金刚石刀具切削加工

金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片金刚石刀具金刚石刀具切削加工精密超精密切削加工要求刀具能够均匀地去除不大于工件加工精度且厚度极薄的金属层或非金属层。其加工工具必须具备超微量的切削特征，即：微量切除是精密加工的重要特征之一。金刚石集力学、光学、热学、声学等众多的优异性能于一身，具有极高的硬度和耐磨性，摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低。天然金刚石具有无与伦比的硬度，是精密和超精密加工的一种最佳的切削刀具材料，现在天然单晶金刚石已经成为精密超精密切削主要刀具。1.金刚石刀具的特性（1）金刚石的颜色和硬度有红色和绿色等多种颜色。硬度随颜色不同而不同。茶色最硬、无色和黄色次之。金刚石还有很高的韧性（与矿物相比较）：黄色天然金刚石的韧性更好，不易崩刃。要选用不易崩刃并且易于使用色泽的金刚石刀具。结论：在难切削材料镜面加工中，几乎都是采用的茶色的金刚石刀头。（3）硬度高金刚石结晶原子间的结合力非常牢固，其显微硬度值比其他物质高许多，耐磨性是刚玉磨料的140倍左右。金刚石的最强结晶位置是（111）面，抛光后的抗拉强度为400～1000kg/mm2之间。制作刀具时，尽可能与（111）面平行研磨并形成前刀面。但与（111）面成平行的研磨会使加工成本过高，通常是以3º左右的倾角进行研磨以形成前刀面和锋利的切削刃。（3）热传导率大金刚石是由碳原子的共价结合而成的，其热传导率在矿物中是最大的。由于前刀面及刃口十分光滑，其摩擦系数比其他刀具材料小，切屑脱落较好，所以切削加工时发热量非常小。且所产生的热量能被金刚石迅速地导入刀体材料中。2.金刚石刀具的制造（1）成形天然金刚石的标准结晶形是正八面体，但通常多为斜方十二面体。由于形状千差万别，金刚石刀头很难加工，天然矿石的加工成形多采用研磨加工方法，对研磨位置，研磨方向有严格的限制，刀头通常由于平面组合成形。近几年来，专用天然金刚石超精密研磨机的发展，使得加工各种形状的刀形的刀头变得十分简单。金刚石刀具的研磨，采用普通的顶尖式研磨机很难达到理想的要求，一般用空气轴承的研磨机。研磨盘多采用低压烧结工艺而制成的镶嵌的铸铁研磨盘。由于振动小，可达到很低的粗糙度和极小的刃口半径，（3）特殊刀头的形状小型刀头和全R刀头是属于特殊形状的刀头。另外，还有直线拟合曲线形状的特殊用途的刀头，要求复杂形状时，可采用几个刀片组合而成。金刚石刀具刃磨—通常在铸铁研磨盘上进行研磨—晶向选择应使晶向与主切削刃平行—圆角半径越小越好（理论可达到1nm）（2）研磨方法金刚石刀头的形状——条件是：不产生走刀痕迹的形状直线刃和圆弧刃①直线刃刀头安装很难，需要有高超的安装技术，有10º角度误差就会影响精加工表面的质量，但是这种刀头的加工表面精度最好。②圆弧刃刀头安装容易，但加工表面精度稍差一点，因此最好采用能微调安装角度的直线刃刀刀头。但是加工曲率半径小的聚光反射镜等则必须采用四圆弧刃刀头。•（2）金刚石车刀切削部分•前角γ0＝0º；•后角α0＝5º～8º；•主偏角Kr=45º。rκ刀具磨损破损和耐用度金刚石刀具的磨损、破损刀具的磨损形式：机械磨损、粘结磨损、相变磨损、扩散磨损、破损和碳化磨损。金刚石刀具的磨损形式：机械磨损、破损和碳化磨损。最常见的磨损形式为机械磨损、破损，碳化磨损较少见。（1）机械磨损由于机械摩擦所造成的磨损。后刀面一般情况是形成阶梯形磨损。前刀面是由于切屑流过而引起的，产生凹槽形的磨损带。金刚石刀具的机械磨损一般很小，磨损后的表面非常平滑，对加工一般不会显著地影响加工表面质量。这种机械磨损主要产生在金刚石刀具加工铝、铜尼龙等物质材料。但是在加工过程中切削过程稳定、没有冲击振动。（2）刀具的破损产生刀具破损的原因：裂纹破损结构缺陷；切屑流过刀具表面时，循环应力的作用；刀具表面研磨应力裂纹脆裂解理是指矿物被打击时,常沿一定方向有规则地裂开形成光滑平面的性质。当垂直于金刚石（111）晶面的拉力超过某特定值时，两相邻的（111）晶面分离、产生解理劈开。如果金刚石晶面方向选择不当，切削力容易引起金刚石的解理，使刀具寿命急剧下降，尤其是在有冲击振动、切削不稳定的条件下，更容易产生解理。最新研究表明，为了增加刀刃的微观强度，减小破损几率，应选用微观强度最高的（110）晶面作为金刚石刀具的前后刀面。制作刀具时，尽可能与（111）面平行研磨并形成前刀面。但与（111）面成平行的研磨会使加工成本过高，通常是以3º左右的倾角进行研磨以形成前刀面和锋利的切削刃。刀具磨损对加工质量的影响刀具的磨损形式在很大程度上取决于工件材料性质、金刚石特性的利用及其机床的动态特性。特别是金刚石的特性和磨损有很大的关系。合理地使用金刚石刀具，可以在很长的时间内保持较高的加工质量。刀具的耐用度1.刀具磨损的影响：刀具磨损到一定程度就不能继续使用，否则将降低加工零件的尺寸精度和加工表面质量，同时也增加了刀具的消耗、增加加工成本。2刀具磨损过程正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。若以后刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图所示，图中大致分三个阶段。初期磨损阶段(Ⅰ段)、正常磨损阶段(Ⅱ段)、急剧磨损阶段(Ⅲ段)。刀具磨损过程曲线3.磨钝标准（1）工艺磨损限度Δ工工艺磨损限度是根据工件表面粗糙度及尺寸精度的要求而制定的，当刀具磨损到一定数值时，工件表面粗糙度增大、尺寸精度下降，并有可能超出所要求的表面粗糙度及其公差范围。精密加工都采用这种工艺磨损限度。（2）合理磨损限度Δ合这是合理使用刀具材料的观点出发而制定的磨损限度。太大和太小都会浪费刀具材料，只有取正常磨损阶段终了之前的磨损量作为磨损限度才能最经济地使用刀具。4.刀具的耐用度刀具的耐用度是指刀具由开始切削到磨钝为止的总切削时间。代表了刀具磨损的快慢程度。金刚石刀具用于精密切削加工时，其破损或磨损而不能继续使用的标志是加工表面粗糙度超过规定值。金刚石刀具的耐用度一般用切削路程的长度表示。金刚石刀具拒绝振动和碰撞。刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。聚晶金刚石刀具1．聚晶金刚石（PCD）刀具概述1.1PCD刀具的发展金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。在刀具发展历程中，从十九世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。1.2PCD刀具的性能特点•金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。•由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。PCD刀具材料的主要性能指标：•①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍；•②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于铜，因此PCD刀具热量传递迅速；•③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；•④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10-6～1.18×10-6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；•⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。1.3PCD刀具的应用•工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。•国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国DeBeers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。•国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。1.3PCD刀具的应用通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面：①难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料——过共晶硅铝合金（对该材料加工机理的研究已取得突破）。②难加工非金属材料的加工：PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）、人造板材等难加工非金属材料的加工。如华中理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃；目前强化复合地板及其它木基板材（如MDF）的应用日趋广泛，用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。2．PCD刀具的制造技术2.1PCD刀具的制造过程PCD刀具的制造过程主要包括两个阶段：①PCD复合片的制造：PCD复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂（其中含钴、镍等金属）按一定比例在高温（1000～2000℃）、高压（5～10万个大气压）下烧结而成。②PCD刀片的加工：PCD刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步骤3.PCD刀具的设计原则•3.1刀具材料的选择（1）合理选择PCD粒度PCD粒度的选择与刀具加工条件有关，如设计用于精加工或超精加工的刀具时，应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的PCD。研究表明：PCD粒度号越大，刀具的抗磨损性能越强。（2）合理选择PCD刀片厚度通常情况下，PCD复合片的层厚约为0.3~1.0mm，加上硬质合金层后的总厚度约为2～8mm。较薄的PCD层厚有利于刀片的电火花加工。3.2刀具几何参数与结构设计PCD刀具的几何参数取决于工件状况、刀具材料与结构等具体加工条件。由于PCD刀具常用于工件的精加工，切削厚度较小（有时甚至等于刀具的刃口半径），属于微量切削，因此其后角及后刀面对加工质量有明显影响，较小的后角、较高的后刀面质量对于提高PCD刀具的加工质量可起到重要作用。4．PCD刀具的切削参数与失效机理4.1PCD刀具切削参数对切削性能的影响（1）切削速度PCD刀具可在极高的主轴转速下进行切削加工，但切削速度的变化对加工质量的影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率，但在高速切削状态下，切削温度和切削力的增加可使刀尖发生破损，并使机床产生振动。（2）进给量如PCD刀具的进给量过大，将使工件上残余几何面积增加，导致表面粗糙度增大；如进给量过小，则会使切削温度上升，切削寿命降低。（3）切削深度增加PCD刀具的切削深度会使切削力增大、切削热升高，从而加剧刀具磨损，影响刀具寿命。此外，切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。4.2PCD刀具的失效机理刀具的磨损形式主要有磨料磨损、粘结磨损（冷焊磨损）、扩散磨损、氧化磨损、热电磨损等。PCD刀具的失效形式与传统刀具有所不同，主要表现为聚晶层破损、粘结磨损和扩散磨损。研究表明，采用PCD刀具加工金属基复合材料时，其失效形式主要为粘结磨损和由金刚石晶粒缺陷引起的微观晶间裂纹。在加工高硬度、高脆性材料时，PCD刀具的粘结磨损并不明显；相反，在加工低脆性材料（如碳纤维增强材料）时，刀具的磨损增大，此时粘接磨损起主导作用。5．结语PCD刀具因其良好的加工质量和加工经济性在非金属材料、有色金属及其合金材料、金属基复合材料等切削加工领域显示出其它刀具难以比拟的优势。随着PCD刀具的理论研究日益深入及其应用技术的进一步推广，PCD刀具在超硬刀具领域的地位将日益重要，其应用范围也将进一步拓展。