刀體的結(jié)合方式除采用機(jī)械夾固和粘接方法外，大多是通過(guò)釬焊方式將PCD復(fù)合片壓制在硬質(zhì)合金基體上。焊接方法主要有激光焊接、真空擴(kuò)散焊接、真空釬焊、高頻感應(yīng)釬焊等。目前，投資少、成本低的高頻感應(yīng)加熱釬焊在PCD刀片焊接中得到廣泛應(yīng)用。在刀片焊接過(guò)程中，焊接溫度、焊劑和焊接合金的選擇將直接影響焊后刀具的性能。在焊接過(guò)程中，焊接溫度的控制十分重要，如焊接溫度過(guò)低，則焊接強(qiáng)度不夠;如焊接溫度過(guò)高，PCD容易石墨化，并可能導(dǎo)致"過(guò)燒"，影響PCD復(fù)合片與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合。在實(shí)際加工過(guò)程中，可根據(jù)保溫時(shí)間和PCD變紅的深淺程度來(lái)控制焊接溫度(一般應(yīng)低于700℃)。國(guó)外的高頻焊接多采用自動(dòng)焊接工藝，焊接效率高、質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn);國(guó)內(nèi)則多采用手工焊接，生產(chǎn)效率較低，質(zhì)量也不夠理想。

PCD的高硬度使其材料去除率極低(甚至只有硬質(zhì)合金去除率的萬(wàn)分之一)。目前，PCD刀具刃磨工藝主要采用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行磨削。由于砂輪磨料與PCD之間的磨削是兩種硬度相近的材料間的相互作用，因此其磨削規(guī)律比較復(fù)雜。對(duì)于高粒度、低轉(zhuǎn)速砂輪，采用水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂輪結(jié)合劑的選擇應(yīng)視磨床類型和加工條件而定。由于電火花磨削(EDG)技術(shù)幾乎不受被磨削工件硬度的影響，因此采用EDG技術(shù)磨削PCD具有較大優(yōu)勢(shì)。某些復(fù)雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的磨削也對(duì)這種靈活的磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術(shù)的不斷發(fā)展，EDG技術(shù)將成為PCD磨削的一個(gè)主要發(fā)展方向。

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。