金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)

1、金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù) 由于金剛石刀具具有硬度高、耐磨性好、熱導(dǎo)率大、摩擦系數(shù)和熱膨脹系 數(shù)小、化學(xué)惰性強(qiáng)等特性，以及經(jīng)過仔細(xì)刃磨后能得到十分鋒利的刃口，因而 能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造領(lǐng)域中有色金屬和非金屬材料的精密和超精密切削加 工。本文綜述了單晶和聚晶金剛石刀具制造的最關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞 單晶金剛石刀具 聚晶金剛石刀具制造 關(guān)鍵技術(shù)一、前言隨著我國汽車、摩托車、航空航天、計算機(jī)、核工程、 IT 、醫(yī)療器械、精 密儀器等行業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床和加工中心機(jī)床的普遍使用，對零件的切 削加工精度、尺寸一致性、切削可靠性、生產(chǎn)效率和刀具壽命的要求越來越 高。由于金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等眾多的優(yōu)

2、異性能于一身，具有極 高的硬度和耐磨性，摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱性高、熱膨脹系數(shù)和化學(xué)惰性低，所以 是制造現(xiàn)代高速切削刀具的理想材料。因而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造領(lǐng)域的有色金 屬和非金屬材料的精密和超精密切削加工。本文對單晶和聚晶金剛石刀具制造 的最關(guān)鍵技術(shù)作一概述。二、單晶金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù) 由于單晶金剛石各向異性，在不同晶面及不同方向上性能差異很大，正確 的選料和定向不僅可簡化加工工藝，降低制造成本，而且還可提高刀具刃口質(zhì) 量和使用壽命，充分發(fā)揮金剛石刀具的優(yōu)異性能。1. 單晶金剛石的選料根據(jù)金剛石晶體中所含的雜質(zhì)可分為la型、lb型、Ila型和lib型四類。 一般按金剛石晶體的顆粒大?。ㄖ亓浚?、

3、形狀、完整程度、透明度、裂紋、包 裹體的多少、顏色及其均勻程度作為評定金剛石品質(zhì)高低的依據(jù)。切削刀具用 金剛石的質(zhì)量要求為：晶體完整、形狀為十二面體、弧形八面體或過渡形晶 體，晶體直徑一般不小于 4mm顏色為無色、淺綠、黃棕色等，不允許有裂紋， 晶體表面可允許有不大于0.5mm的包裹體和蝕坑，重量為0.73克拉。對于精 度要求極高的眼科、腦外科手術(shù)刀、激光反射鏡等超精密加工刀具，則要從拉 絲模 l 級甚至寶石級原石中選料，最后用偏光顯微鏡或更精密的儀器選出內(nèi)應(yīng) 力小的金剛石作為刀具坯料。人工合成單晶金剛石屬 lb 型，由于其晶格中氮原子均勻置換了碳原子，減 少了氮原子聚集在刃口形成微小崩口的可

4、能性，并且由于晶格均勻畸變，硬度 略高于天然單晶金剛石。另外因增加了去除內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)化工藝，使之切削性能 更為穩(wěn)定、可靠、離散性更小，出廠時其晶軸方向已精確確定，所以更適宜于 切削刀具的制作。缺點是 lb 型人造單晶的脆性較大，加工較天然單晶更為困 難，需要采用精細(xì)的刃磨方法才能獲得高質(zhì)量的刃口。2. 單晶金剛石的定向 對天然單晶金剛石定向的目的不僅是要使刀具具有最長壽命，而且要求后 刀面與已加工表面的摩擦及刃口附近解理面的應(yīng)力最小。單晶金剛石刀具定向 應(yīng)包含前、后刀面置于的晶面和晶體成長的晶軸方向二個方面。研究表明，刀 具的定向方案與其在切削過程中的磨損機(jī)理有關(guān)。金剛石刀具的磨損是一個非 常復(fù)

