金剛石刀具切削加工

1、金剛石車床加工4.5mm陶瓷球金剛石車床及其加工照片金剛石刀具1 金剛石刀具切削加工 精密超精密切削加工要求刀具能夠均勻地去除不大于工件加工精度且厚度極薄的金屬層或非金屬層。其加工工具必須具備超微量的切削特征，即 ： 微量切除是精密加工的重要特征之一。 金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等眾多的優(yōu)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。天然金剛石具有無(wú)與倫比的硬度，是精密和超精密加工的一種最佳的切削刀具材料，現(xiàn)在天然單晶金剛石已經(jīng)成為精密超精密切削主要刀具。2 1. 金剛石刀具的特性 （1） 金剛石的顏色和硬度 有紅色和綠色等多種顏色。 硬度隨顏色不同而

2、不同。茶色最硬、無(wú)色和黃色次之。 金剛石還有很高的韌性（與礦物相比較）：黃色天然金剛石的韌性更好，不易崩刃。 要選用不易崩刃并且易于使用色澤的金剛石刀具。結(jié)論：在難切削材料鏡面加工中，幾乎都是采用的茶色的金剛石刀頭。3 （3） 硬度高 金剛石結(jié)晶原子間的結(jié)合力非常牢固，其顯微硬度值比其他物質(zhì)高許多，耐磨性是剛玉磨料的140倍左右。 金剛石的最強(qiáng)結(jié)晶位置是（111）面，拋光后的抗拉強(qiáng)度為4001000kg/mm2之間。 制作刀具時(shí)，盡可能與（111）面平行研磨并形成前刀面。 但與（111）面成平行的研磨會(huì)使加工成本過(guò)高，通常是以3左右的傾角進(jìn)行研磨以形成前刀面和鋒利的切削刃。4 （3） 熱傳導(dǎo)率

3、大 金剛石是由碳原子的共價(jià)結(jié)合而成的，其熱傳導(dǎo)率在礦物中是最大的。 由于前刀面及刃口十分光滑，其摩擦系數(shù)比其他刀具材料小，切屑脫落較好，所以切削加工時(shí)發(fā)熱量非常小。且所產(chǎn)生的熱量能被金剛石迅速地導(dǎo)入刀體材料中 。 52.金剛石刀具的制造 （1）成形 天然金剛石的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)晶形是正八面體，但通常多為斜方十二面體。 由于形狀千差萬(wàn)別，金剛石刀頭很難加工，天然礦石的加工成形多采用研磨加工方法，對(duì)研磨位置，研磨方向有嚴(yán)格的限制，刀頭通常由于平面組合成形。 近幾年來(lái)，專用天然金剛石超精密研磨機(jī)的發(fā)展，使得加工各種形狀的刀形的刀頭變得十分簡(jiǎn)單。6 金剛石刀具的研磨，采用普通的頂尖式研磨機(jī)很難達(dá)到理想的要求，一

4、般用空氣軸承的研磨機(jī)。研磨盤多采用低壓燒結(jié)工藝而制成的鑲嵌的鑄鐵研磨盤。 由于振動(dòng)小，可達(dá)到很低的粗糙度和極小的刃口半徑， （3）特殊刀頭的形狀 小型刀頭和全R刀頭是屬于特殊形狀的刀頭。另外，還有直線擬合曲線形狀的特殊用途的刀頭，要求復(fù)雜形狀時(shí)，可采用幾個(gè)刀片組合而成。 金剛石刀具刃磨 通常在鑄鐵研磨盤上進(jìn)行研磨 晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行 圓角半徑越小越好（理論可達(dá)到1nm）（2）研磨方法7金剛石刀頭的形狀條件是：不產(chǎn)生走刀痕跡的形狀直線刃和圓弧刃 直線刃刀頭 安裝很難，需要有高超的安裝技術(shù)，有10角度誤差就會(huì)影響精加工表面的質(zhì)量，但是這種刀頭的加工表面精度最好。 圓弧刃刀頭 安裝容易，

5、但加工表面精度稍差一點(diǎn)， 因此最好采用能微調(diào)安裝角度的直線刃刀刀頭。 但是加工曲率半徑小的聚光反射鏡等則必須采用四圓弧刃刀頭。8（2）金剛石車刀切削部分前角00；后角058；主偏角Kr=45。9刀具磨損破損和耐用度 金剛石刀具的磨損、破損 刀具的磨損形式： 機(jī)械磨損、粘結(jié)磨損、相變磨損、擴(kuò)散磨損、破損和碳化磨損。 金剛石刀具的磨損形式：機(jī)械磨損、破損和碳化磨損。最常見(jiàn)的磨損形式為機(jī)械磨損、破損，碳化磨損較少見(jiàn)。 （1）機(jī)械磨損 由于機(jī)械摩擦所造成的磨損。 后刀面一般情況是形成階梯形磨損。 前刀面是由于切屑流過(guò)而引起的，產(chǎn)生凹槽形的磨損帶。 金剛石刀具的機(jī)械磨損一般很小，磨損后的表面非常平滑，對(duì)

