天然金剛石刀具制造技術(shù)圖書目錄

超精密加工中，單晶金剛石刀具的兩個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度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強度可用Hertz試驗法來測定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強度數(shù)值一般偏差較大，主要依賴于應力分布的形態(tài)和分布范圍，因此適合用概率論來分析。當作用應力相同時，(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，但實驗結(jié)果表明，(100)晶面較其它晶面具有更高的抗應力、腐蝕和熱退化能力。結(jié)合微觀強度綜合考慮，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。

通常應根據(jù)刀具的要求來進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度，應選用(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)來實現(xiàn)。

PCD刀具的制造過程主要包括兩個階段:①PCD復合片的制造:PCD復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(5~10萬個大氣壓)下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過程中，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，金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌于結(jié)合橋的骨架中。通常將復合片制成固定直徑和厚度的圓盤，還需對燒結(jié)成的復合片進行研磨拋光及其它相應的物理、化學處理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括復合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

由于PCD復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，其工藝特點的比較見表1。

表1 PCD復合片切割工藝的比較

工藝方法-工藝特點

電火花加工-高度集中的脈沖放電能量、強大的放電爆炸力使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、長方形或正方形的刀頭毛坯。電火花加工PCD復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，實驗表明，增大切削速度會降低加工表面質(zhì)量，而切削速度過低則會產(chǎn)生"拱絲"現(xiàn)象，并降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會降低切割速度。

PCD復合片與刀體的結(jié)合方式除采用機械夾固和粘接方法外，大多是通過釬焊方式將PCD復合片壓制在硬質(zhì)合金基體上。焊接方法主要有激光焊接、真空擴散焊接、真空釬焊、高頻感應釬焊等。目前，投資少、成本低的高頻感應加熱釬焊在PCD刀片焊接中得到廣泛應用。在刀片焊接過程中，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。在焊接過程中，焊接溫度的控制十分重要，如焊接溫度過低，則焊接強度不夠;如焊接溫度過高，PCD容易石墨化，并可能導致"過燒"，影響PCD復合片與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合。在實際加工過程中，可根據(jù)保溫時間和PCD變紅的深淺程度來控制焊接溫度(一般應低于700℃)。國外的高頻焊接多采用自動焊接工藝，焊接效率高、質(zhì)量好，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn);國內(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)律比較復雜。對于高粒度、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。某些復雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的磨削也對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、低熱膨脹系 數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點?？梢杂糜诜墙饘儆泊嗖牧先缡⒏吣湍ゲ牧?、復合材料、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)、制備方法和應用領(lǐng)域有較大區(qū)別。