5、雜的物理與化學(xué)反應(yīng)過程，不同加工條件和不同加工工件材料，其磨損形 式及其所占比例也會不同，磨損速度取決于金剛石在不同材料中的溶解率。磨 損形式有機(jī)械磨損、熱化學(xué)磨損和微小崩口等。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，應(yīng)予避 開。晶體定向的方法可分為儀器（例如 X 射線衍射分析儀）定向和人工目測定 向。儀器定向精度高，但價格昂貴。人工目測定向是根據(jù)原子晶面的數(shù)目及相 對位置來確定晶體的晶軸位置與方向。例如八面體晶體，通過三對對稱頂點連 接而成的三條相互垂直的直線即為晶體的X、Y、 Z 軸線。八面體的晶面即為（ 111）面，垂直

6、于軸線磨去其頂點得到八個正方形即為（100）面；與交成其棱邊的兩個面等角度地磨去棱邊，即可得（ 110）面。3. 單晶金剛石的焊接 由于金剛石具有極高的界面能，焊接性能極差。用機(jī)械夾持或鑲嵌釬焊的 方法固定金剛石一直是傳統(tǒng)的加工方法，目前國內(nèi)仍有相當(dāng)一部分企業(yè)沿襲這 種簡易方法制造金剛石刀具。因為這種方法夾持金剛石的牢固性差，刀刃極容 易在切削中產(chǎn)生不易察覺的微小位移和振動，所以不可能滿足超精密鏡面切削 加工的需要。因此，上世紀(jì)七十年代未發(fā)現(xiàn)釬焊金剛石的特定條件（高真空環(huán) 境）和釬焊合金（以鈦為活性元素的銀基合金）是金剛石刀具制造技術(shù)最重要 的突破之一。相隔 10 年后問世的惰性氣體保護(hù)下釬焊

7、技術(shù)（德國 Kesel 公司 Brazing Unit DLA2500 ）和近年研發(fā)的金剛石表面金屬化釬焊技術(shù)是這一關(guān)鍵 技術(shù)進(jìn)步的又一標(biāo)志。4. 單晶金剛石的刃磨 目前，單晶金剛石刀具的刃磨可分為機(jī)械研磨和非純機(jī)械研磨二種方法。 單晶金剛石的機(jī)械研磨是在直徑為 300mm的鑄鐵研磨盤上進(jìn)行。研磨盤由 材料組織中孔隙的形狀、大小和比例均經(jīng)過優(yōu)化的高磷鑄鐵制成。研磨盤的表 面鑲嵌有金剛石研磨粉，其顆粒直徑可從小于 1 1 m直到40卩m粗顆粒研磨效 率高，但研磨質(zhì)量差，只能用于粗磨。精磨則采用尺寸小于11m的微粉。研磨前，首先將金剛石粉與橄欖油或其它類似物質(zhì)混合成研磨膏，然后涂敷在研磨 盤表面，

8、再用一較大的金剛石在研磨盤表面上進(jìn)行預(yù)研磨。研究表明，研磨粉 的粒度、研磨盤表面狀態(tài)、研磨的方向角度、研磨盤的端跳和研磨機(jī)床的振動等對研磨刀刃的質(zhì)量有很大影響。機(jī)械研磨因為線速度高、局部壓力大、對刀 具表面及刃口沖擊十分激烈，不可避免地會導(dǎo)致刀具表面產(chǎn)生微小溝紋和較厚 的研磨變質(zhì)層，并且刀刃鋸齒度相對較大，從而不能滿足要求鋒利度非常高的 超精密切削刀具的需要。實踐表明，采用機(jī)械研磨得到的金剛石表面粗糙度極 限值為10nm刀刃鋸齒度達(dá)幾十個nm,表面加工變質(zhì)層厚度約為200nm 對于加工精度要求十分高的金剛石刀具，傳統(tǒng)機(jī)械研磨的方法受到了極大 的限制。例如：高精度輪廓儀、隧道掃描顯微鏡和原子力顯

