儀器制造技術(shù)-金剛石車削

金剛

石刀

具超

精密

車削2/3/20231西安科技大學(xué)機(jī)械制造工程學(xué)院鉆石（就是金剛石）一般稱經(jīng)過(guò)琢磨的金剛石為鉆石。金剛石的化學(xué)成分是純碳，硬度為10，是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，比重3.47至3.55，折光率2.42。一般認(rèn)為1克拉以上的為大金剛石，100克拉以上的為特大金剛石。特大塊的金剛石極為罕見(jiàn)，目前世界上僅三十余塊，其中最大的“庫(kù)利南”重3106克拉，是1905年在南非發(fā)現(xiàn)的。評(píng)價(jià)鉆石的標(biāo)準(zhǔn)稱為四C標(biāo)準(zhǔn)，即重量、顏色、潔凈和琢磨。其它條件相同，越重則越珍貴；鉆石因各種原因，常有顏色方面的不同，各國(guó)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一。最常見(jiàn)的為白色、淡黃色，有些藍(lán)色、粉紅色、綠色、紫色等，被視為特殊色，由于稀有，成為鉆石中的珍品。金剛石和石墨的化學(xué)成分是純碳，金剛石硬，而石墨軟。這是因?yàn)槭械奶荚邮浅蓪优帕械?，原子間的結(jié)合力很小，金剛石中的碳原子則是交錯(cuò)整齊地排列成立方體結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子都緊密地與其他4個(gè)碳原子直接連接，構(gòu)成一個(gè)牢固的結(jié)晶體。要使碳原子形成這樣的結(jié)構(gòu)，需要2千攝氏度高溫和5萬(wàn)個(gè)大氣壓。金剛石與石墨結(jié)構(gòu)另外幾種寶石祖母綠寶石的礦物名稱叫綠柱石，由于礦物中含有微量的鉻元素，呈現(xiàn)出晶瑩艷美的綠色。綠柱石常成六角柱形狀，晶體產(chǎn)出。硬度7.5至8，比重2.67至2.78，折光率為1.56至1.60，透明、性脆。紅寶石的礦物名稱叫剛玉。它是六方晶體，硬度9，比重3.99至4.02，折光率1.76至1.77,透明、半透明或不透明。它是氧化鋁錳的結(jié)晶體，因含鉻離子而有各種深淺不同的紅色，其中以鴿血紅為最好。當(dāng)紅寶石內(nèi)部的某種雜質(zhì)按寶石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有規(guī)律地排列時(shí)，在光源的照耀下，可反射出一種迷人而美麗的六射星光，俗稱六道線。緬甸是世界上著名的紅寶石產(chǎn)地，所產(chǎn)最大的一塊達(dá)3450克拉。藍(lán)寶石的礦物名稱也叫剛玉，它也是六方晶體，硬度9，比重3.97至4.08，折光率1.76至1.77,透明、半透明或不透明。它是氧化鋁鈦的結(jié)晶體，因含鐵離子與鈦離子而呈藍(lán)色，其中以洋藍(lán)色為最好。有的藍(lán)寶石也可以產(chǎn)生美麗的六射星光，這決定于寶石內(nèi)部按規(guī)律排列的反光物質(zhì)，而且與產(chǎn)地有關(guān)，如斯里蘭卡所產(chǎn)藍(lán)寶石，其星光效果就特別好。金剛石與寶石按照寶石學(xué)的定義，玉指的是兩類具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的礦物：硬玉和軟玉。軟玉又稱和闐玉，化學(xué)成分為鈣鎂硅酸鹽類礦物，硬度6－6.5（鉆石為10）；硬玉就是俗稱的翡翠，化學(xué)成分為鋁硅酸鹽類礦物，硬度6.5－7?？死傅刂泻：＿吷L(zhǎng)的一種刺槐（角豆樹(shù)）的果實(shí)，200毫克為一克拉。為什么要用金剛石做刀具？天然金剛石具有極高的硬度，10000HV；刀刃可以刃磨的非常鋒利；r=0.3-0.08微米與被加工材料的摩擦系數(shù)小導(dǎo)熱好擅長(zhǎng)加工有色金屬、光學(xué)鏡片、陶瓷等DiamondtoolsUltraprecisioncuttingtoolsneedtobehardandsharpandtohaveenhancedthermalpropertiesinordertomaintaintheirsizeandshapewhilecutting.Advantagesofferedbydiamondinclude:(1)

