天然金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展概況

國際金屬加工網(wǎng)

1 前言

金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體努隙，其晶體結(jié)構(gòu)屬等軸面心立方晶系(一種原子密度最高的晶系)。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，因此具有很強的結(jié)合力审陌、穩(wěn)定性和方向性蚯垫。獨特的晶體結(jié)構(gòu)使金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度、剛性眠琴、折射率下质、導(dǎo)熱系數(shù)以及優(yōu)良的抗磨損、抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等诞仓。

天然金剛石的優(yōu)良特性可滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數(shù)要求缤苫，是理想的精密切削刀具材料。天然金剛石無內(nèi)部晶界的均勻晶體結(jié)構(gòu)使刀具刃口理論上可達(dá)到原子級的平直度與鋒利度墅拭，切削時切薄能力強活玲、精度高、切削力械瘛舒憾；天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性保證了刀具的超長壽命穗熬，能保證持續(xù)長久的正常切削镀迂，并減少由于刀具磨損對零件精度的影響；其較高的導(dǎo)熱系數(shù)又可降低切削溫度和零件的熱變形唤蔗。因此探遵，天然金剛石作為超硬刀具材料在機械加工領(lǐng)域有著重要地位并得到了廣泛應(yīng)用，尤其在超精密加工領(lǐng)域(如加工用于原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡妓柜、用于導(dǎo)彈或火箭中的導(dǎo)航陀螺箱季、計算機硬盤基片、加速器電子槍等超精密零件)寸纠，采用天然金剛石刀具無論在價格上還是在精度上都比傳統(tǒng)加工方法具有明顯優(yōu)勢雳雄。表1為采用天然金剛石刀具與傳統(tǒng)的研磨、拋光方法加工各種反射鏡的精度帮课、價格比較結(jié)果匙久。

表1 天然金剛石刀具與研磨、拋光方法在加工精度八泡、價格上的比較

加工對象		加工費用(美元)
加工對象		傳統(tǒng)加工方法	金剛石車削
紅外非球面鏡		4000	2000
RPVFLIR非球面鏡		1600	900
醫(yī)用特殊FLIR鏡		3500	2000
X射線天體望遠(yuǎn)鏡		50萬～100 萬(玻璃)	6萬(金屬)
?100mm拋物鏡	加工費用	50000	4000
	精度(μm)	3	0.6
	加工時間	12個月	3周

除高科技領(lǐng)域外蛀颓，天然金剛石刀具在普通工業(yè)和民用產(chǎn)品加工中的應(yīng)用也逐年增長，已從傳統(tǒng)的手表零件加工發(fā)展到鋁活塞扛聂、首飾艘尊、制筆、高光標(biāo)牌栏付、有色金屬裝飾件等的加工罚考，可以說天然金剛石刀具已深入機械加工各個領(lǐng)域，起著越來越重要的作用。

另一方面笼踩，由于天然金剛石的獨特性能逗爹，使得對其本身的加工非常困難。由于天然金剛石具有極高硬度嚎于，必須采用特殊方法進(jìn)行研磨掘而，對操作工人的技術(shù)也有很高要求；由于天然金剛石具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性于购，過去長期無法對其進(jìn)行焊接袍睡，只能采用機械方法夾持大顆粒金剛石，造成金剛石材料的浪費與刀具價格居高不下肋僧，同時還影響了刀具和零件的精度斑胜。

近百年來，科技人員對金剛石刀具在機械加工中的重要作用嫌吠、應(yīng)用前景及實現(xiàn)方法等進(jìn)行了長期研究及開發(fā)止潘，取得了豐碩成果。下面分階段回顧天然金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展概況辫诅，介紹最新的金剛石刀具尖端技術(shù)凭戴，并探討今后的發(fā)展趨勢。

2 天然金剛石刀具傳統(tǒng)加工工藝

天然金剛石刀具是二戰(zhàn)后為滿足手表精密零件炕矮、光飾件以及首飾雕花等加工需要而發(fā)展起來的逆酣，其制造工藝起源于鉆石首飾的研磨拋光技術(shù)，它的發(fā)展帶來了手表及相關(guān)制造技術(shù)的重大變革厨刷。

鉆石首飾的研磨拋光工藝方法為：在鑄鐵研磨盤的上表面涂敷金剛石微粉與橄欖油混合而成的研磨膏，并使金剛石微粉鑲嵌在鑄鐵表面的微小孔隙中妨菩，固定于夾具滑板上的鉆石首飾靠夾具的自重壓在高速旋轉(zhuǎn)的研磨盤上進(jìn)行研磨糙枚。