9、微鏡上的金剛石探 針的前端球面，其球面半徑僅 12卩m精度誤差要求小于 0.1卩m又如加工 光通信光柵表面的微細(xì)溝紋的刀具要求刀尖圓弧半徑不大于0.1卩m0.3卩m尺寸形狀相當(dāng)高等等。為此，除了在原機(jī)械研磨基礎(chǔ)上采用空氣靜壓軸承的高 精度研磨盤外，近年國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了各種新的研磨方法。離子束濺蝕法是利用高能離子的轟擊作用直接對被加工的金剛石刀具的刃 口進(jìn)行物理濺蝕，以實現(xiàn)原子級的微細(xì)加工。其加工效率及刃口質(zhì)量與離子束 能量、刀具表面的電流密度及離子束相對于刀具表面的夾角有關(guān)。離子束濺蝕 法最適用于加工尺寸小于1 11 m的微小金剛石刀具，并可達(dá)到很高的形狀精度。（2）真空等離子化學(xué)拋光法真空等

10、離子化學(xué)拋光法的加工原理如圖 1 所示。轉(zhuǎn)動的磨盤被中間的高真 空區(qū)分為左、右兩部分。左邊為沉積區(qū)，在磨盤表面涂上一層細(xì)晶粒氧化硅； 右邊為研磨區(qū)，金剛石表面處于活化狀態(tài)的碳原子通過與磨盤上的氧化硅發(fā)生 分子級化學(xué)反應(yīng)而起到研磨刀具刃口的作用。反應(yīng)生成的一氧化碳或二氧化碳 氣體被真空泵抽出。該方法的研磨速度為130001 m3/s，約每秒0.25750個原子層，可研磨出極高的刃口質(zhì)量。該方法最先被美國刀刃技術(shù)公司用于研 磨超精密金剛石鏡面切削刀具，廣泛用于加工各種納M級精度的超精表面。（3）無損傷機(jī)械化學(xué)拋光法 該方法是在溶液中加入適量的金剛石微粉和更細(xì)微（達(dá)納 M 級）的硅粉，帶強(qiáng)負(fù)靜電的細(xì)

11、微硅粉會吸附在粒度大得多的單個金剛石微粒上形成具有硅吸 附層的金剛石磨料，然后將其涂敷在多孔的鑄鐵磨盤上對被加工金剛石進(jìn)行研 磨。該方法的磨削效率非常低，僅為每分鐘一個原子層，但刃口質(zhì)量非常好。（4）熱化學(xué)拋光法在溫度為800E時，若使金剛石表面與鐵接觸，金剛石晶體中的碳原子能 夠擺脫自身晶格的約束，擴(kuò)散到鐵晶體晶格中去。熱化學(xué)拋光法即是運(yùn)用此機(jī) 理對金剛石表面進(jìn)行研磨加工。該方法的磨削效率為每秒 402000個原子層。用上述四種新的研磨方法均可使金剛石表面異常光滑，其表面粗糙度可達(dá)1nm刀刃非常鋒利（P 0.1 1 m和金剛石刀具的變質(zhì)層較淺；缺點是研磨效 率較低，適宜于精研后的超精研磨加工

12、。5. 單晶金剛石刀具的設(shè)計 單晶金剛石刀具設(shè)計時主要根據(jù)被加工零件的精度要求、實際加工條件和 金剛石材料的特性來綜合設(shè)計刀具幾何參數(shù)。設(shè)計時應(yīng)遵循下列原則：由于 單晶金剛石硬度高，加工困難，刀具幾何形狀盡可能簡單。根據(jù)單晶金剛石 脆性大、抗沖擊能力差的特點，應(yīng)結(jié)合加工條件盡量優(yōu)化幾何形狀參數(shù)，提高 刀頭的抗沖擊能力。根據(jù)被切削零件的精度要求設(shè)計合理的修光刃長度，同 時考慮刀具刃口的切薄能力，修光刃應(yīng)在 500倍的高倍顯微鏡下檢測時無缺 陷。三、聚晶金剛石刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)聚晶金剛石刀具的關(guān)鍵制造技術(shù)是刃磨工藝，由于聚晶金剛石（PCD具有接近單晶金剛石的硬度與耐磨性，使刀具的刃磨相當(dāng)困難，主要