6、加工一般不會(huì)顯著地影響加工表面質(zhì)量。 這種機(jī)械磨損主要產(chǎn)生在金剛石刀具加工鋁、銅尼龍等物質(zhì)材料。但是在加工過(guò)程中切削過(guò)程穩(wěn)定、沒(méi)有沖擊振動(dòng)。10（2）刀具的破損產(chǎn)生刀具破損的原因：裂紋破損結(jié)構(gòu)缺陷；切屑流過(guò)刀具表面時(shí)，循環(huán)應(yīng)力的作用；刀具表面研磨應(yīng)力裂紋脆裂 解理 是指礦物被打擊時(shí),常沿一定方向有規(guī)則地裂開形成光滑平面的性質(zhì)。 當(dāng)垂直于金剛石（111）晶面的拉力超過(guò)某特定值時(shí)，兩相鄰的（111）晶面分離、產(chǎn)生解理劈開。 如果金剛石晶面方向選擇不當(dāng)，切削力容易引起金剛石的解理，使刀具壽命急劇下降，尤其是在有沖擊振動(dòng)、切削不穩(wěn)定的條件下，更容易產(chǎn)生解理。 最新研究表明，為了增加刀刃的微觀強(qiáng)度，減小

7、破損幾率，應(yīng)選用微觀強(qiáng)度最高的（110）晶面作為金剛石刀具的前后刀面。 制作刀具時(shí)，盡可能與（111）面平行研磨并形成前刀面。 但與（111）面成平行的研磨會(huì)使加工成本過(guò)高，通常是以3左右的傾角進(jìn)行研磨以形成前刀面和鋒利的切削刃。11刀具磨損對(duì)加工質(zhì)量的影響 刀具的磨損形式在很大程度上取決于工件材料性質(zhì)、金剛石特性的利用及其機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性。 特別是金剛石的特性和磨損有很大的關(guān)系。 合理地使用金剛石刀具，可以在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較高的加工質(zhì)量。12刀具的耐用度1. 刀具磨損的影響： 刀具磨損到一定程度就不能繼續(xù)使用，否則將降低加工零件的尺寸精度和加工表面質(zhì)量，同時(shí)也增加了刀具的消耗、增加加工成本。

8、132 刀具磨損過(guò)程 正常磨損情況下，刀具磨損量隨切削時(shí)間增加而逐漸擴(kuò)大。若以后刀面磨損為例，它的典型磨損過(guò)程如圖所示，圖中大致分三個(gè)階段。初期磨損階段(段)、正常磨損階段(段)、急劇磨損階段(段)。刀具磨損過(guò)程曲線143. 磨鈍標(biāo)準(zhǔn)（1）工藝磨損限度工 工藝磨損限度是根據(jù)工件表面粗糙度及尺寸精度的要求而制定的，當(dāng)?shù)毒吣p到一定數(shù)值時(shí)，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圍。精密加工都采用這種工藝磨損限度。（2）合理磨損限度合 這是合理使用刀具材料的觀點(diǎn)出發(fā)而制定的磨損限度。 太大和太小都會(huì)浪費(fèi)刀具材料，只有取正常磨損階段終了之前的磨損量作為磨損限度才能最

9、經(jīng)濟(jì)地使用刀具。154. 刀具的耐用度 刀具的耐用度是指刀具由開始切削到磨鈍為止的總切削時(shí)間。代表了刀具磨損的快慢程度。 金剛石刀具用于精密切削加工時(shí)，其破損或磨損而不能繼續(xù)使用的標(biāo)志是加工表面粗糙度超過(guò)規(guī)定值。 金剛石刀具的耐用度一般用切削路程的長(zhǎng)度表示。 金剛石刀具拒絕振動(dòng)和碰撞。 刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好壞的重要標(biāo)志。16聚晶金剛石刀具 1聚晶金剛石（PCD）刀具概述 1.1 PCD刀具的發(fā)展 金剛石作為一種超硬刀具材料應(yīng)用于切削加工已有數(shù)百年歷史。 在刀具發(fā)展歷程中，從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國(guó)首先研制出硬質(zhì)合金刀具材料并獲得廣泛應(yīng)用

