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单晶金刚石刀具的制作与设计
浏览:338    时间:2018-11-09    来源:深圳誉和



单晶金刚石刀具在机械加工领域具有重要地位,广泛应用于诸如反射镜、导弹和火箭的导航陀螺、计算机硬盘基片、加速器电子枪等等超精密镜面零件的加工。单晶金刚石刀具还可用于制造眼科、脑外科手术刀、超薄生物切片刀等医用刀具。此外,单晶金刚石刀具在民用产品加工中的应用也日趋广泛,从手表零件、铝活塞、首饰等的加工到制笔、高光标牌及有色金属镜面装饰零件的加工,其应用已进入机械加工的多种领域。



▼单晶金刚石介绍

金刚石是单一碳原子的结晶体,其晶体结构属原子密度最高的等轴面心立方晶系。金刚石晶体中碳原子间的连接键为sp3杂化共价键,具有极强的结合力、稳定性和方向性。金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度、刚性、折射率和导热系数,以及极高的抗磨损性、抗腐蚀性及化学稳定性。

单晶金刚石的优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求,是理想的精密切削刀具材料。金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论上可以达到原子级的平直度与锋利度,切削时切薄能力强、精度高、切削力小;其高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可保证刀具具有超长寿命,从而能进行长时间的持续切削,并可减小因刀具磨损对零件精度的影响;其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形。


▼单晶金刚石选料

由于单晶金刚石各向异性,在不同晶面及不同方向上性能差异很大,正确的选料和定向不仅可简化加工工艺,降低制造成本,而且还可提高刀具刃口质量和使用寿命,充分发挥金刚石刀具的优异性能。

根据金刚石晶体中所含的杂质可分为Ia型、Ib型、IIa型和IIb型四类。一般按金刚石晶体的颗粒大小(重量)、形状、完整程度、透明度、裂纹、包裹体的多少、颜色及其均匀程度作为评定金刚石品质高低的依据。切削刀具用金刚石的质量要求为:晶体完整、形状为十二面体、弧形八面体或过渡形晶体,晶体直径一般不小于4mm,颜色为无色、浅绿、黄棕色等,不允许有裂纹,晶体表面可允许有不大于0.5mm的包裹体和蚀坑,重量为0.7~3克拉。对于精度要求极高的眼科、脑外科手术刀、激光反射镜等超精密加工刀具,则要从拉丝模I级甚至宝石级原石中选料,最后用偏光显微镜或更精密的仪器选出内应力小的金刚石作为刀具坯料。

人工合成单晶金刚石属Ib型,由于其晶格中氮原子均匀置换了碳原子,减少了氮原子聚集在刃口形成微小崩口的可能性,并且由于晶格均匀畸变,硬度略高于天然单晶金刚石。另外因增加了去除内应力的优化工艺,使之切削性能更为稳定、可靠、离散性更小,出厂时其晶轴方向已精确确定,所以更适宜于切削刀具的制作。缺点是Ib型人造单晶的脆性较大,加工较天然单晶更为困难,需要采用精细的刃磨方法才能获得高质量的刃口。


▼单晶金刚石定向

对天然单晶金刚石定向的目的不仅是要使刀具具有最长寿命,而且要求后刀面与已加工表面的摩擦及刃口附近解理面的应力最小。单晶金刚石刀具定向应包含前、后刀面置于的晶面和晶体成长的晶轴方向二个方面。研究表明,刀具的定向方案与其在切削过程中的磨损机理有关。金刚石刀具的磨损是一个非常复杂的物理与化学反应过程,不同加工条件和不同加工工件材料,其磨损形式及其所占比例也会不同,磨损速度取决于金刚石在不同材料中的溶解率。磨损形式有机械磨损、热化学磨损和微小崩口等。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,应予避开。

晶体定向的方法可分为仪器(例如X射线衍射分析仪)定向和人工目测定向。仪器定向精度高,但价格昂贵。人工目测定向是根据原子晶面的数目及相对位置来确定晶体的晶轴位置与方向。例如八面体晶体,通过三对对称顶点连接而成的三条相互垂直的直线即为晶体的X、Y、Z轴线。八面体的晶面即为(111)面,垂直于轴线磨去其顶点得到八个正方形即为(100)面;与交成其棱边的两个面等角度地磨去棱边,即可得(110)面。