13、體現(xiàn)在材料磨 除率小，砂輪損耗大，刃磨效率低與刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨工藝?yán)щy性已成為其推廣應(yīng)用的障礙之一，為了突破這一瓶頸，國內(nèi)外學(xué)者作了大量研 究開發(fā)工作。但是迄今為止，任何 PCD刀具的刃磨工藝都無法加工出p 1卩m 的鋒銳刃口，因此難以達(dá)到超精密鏡面切削加工的要求。優(yōu)點是制造成本可大 大低于單晶金剛石刀具。PCD刀具的主要刃磨方法目前用得最多的是放電刃磨 （EDG）和金剛石砂輪機(jī) 械刃磨。1. 放電刃磨（1）放電刃磨的機(jī)理 放電刃磨是通過在電介質(zhì)分離的砂輪電極與刀具電極間放電產(chǎn)生瞬時高溫，將PCD材料中的金屬相熔化和氣化，同時也可將部分金剛石晶體中的碳原 子從晶格中轟逸。刃磨 P

14、CD刀具時，由于金剛石不導(dǎo)電，所以刀具電極即為 PCD中的金屬相構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由此可見放電刃磨實質(zhì)是熱蝕加工過程。由 于放電刃磨的溫度瞬時可高達(dá) 800012000r，因此PCD刀具刃磨時可能引起 金剛石周邊晶體的熱損和石墨化，尤其在 PCD與硬質(zhì)合金基體的界面處侵蝕速 度更快，這是放電刃磨的主要缺陷。由于放電刃磨是一種非接觸刃磨過程，磨 削力小到可忽略不計，故刃磨效率很高。（2）放電刃磨的設(shè)備 放電刃磨時，通常采用碳?xì)浠衔镒鳛樯拜嗠姌O與刀具電極間的電介質(zhì)，工作電壓一般為直流 80200V,砂輪電極采用銅、鎢、石墨等導(dǎo)電材料。根據(jù) 刃磨時的位置，放電刃磨可分為圓周（線）放電刃磨和端面（輪）

15、放電刃磨。 在端面放電刃磨中，砂輪旋轉(zhuǎn)還需左右擺動。脈沖電源是影響刃磨效率和刃磨 質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備。德國 Vollmer公司的七軸數(shù)控六軸聯(lián)動的 QWD76就是圓周放 電刃磨機(jī)床，可以加工各種形狀曲面的 PCD刀刃；QM110則是端面放電刃磨機(jī)床。國外學(xué)者對PCD放電刃磨技術(shù)作了大量的實驗研究，英國學(xué)者 T.B.Thoe等 人得到下列結(jié)論： 、對于細(xì)晶粒PCD刀具，端面放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量；對于粗晶 粒PCD刀具，圓周放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量。 、增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，但同時會導(dǎo)致PCD刀具表面產(chǎn)生更深更寬的裂紋。 、細(xì)晶粒PCD容易放電，砂輪電極磨損量小，放電中脫落的