采用鉆石首飾加工方法研磨天然金剛石刀具時，需完成以下特殊工藝：

1) 刀刃處理及檢測：刀刃質(zhì)量將直接影響被加工零件質(zhì)量厚饱。
2) 定向：將刀具最劇烈磨損面置于金剛石最硬晶面上檐伞，使刀具使用壽命最長。傳統(tǒng)的定向方法一般采用肉眼定向捕如。
3) 裝卡：在切削過程中切拳，天然金剛石刀具要承受來自各個方向的切削力，為保證連續(xù)揩池、穩(wěn)定的切削孽倒，必須將金剛石刀具牢固安裝在刀桿上。由于當(dāng)時尚未發(fā)明金剛石釬焊技術(shù)泪桥，因此只能采用機械夾持救鲤。

由于傳統(tǒng)的金剛石刀具加工方法工藝簡單，設(shè)備造價低，因此直至今天仍用于金剛石刀具的粗加工本缠。為進(jìn)一步完善金剛石刀具加工工藝斥扛，半個世紀(jì)以來科技人員對金剛石晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)以及金剛石刀具研磨機理丹锹、刀刃形成機理稀颁、切削理論、釬焊技術(shù)楣黍、精密刃磨設(shè)備等課題進(jìn)行了大量研究匾灶，為天然金剛石刀具超精密加工技術(shù)的開發(fā)打下了堅實基礎(chǔ)，許多研究課題今天仍在繼續(xù)進(jìn)行锡凝。

3 天然金剛石刀具超精密加工技術(shù)

二十世紀(jì)七十年代后期粘昨，在激光核融合技術(shù)的研究中，需要大量加工高精度軟質(zhì)金屬反射鏡窜锯，要求軟質(zhì)金屬表面粗糙度和形狀精度達(dá)到超精密水平张肾。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法悄贴，不僅加工時間長悟唆、費用高、操作難度大诈绷，而且不易達(dá)到要求的精度拗辜。因此，亟需開發(fā)新的加工方法怒央。在現(xiàn)實需求的推動下烤眉，天然金剛石超精密鏡面切削技術(shù)得以迅速發(fā)展，在已有的金剛石車削技術(shù)基礎(chǔ)上项请，通過提高機床精度與剛性烦盛、嚴(yán)格控制加工時的振動和溫度漂移、研制超精密天然金剛石刀具等肚轴，形成了鏡面切削工藝紧邑，并發(fā)展成為一項專門技術(shù)。作為超精密鏡面切削的關(guān)鍵技術(shù)之一稠还，天然金剛石刀具技術(shù)在理論及實踐上都取得了顯著的創(chuàng)新與發(fā)展伞缺，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

3.1 超精密金剛石刀具的開發(fā)

1) 在主切削刃與副切削刃之間引入修光刃，使已加工表面的理論粗糙度接近于零且修光刃在500× 或更高倍顯微鏡下檢測時無缺陷叁丧。
2) 金剛石刀具關(guān)鍵角度的加工精度達(dá)到2”啤誊。
3) 車削內(nèi)曲面所用圓弧刀具的圓弧精度達(dá)到微米量級。

3.2 精密刃磨設(shè)備的研制

由于傳統(tǒng)的研磨設(shè)備已無法滿足超精密金剛石刀具的加工要求拥娄，因此開發(fā)了采用空氣軸承的圓弧與刀刃研磨機坷衍，其刃磨精度可達(dá)0.1μm。

3.3 精密定向技術(shù)及裝備

對金剛石刀具定向的目的不僅是要使刀具具有最長壽命，而且要求刀具后刀面與已加工表面的摩擦及刀刃附近解理面的應(yīng)力達(dá)到最小枫耳。為此乏矾，需要采用更精密的X 射線衍射儀進(jìn)行定向。

3.4 真空釬焊技術(shù)的發(fā)明

真空釬焊是金剛石刀具制造技術(shù)最重要的突破之一迁杨。一方面钻心，傳統(tǒng)的機械夾持方法可能導(dǎo)致金剛石刀具在切削中產(chǎn)生微小位移和振動等缺陷，影響加工質(zhì)量铅协；另一方面捷沸，由于金剛石本身具有極高化學(xué)穩(wěn)定性，一般條件下很難與其它金屬發(fā)生反應(yīng)而實現(xiàn)焊接狐史，即金剛石具有不可焊性痒给。為解決這一矛盾，經(jīng)過長期研究和探索近振，終于發(fā)現(xiàn)了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)红狗。