Crystallinestructure,whichenablesverysharpcuttingedgestobeproduced,(2)Highthermalconductivity,thehighestofanymaterialsatroomtemperature,(3)Abilitytoretainhighstrengthathightemperature,(4)Highelasticandshearmoduli,whichreducedeformationduringmachining.Diamondis,however,chemicallyattackedbyferrousmaterialsathightemperatures,andisgenerallyunsuitableforthemachiningofsteelsandnickelalloys.Thisisbecauseoftheveryhighwearrateofthediamondwhichresultsinnonviabletoolscosts.Morerecentlydiamondmachininghasbeenusedformachiningofnonferrousmetalssuchasaluminumandcopper,whicharedifficultmaterialsonwhichtoobtainamirrorsurfacebygrinding,lappingorpolishing.Thisisbecausethesemetalsarerelativelysoftandtheabrasiveprocessesscratchthefinishedsurfaceand,furthermore,areunabletoproducehighlevelsofflatnessattheedgesofthemachinedsurface.超精密車削用在何處？鋁合金，無(wú)氧銅，黃銅，非電解鎳等有色金屬。陀螺儀，天文望遠(yuǎn)鏡的反射鏡，錄象機(jī)磁頭，硬盤，激光打印機(jī)的多面棱鏡，復(fù)印機(jī)硒鼓。常用車刀二維直角切削模型金屬切削過(guò)程實(shí)際是被切削金屬層在刀刃的切割作用和前刀面的的擠壓作用下產(chǎn)生剪切滑移的塑性變形過(guò)程，在切削過(guò)程中也有彈性變形，但與塑性變形相比可以忽略常用刀具材料的種類與特性常用刀具材料有:碳素工具鋼，合金工具鋼，高速鋼，硬質(zhì)合金，陶瓷，金剛石，立方氮化硼高速鋼——具有較高的熱穩(wěn)定性、高的強(qiáng)度，刀具制造工藝簡(jiǎn)單。硬質(zhì)合金——具有高耐磨性和高耐熱性，但抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差，很少用于制造整體刀具。陶瓷材料——硬度高、耐用度高，還可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工，切削效率顯著提高。高速鋼（HSS）特別適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的刀具例如各類成形刀具、孔加工刀具銑刀、拉刀、齒輪刀具、螺紋刀具等適于制造中、低速切削的各種刀具按其性能分成兩大類普通高速鋼鎢系：W18Cr4V,W14Cr4MnRE鉬系：W6Mo5Cr4V2高性能高速鋼高性能高速鋼高碳:9W18Cr4V(C:0.9%)高釩:W6Mo5Cr4V3高鈷:W6Mo5Cr4Co8超硬:W2Mo9Cr4VCo8,W6Mo5Cr4V2Al一般來(lái)說(shuō)，W占10－20％，Cr占4％,V占1%,還有用Mo的。在刀具本身的熔煉、成型中，這些元素可以和碳形成高硬度的碳化物，提高耐磨性，W還可以增加高溫硬度。Mo和W差不多作用，但可以細(xì)化碳化物顆粒，提高韌性。V的作用主要增加耐磨性。硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物(WC,TiC)微米級(jí)粉末和金屬粘接劑（Co,Mo,Ni）經(jīng)過(guò)高溫、高壓燒結(jié)而成的粉末冶金材料。YT,硬鈦(P類) YT5,YT14,YT30YG,硬鈷(K類) YG3X,YG6X,YG8YW,硬鎢(M類) YW1,YW2涂層硬質(zhì)合金通過(guò)氣相沉積和真空濺射等方法在刀片上涂層。TiC用的多一些。陶瓷刀具主要用AL2O3加微量添加劑（MgO)，經(jīng)冷壓燒結(jié)而成。用陶瓷基復(fù)合材料，抗彎強(qiáng)度高、韌性好，作為切削刀具，其耐用度比硬質(zhì)合金高出113倍。因此，世界各國(guó)都非常重視此類刀具的開(kāi)發(fā)研究，美國(guó)汽車工業(yè)近40%的刀具為陶瓷刀具，德國(guó)也占20%。我國(guó)研制和生產(chǎn)陶瓷刀具起步較晚，目前仍以高速鋼，硬質(zhì)合金為主，陶瓷材料比例不大。合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院劉寧教授主持研究的國(guó)家科技攻關(guān)地方重大項(xiàng)目－－納米ＴＩＮ、ＡＩＮ改性的ＴＩＣ基金屬陶瓷刀具制造技術(shù)2004年3月上旬通過(guò)鑒定，這標(biāo)志著一種利用納米材料制作的新型金屬陶瓷刀具問(wèn)世。