16、晶粒平均尺 寸等于晶粒尺寸，故刃口質(zhì)量較好。 、粗晶粒PCD與硬質(zhì)合金交界面的侵蝕程度較大。另外，德國學(xué)者 E.Beck 等人認(rèn)為：脈沖電源及刃磨工藝步驟對放電刃磨的 質(zhì)量有較大影響。2. 金剛石砂輪機(jī)械刃磨金剛石砂輪機(jī)械刃磨是目前使用最廣泛的 PCD刀具刃磨方法，與放電刃磨 相比，其刃磨效率較低（磨除率約為 1.5mm3/min ），加工成本較高，但可獲 得良好的刃口質(zhì)量和完整光潔的刀面。（ 1 ）刃磨機(jī)理金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD刀具的機(jī)理比較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大 量研究。通過對刃磨后的PCD刀具用掃描電子顯微鏡（SEM觀察其表面的微觀 形貌后得出結(jié)論：金剛石砂輪在磨削 PCD刀具的

17、過程中發(fā)生了刻劃和滑動、摩 擦和擠壓、化學(xué)反應(yīng)和微小散裂。當(dāng)砂輪與PCD接觸的瞬間，磨削力突然增大，劇烈的機(jī)械沖擊易使表面產(chǎn)生微小裂紋，只有當(dāng)磨削深度和磨削壓力較大 時才會發(fā)生PCD碎片剝落。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定磨削期間，由于砂輪的金剛石磨粒不斷 在PCD表面上進(jìn)行刻劃、擠壓和摩擦，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時，PCD表面上的初期微小裂紋越來越大，直至剝落。當(dāng)磨削繼續(xù)進(jìn)行，磨粒鈍化使磨削溫度達(dá) 到金剛石石墨化臨界值時，PCD會發(fā)生石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。因此，機(jī)械刃 磨PCD刀具的去除材料方式主要是刻劃、摩擦、化學(xué)反應(yīng)和微小片狀剝落。（ 2）機(jī)械刃磨設(shè)備PCD材料的特性決定了對PCD刀具刃磨機(jī)床的要求不同于普通工

18、具磨床， 即要求：砂輪主軸和回轉(zhuǎn)工作臺以及機(jī)床整體具有很高的剛性和穩(wěn)定性，以 保持刃磨時砂輪對 PCD材料的恒定壓力，彈性變形減小到最少；砂輪架可作 橫向擺動，以保證砂輪端面磨損均勻，砂輪架的擺動頻率和擺動幅度可調(diào)； 機(jī)床上應(yīng)配置光學(xué)投影裝置和高精度回轉(zhuǎn)工作臺，實現(xiàn)在機(jī)測量刀尖圓弧 R 和 角度；機(jī)床工作臺面和回轉(zhuǎn)工作臺直線進(jìn)給數(shù)值由光柵顯示，示值精度達(dá)1卩m采用特殊的專用金剛石砂輪。瑞士 EWAG-R系列和臺灣遠(yuǎn)山機(jī)械生產(chǎn)的FC-200D/500D能基本滿足PCD刀具機(jī)械刃磨的需要德國學(xué)者M(jìn).Kenter通過大量實驗，得出下列結(jié)論：為使杯狀金剛石砂輪 徑向磨損均勻，應(yīng)使砂輪與刀具的重合度1,通過調(diào)節(jié)刃磨機(jī)床砂輪擺動的振 幅和頻率可達(dá)到這一要求；砂輪旋轉(zhuǎn)速度 VC恒定壓力FA和PCD材料的粒 度，將會影響磨除率和磨耗比的大小，因此實際加工時可改變VC和FA來提高刃磨效率、降低刃磨成本；砂輪的粒度、硬度、結(jié)合劑種類和冷卻液濃度等 均對磨除率和磨耗比有一定影響。3. PCD刀具的設(shè)計PCD刀具的設(shè)計應(yīng)遵循下列原則：前角大小應(yīng)根據(jù)工件材料的物理力學(xué) 特性和刀具制作工藝的難易程度來合理選擇；后角根據(jù)已加工表面質(zhì)量要求 的高低，特別是表面粗糙度、微觀形狀精度和彈性變形量的大小來巧妙合理組 合；刀尖R的大小應(yīng)根據(jù)不同工件材質(zhì)、切削加工余