3.5 刀具磨損機理的確立

通過研究發(fā)現(xiàn)，在切削過程中暴遂，金剛石刀具的磨損以化學(xué)粘結(jié)磨損為主暂呈，并存在少量機械磨損等其它磨損形式。刀具磨損機理的確立決定了刀具定向原則：將化學(xué)穩(wěn)定性最好的晶面置于刀具的后刀面粘伊。

3.6 機械磨削方法的系統(tǒng)研究

3.7 金剛石理論研究的進(jìn)展

通過對金剛石理論的深入研究辜辰，發(fā)現(xiàn)了金剛石的宏觀塑性變形(過去認(rèn)為金剛石只有少量彈性變形而無塑性變形)；研究了金剛石晶體中的微量雜質(zhì)惠翼，根據(jù)雜質(zhì)的不同將金剛石分為四類束敦，從而可根據(jù)不同用途選擇不同種類的金剛石；此外支摹，通過對金剛石的斷裂特性匾瓣、解理特性、表面形成機理等進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究娃肃，獲得了大量數(shù)據(jù)缕陕，形成了各種理論粱锐，對金剛石有了更為科學(xué)疙挺、更為深刻的認(rèn)識。

這一階段金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展特點是：由于金剛石刀具被應(yīng)用于國防怜浅、高科技等領(lǐng)域铐然，因此得到大量資金投入，在研究中使用了尖端設(shè)備恶座、儀器和最新科學(xué)方法搀暑，取得了飛躍性發(fā)展。

4 天然金剛石刀具最新加工技術(shù)

二十世紀(jì)八十年代末期，微型機械作為一個新的研究領(lǐng)域得到快速發(fā)展自点。采用機械方法加工用于制造微型機器人的微型零部件(如?0.1mm微型精密齒輪桐罕、0.3mm微型電機等)時，要求刀具的刀尖圓弧半徑為3～5μm桂敛，且圓弧精度能夠控制功炮，并可達(dá)到相當(dāng)長的刀具使用壽命。

從刀具材料分析术唬，只有單晶天然金剛石能滿足上述要求薪伏。同時，經(jīng)過近十年的高速發(fā)展避扎，金剛石刀具理論與技術(shù)已經(jīng)有了豐富積累疯蓄，基本具備了研制開發(fā)上述高精度刀具的能力。但是咬跷，運用前述金剛石刀具超精密加工技術(shù)加工出的金剛石刀具與微型機械加工刀具的要求仍有距離猩镰，需要進(jìn)一步研制開發(fā)更先進(jìn)的加工方法。近年來開發(fā)了采用各種化學(xué)機理研磨金剛石刀具的方法惑叶，以下介紹的三種加工方法均可達(dá)到原子級加工水平古种。

4.1 熱化學(xué)方法

熱化學(xué)方法的機理為：在溫度為800℃時，若金剛石表面與鐵接觸旭绝，金剛石晶體中的碳原子能夠擺脫自身晶格的約束绷荔，擴散到鐵晶體晶格中去。

運用熱化學(xué)方法的研磨過程為：在氫氣氣氛中將鐵質(zhì)研磨盤加熱到800℃桨皂，使金剛石與研磨盤接觸并相對滑動茄码，金剛石晶格中的碳原子會擴散到鐵晶體晶格中，達(dá)到磨削金剛石的目的衰屡；進(jìn)入鐵晶格中的碳原子與氫氣反應(yīng)生成甲烷并隨氣流散發(fā)到空氣中构韵。采用熱化學(xué)方法的磨削速度為每秒40～2000個原子層。

4.2 真空等離子化學(xué)拋光

首先用真空等離子物理氣相沉積法在研磨盤表面鍍上一層細(xì)晶粒氧化硅趋艘，然后在高真空中活化金剛石表面疲恢，同時使之與轉(zhuǎn)動中的研磨盤相接觸，金剛石表面處于活化狀態(tài)的碳原子會與研磨盤上的氧化硅發(fā)生反應(yīng)瓷胧，從而對金剛石形成磨削显拳；反應(yīng)生成的一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w被真空泵抽出反應(yīng)室。這種方法的反應(yīng)速度為1～3000μm3/s(約每秒0.25～750個原子層)搓萧。