▼单晶金刚石刀具的刃磨

目前,单晶金刚石刀具的刃磨可分为机械研磨和非纯机械研磨二种方法。

单晶金刚石的机械研磨是在直径为300mm的铸铁研磨盘上进行。研磨盘由材料组织中孔隙的形状、大小和比例均经过优化的高磷铸铁制成。研磨盘的表面镶嵌有金刚石研磨粉,其颗粒直径可从小于1μm直到40μm。粗颗粒研磨效率高,但研磨质量差,只能用于粗磨。精磨则采用尺寸小于1μm的微粉。研磨前,首先将金刚石粉与橄榄油或其它类似物质混合成研磨膏,然后涂敷在研磨盘表面,再用一较大的金刚石在研磨盘表面上进行预研磨。研究表明,研磨粉的粒度、研磨盘表面状态、研磨的方向角度、研磨盘的端跳和研磨机床的振动等对研磨刀刃的质量有很大影响。机械研磨因为线速度高、局部压力大、对刀具表面及刃口冲击十分激烈,不可避免地会导致刀具表面产生微小沟纹和较厚的研磨变质层,并且刀刃锯齿度相对较大,从而不能满足要求锋利度非常高的超精密切削刀具的需要。实践表明,采用机械研磨得到的金刚石表面粗糙度极限值为10nm,刀刃锯齿度达几十个nm,表面加工变质层厚度约为200nm。



单晶金刚石刀具的设计

单晶金刚石刀具的设计将会从单晶金刚石刀具镜面加工机理 、考虑因素、遵循原则三个方面来入手。


一:单晶金刚石刀具镜面加工机理

切削加工后的残留面积高度h=f/(kr+kr’)即为已加工表面的理论粗糙度值,它随进给量f、刀具主偏角kr和副偏角kr’的减小而减小。由于主偏角kr的减小会使Fy力迅速增大而引起刀具振动,减小进给量f则会影响切削效率,所以一般通过减小副偏角kr’来降低表面粗糙度值。

常规切削用刀具表面较粗糙,刀刃平整性差,若选用的副偏角过小,一方面副切削刃的不平整会复映到已加工表面上;另一方面还会加剧副后刀面与已加工表面的摩擦,将已加工表面拉毛。所以在常规切削中,副偏角约为2时加工表面粗糙度值最小,进一步减小副偏角则会使已加工表面质量恶化。

单晶金刚石刀具的表面粗糙度值可小于Ra0.01,刀刃质量至少可达到在500倍显微镜下观察无缺陷,加之摩擦系数极小,所以其副偏角极限值可减小至0~2’,从而可使加工表面粗糙度理论值接近或等于零,实际表面粗糙度值可达到镜面或超光滑表面的要求。

由此可见,就刀具本身而言,单晶金刚石刀具的镜面加工机理是通过刀具的超光洁表面和无缺陷的副切削刃(修光刃)的作用,使加工表面粗糙度理论值接近于零来获得镜面加工效果。



二:设计单晶金刚石刀具时需要考虑的主要因素有:



三:设计单晶金刚石刀具时,应遵循以下原则:




结束语

根据我国制造业发展的趋势,金刚石刀具特别是高精密、超高精密、微型甚至纳米级的金刚石刀具需求量越来越大,放在我们面前迫切需要解决的问题是:

1、建立精确的单晶金刚石切削的数学力学模型,应用计算机仿真技术和数值运算,进一步研究单晶金刚石刀具的研磨机理、刀刃形成机理和刀具磨损机理。

2、用最先进的现代科技手段进一步完善单晶金刚石刀具高速超精密切削及纳米切削的切削理论,创建“超精密微型切削学”和建立切削数据库。

3、进一步完善单晶金刚石的钎焊技术与设备、超精刃磨技术及其设备,提高生产效率和降低制造成本。



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