金刚石刀具精密切削加工

精 密 加 工 与 特 种 加 工,第二章 金刚石刀具精密切削加工,超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削 (Simple Point Diamond Turming， SPDT)。:,超精密切削的历史,60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,金刚石车床及刀具,平面镜的切削,平面度0.06 m 表面粗糙度Rmax0.02 m,玻璃镜的切削,1. 按加工方式可分为： 车刀 (Turning Tools) 孔加工刀具 (Drilling Tools) 铣刀 (Milling Tools) 齿轮刀具（Gear Cutting Tools） 成型刀具 (Formed Tools） 其它刀具 (Other Tools) 2. 按刀具结构可分为： 整体刀具 焊接刀具 可转位刀具 其他刀具,一、切削刀具的种类,金属切削刀具简介金刚石刀具,车刀和车削,钻头和钻削,铣刀与铣削,铣刀与铣削,镗刀与镗削,一、切削刀具的种类,3. 按刀具材料的成分可分为： 金刚石刀具（Diamond） 立方氮化硼刀具 (Cubic Born Nitride ) 陶瓷刀具 (Ceramic Tools) 硬质合金刀具（Cemented Carbide Tools） 高速钢刀具 (High Speed Steel) 碳素和合金工具钢 (Alloy Steel),传统切削加工,18世纪后期，碳素工具钢刀具，耐热温度为200，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面， 需要大约1个月时间。 1861年英国人首先制备出合金工具钢刀具，耐热温度达到300左右，切削速度20m/min。 1898年美国人研制成功高速钢刀具，耐热温度达到500左右，切削速度30-40m/min。 高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的第一次革命，新型高速机床随之出现。,二、切削刀具的发展简史,1925年德国人首先发明了硬质合金刀具，耐热温度达到600-800左右，切削速度40-200m/min。硬质合金刀具的出现，引起了金属切削加工的又一次革命。 20世纪30年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，50年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到1100-1400，切削速度500-1000m/min。 20世纪50年代美国GE公司首先合成人造金刚石和CBN，CBN硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-1500。 自20世纪70年代初美国GE公司研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。,实例：加工直径为100mm，长度500mm的碳钢棒。 1890年，用碳素工具钢刀具，需要100min。 1910年，用高速钢刀具，需要26min。 现在，用硬质合金刀具，需要1.5min。 现在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。,三、超精密切削对刀具的要求,1.极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量 2.刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度（普通刀具530m，金刚石刀具10nm）,刃口半径,刃口半径越小（刀刃越锋利），加工表面粗糙度、切削力、切削变形越小及残余应力、加工硬化小。,三、超精密切削对刀具的要求,3.刀刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，从而得到超光滑的镜面 4.与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性 5).切削刃的粗糙度，切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度Ry0.35 m，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.10.2 m，特殊情况Ry1nm。,四、金刚石刀具对超精密切削的适应性（1）金刚石的顔色和硬度,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。 无杂质、无缺陷。 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。,硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。 优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状.,（2）金刚石晶体特点,天然单晶金刚石 人造大颗粒单晶金刚石,金刚石的晶体结构 规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，不同表面、不同方向的摩擦系数差别明显，不同晶面耐磨性能不同。,大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长 而成，并且要求很长的晶体生长时间。 人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。,（2）金刚石晶体特点,天然单晶金刚石 人造大颗粒单晶金刚石,人造金刚石,（3）金刚石刀具的性能特点,硬度极高，耐磨性好。自然界最硬的材料，金刚石的显微硬度达HV10000。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60-80倍。加工高硬度材料时，寿命为硬质合金刀具的10-100倍，甚至高达几百倍。 摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半（0.1-0.3）。摩擦系数低可减小切削温度和切削力。,能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径15nm。 导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。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。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的2-6倍，由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。 不适宜切黑色金属。 很脆，避免振动（高精度的机床设备）。 价格昂贵，刃磨困难。,（3）金刚石刀具的性能特点,（4）金刚石刀具刃口的锋锐性,物理学计算值：最小极限圆弧半径 2nm； 目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什么程度还没有定论； 试验推断目前10nm； 一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半径： 0.20.5 m。特殊精心研磨可达到 0.1 m。,刀具刃口最小半径观测,通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的测量，推断目前刃口半径最小可10nm。,目前国内外金刚石刀具刀刃钝圆半径可以达到的状况： 美国可磨到5nm 日本可磨到1020nm，日本大阪大学和美国LLL实验室（Lawrence Livermore Labor-atory）合作研究超精密切削厚度的最小极限，成功地实现了纳米级切削厚度的稳定切削，使超精密切削水平达到新的高度。 我国可磨到100nm，即0.1m。 最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、超精密机床的性能状态、环境条件等有关。1986年日本大阪大学和美国LLL实验室开展合作研究。在切削厚度极小时（1nm），仍能得到连续稳定的切屑。,天然单晶金刚石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等特点。是精密和超精密加工的一种最佳的切削刀具材料。虽然价格昂贵，但仍被一致公认为理想、不可替代的超精密切削刀具。,金刚石刀具的种类,各种金刚石刀具的性能比较,PCD刀具,1聚晶金刚石（PCD）刀具概述 1.1 PCD刀具的发展 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。,1.2 PCD刀具的应用,近年来PCD刀具主要应用于以下两方面： 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）。 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。如加工玻璃；强化复合地板及其它木基板材等可有效避免刀具易磨损等缺陷。,普通刀具前刀面磨损,普通刀具前刀面的破损,普通刀具后刀面磨损,普通刀具粘结磨损,PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。 PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。 PCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。 大多数PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7mm厚的PCD，这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体PCD，可焊性好，重磨容易，成本低 。,1.2 PCD刀具的特点,1、衡量金刚石刀具的标准： 能否加工出高质量的超光滑表面（Ra0.0050.02m） 能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米） 设计的主要问题： 优选切削部分的几何形状； 前、后面选择最佳晶面，进行晶向定位（各向异性）； 确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法。,五、金刚石刀具的结构设计,2、切削部分的几何形状,普通刀具的切削角度,金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。 国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取0.10.2mm 国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.53mm。 金刚石刀具的主偏角，平时采用3090度，用得较多的是45度。,刀头形式,金刚石刀具的不同刀头形式,金刚石车刀举例,1：主偏角45度 2：前角0度 3：后角5度 4：修光刃0.15mm,1,1,2,3,3,4,金刚石刀具必须解决的两个重要问题：,一是金刚石晶体的晶面选择。 选择正确与否直接影响着各向异性的单晶金刚石刀具的使用寿命;由于金刚石各向异性，因此，刀具前、后刀面选择什么晶面最佳十分重要。国内外均是秘密，一般不会公布刀具前、后刀面选择的资料。一般选用（100）面或（110）面，但是不选择(111)晶面。因为(111)晶面硬度太高，很难研磨。 二是金刚石刀具的刃口的锋利性，即刀尖圆弧半径 影响切削加工的最小切削深度 影响到微量切除能力和加工质量。,3.金刚石刀具的制造,3.金刚石刀具的制造,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，刀头通常由平面组合成形。,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）,（1）研磨方法,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。,（2）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。 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。,直线刃刀头 安装很难，需要有高超的安装技术，有10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。 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。,4、金刚石刀具结构与固定方法,机械加固需要大颗粒金刚石，使用较少。 粉末冶金将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头内，国内外使用较多，但需要热压真空烧结炉。 粘结或钎焊使用无机粘结剂或其他粘结剂固定金刚石，结合强度不高；使用钎焊，但是国外高度保密。,六、金刚石刀具的应用 金刚石刀具