4.3 無損傷機械化學(xué)拋光法

在NaOH 溶液中加入一定量的細(xì)金剛石粉和更細(xì)(納米級)的硅粉杂数，帶強負(fù)靜電的硅粉會吸附在比其大得多的單個金剛石微粒上，形成具有硅吸附層的金剛石研磨粉瘸洛，然后將其涂敷在多孔的鑄鐵研磨盤上揍移。研磨金剛石時次和，吸附在金剛石研磨粉上的硅粉一方面阻止金剛石粉對被加工金剛石表面的直接沖擊，保護(hù)被加工金剛石表面不被深度損傷那伐，另一方面與被加工金剛石表面發(fā)生反應(yīng)并通過微弱的磨削作用將反應(yīng)層去除踏施。該方法的磨削速度非常低，僅為每分鐘1個原子層披滑。

上述三種方法具有以下共同特點：①避免了機械加工方法所固有的表面沖擊溝痕榕华，被加工金剛石表面無沖擊，表面異常光潔窗项，表面粗糙度可達(dá)Ra1nm(機械加工方法只能達(dá)到100nm量級)粮忍。②金剛石與研磨盤之間的接觸力極小，可很容易地磨出高質(zhì)量刀刃帮声。③金剛石表面的損傷與變質(zhì)層很淺肄蓄，從而提高了刀具壽命。④磨削速度很低专散，只能用于精磨后的超精密拋光偷瀑。

采用上述方法不但可滿足加工微型機械用金剛石刀具的加工要求，還使超薄生物切片刀喉隙、眼科手術(shù)刀等小楔角金剛石刀具的制造過程變得簡易叶皿。

5 金剛石刀具技術(shù)發(fā)展方向

縱觀金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展歷程，其技術(shù)發(fā)展路線為：傳統(tǒng)工藝及批量生產(chǎn)→理論研究→超精密加工技術(shù)及批量生產(chǎn)→理論突破→最新尖端刃磨技術(shù)畏帖÷Ｖ溃可以預(yù)測，金剛石刀具技術(shù)今后的發(fā)展方向?qū)⑹菍崿F(xiàn)最新尖端加工技術(shù)的批量化生產(chǎn)以及以這些尖端技術(shù)為基礎(chǔ)的理論研究曹动。

一項新的加工技術(shù)斋日，從研制成功到實現(xiàn)批量化生產(chǎn)需要解決的主要問題是降低生產(chǎn)成本、提高工藝效率和簡化操作過程墓陈。金剛石釬焊技術(shù)批量化生產(chǎn)的實現(xiàn)就是一個典型實例：七十年代末期發(fā)明的金剛石真空釬焊技術(shù)需要一整套昂貴的真空設(shè)備和較長的抽真空時間恶守，加工成本高，效率低贡必，操作過程復(fù)雜兔港。十年后出現(xiàn)的保護(hù)氣氛釬焊技術(shù)有效解決了這些問題，基本滿足了批量化生產(chǎn)的要求仔拟，設(shè)備成本降至真空釬焊的1/5衫樊，焊接時間從真空釬焊的2小時縮短至20分鐘，所采用的半開放焊接室大大簡化了操作過程理逊。

最新的化學(xué)機械拋光方法同樣存在成本高橡伞、效率低盒揉、操作過程復(fù)雜等問題晋被，需要系統(tǒng)研究其磨削機理兑徘、各種加工參數(shù)對加工效率和質(zhì)量的影響，并在此基礎(chǔ)上提出新的實現(xiàn)方案彪趣，經(jīng)過試驗嘹征、改進(jìn)，最終達(dá)到批量生產(chǎn)的要求拌微。

除化學(xué)機械拋光方法的研究外纸靠，機械研磨方法的磨削機理也是一個古老而富有挑戰(zhàn)性的研究課題。從五十年代的碳化與解理之爭到九十年代的解理與塑性變形理論殊储，雖然都能解釋金剛石磨削硬度的各向異性誓读，但卻缺乏嚴(yán)謹(jǐn)、完整的理論體系和具有說服力的實驗證明瘤慕，其原因是金剛石表面異常光潔伞让，需要采用原子級的表面狀態(tài)、微應(yīng)力與微裂紋觀測手段對其進(jìn)行分析鹰柄。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展停濒，這些觀測手段正逐漸成為可能。

此外擎融，對于金剛石的機械衣右、物理、化學(xué)性能彬祖，大多缺乏精確的數(shù)據(jù)茁瘦。如何精確測定金剛石的硬度(目前只能確定0.4～1.3GPa范圍)也是將來需要進(jìn)一步研究的課題。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)储笑，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享腹躁，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議南蓬。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布纺非、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺赘方，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)烧颖。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片窄陡、文字如涉及作品版權(quán)問題炕淮，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容跳夭，以保證您的權(quán)益涂圆！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。

刀具加工機械硬盤電子

舉報此信息