10、；二十世紀(jì)五十年代，瑞典和美國(guó)分別合成出人造金剛石，切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時(shí)期。二十世紀(jì)七十年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴的問(wèn)題，使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。 171.2 PCD刀具的性能特點(diǎn) 金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。 由于聚晶金剛石（PCD）的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD燒結(jié)體表現(xiàn)為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開。 18PCD刀具材料

11、的主要性能指標(biāo)：PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80120倍；PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金的1.59倍，甚至高于銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.10.3（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.41），因此PCD刀具可顯著減小切削力；PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.910 -61.1810 -6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過(guò)程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。 191.3 PCD刀具的應(yīng)用工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)PCD刀具的研究開展較早，其應(yīng)用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人

12、造金剛石以來(lái)，對(duì)PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。國(guó)際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國(guó)De Beers公司、美國(guó)GE公司、日本住友電工株式會(huì)社等。國(guó)內(nèi)PCD刀具市場(chǎng)隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前中國(guó)第一汽車集團(tuán)已有一百多個(gè)PCD車刀使用點(diǎn)，許多人造板企業(yè)也采用PCD刀具進(jìn)行木制品加工。PCD刀具的應(yīng)用也進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究。 201.3 PCD刀具的應(yīng)用 通過(guò)對(duì)近年來(lái)PCD刀具應(yīng)用的分析可見(jiàn)，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面：難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時(shí)，往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺

13、陷，而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料過(guò)共晶硅鋁合金（對(duì)該材料加工機(jī)理的研究已取得突破）。難加工非金屬材料的加工：PCD刀具非常適合對(duì)石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃；目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其它木基板材（如MDF）的應(yīng)用日趨廣泛，用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。 212PCD刀具的制造技術(shù) 2.1 PCD刀具的制造過(guò)程 PCD刀具的制造過(guò)程主要包括兩個(gè)階段： PCD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、

14、鎳等金屬）按一定比例在高溫（10002000）、高壓（510萬(wàn)個(gè)大氣壓）下燒結(jié)而成。 PCD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 223.PCD刀具的設(shè)計(jì)原則 3.1 刀具材料的選擇 （1）合理選擇PCD粒度PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關(guān)，如設(shè)計(jì)用于精加工或超精加工的刀具時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好、細(xì)晶粒的PCD。研究表明：PCD粒度號(hào)越大，刀具的抗磨損性能越強(qiáng)。 （2）合理選擇PCD刀片厚度通常情況下，PCD復(fù)合片的層厚約為0.31.0mm，加上硬質(zhì)合金層后的總厚度約為28mm。較薄的PCD層厚有利于刀片的電火花加工。 233.2 刀具

15、幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PCD刀具的幾何參數(shù)取決于工件狀況、刀具材料與結(jié)構(gòu)等具體加工條件。 由于PCD刀具常用于工件的精加工，切削厚度較?。ㄓ袝r(shí)甚至等于刀具的刃口半徑），屬于微量切削，因此其后角及后刀面對(duì)加工質(zhì)量有明顯影響，較小的后角、較高的后刀面質(zhì)量對(duì)于提高PCD刀具的加工質(zhì)量可起到重要作用。 244PCD刀具的切削參數(shù)與失效機(jī)理4.1 PCD刀具切削參數(shù)對(duì)切削性能的影響（1）切削速度PCD刀具可在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行切削加工，但切削速度的變化對(duì)加工質(zhì)量的影響不容忽視。雖然高速切削可提高加工效率，但在高速切削狀態(tài)下，切削溫度和切削力的增加可使刀尖發(fā)生破損，并使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)。 （2）進(jìn)給量如PCD刀具的進(jìn)給量過(guò)大，將使工件上殘余幾何面積增加，導(dǎo)致表面粗糙度增大；如進(jìn)給量過(guò)小，則會(huì)使切削溫度上升，切削壽命降低。 （3）切削深度增加PCD刀具的切削深度會(huì)使切削力增大、切削熱升高，從而加劇刀具磨損，影響刀具壽命。此外，切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。 25 4.2 PCD刀具的失效機(jī)理 刀具的磨損形式主要有磨料磨損、粘結(jié)磨損（冷焊磨損）、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱電磨損等。PCD刀具的失效形式與傳統(tǒng)刀具有所不同，主要表現(xiàn)為聚晶層破損、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。研究表明，采用PCD刀具加工金屬