這個(gè)項(xiàng)目研究納米ＴＩＮ改性ＴＩＣ基金屬陶瓷材料，在金屬陶瓷（ＴＩＣ碳化鈦）中主要加入納米ＴＩＮ（氮化鈦）可以細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性，這對(duì)開(kāi)發(fā)和研制新型刀具材料具有重要的意義。研究同時(shí)表明，納米ＡＩＮ（氮化鋁）對(duì)刀具材料的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。研制的納米ＴＩＮ改性ＴＩＣ基金屬陶瓷刀具具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是一種高技術(shù)含量和高附加值的新型刀具。經(jīng)用戶４個(gè)多月的應(yīng)用表明，在切削加工領(lǐng)域可以部分取代ＹＧ８、ＹＴ１５等硬質(zhì)合金刀具，刀具壽命提高2倍以上，生產(chǎn)成本與ＹＧ８刀具相當(dāng)或略低。刀具材料應(yīng)用場(chǎng)合總結(jié)1刀具類型常用牌號(hào)應(yīng)用場(chǎng)合舉例碳素工具鋼T10A,T12A手工工具銼刀合金工具鋼9SiC,CrWMn低速場(chǎng)合板牙，絲錐，鉸刀，拉刀高速鋼通用型W18,M2有色金屬，高溫合金鉆頭，齒輪刀具，拉刀高性能型M42不銹鋼，奧氏體鋼，超高強(qiáng)度鋼通用刀具刀具材料應(yīng)用場(chǎng)合總結(jié)2刀具類型常用牌號(hào)應(yīng)用場(chǎng)合舉例硬質(zhì)合金WC基YTYT5,YT30鋼，鑄鋼通用刀具YGYG3X,YG8鑄鐵，有色金屬，非金屬，通用刀具通用刀具YWYW1,YW2奧氏體鋼，錳鋼，鑄鋼，有色金屬通用刀具TiC基YNYN05,YN10奧氏體鋼，錳鋼，鑄鋼，有色金屬通用刀具陶瓷SM車刀，銑刀金剛石磨具，磨料，車刀，鏜刀CBN磨具，車刀，鏜刀，端銑刀，鉸刀金剛石超精密車削機(jī)理普通加工時(shí)，切削深度遠(yuǎn)大于材料的晶格尺寸，在切應(yīng)力的作用下從基體上去除晶粒團(tuán)。而精密切削時(shí)要達(dá)到0.1微米以下的精度，刀具必須具備切除亞微米級(jí)尺寸的能力，一般切削深度小于晶格尺寸，是去除晶體。普通加工時(shí)起主要作用的是晶格間的位錯(cuò)缺陷，精密切削時(shí)克服的是晶體內(nèi)非常大的原子結(jié)合力，所以刀具上力很大，熱量大，溫度高一般刀具受不了，金剛石具備高溫強(qiáng)度和高溫硬度，能保持好的切削性能。刀具鋒利，用刃口圓弧半徑衡量，當(dāng)切削層厚度小于刃口圓弧時(shí)，切不下金屬，只是滾壓。金剛石車刀頂刃形狀金剛石通用車刀實(shí)現(xiàn)精密車削的條件欲工善其事，必先利其器－－刀要快超精密機(jī)床－主軸、導(dǎo)軌、微進(jìn)給系統(tǒng)、在線測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境：恒溫、隔振、防塵正確選擇切削工藝參數(shù)：切削速度、進(jìn)給量、切削深度等。（有很多人在研究）金剛石刀具如何制造？天然金剛石也只有10－