【金剛石(shi)刀(dao)具(ju)】金剛石(shi)刀(dao)具(ju)的(de)設計(ji)要點 金剛石(shi)刀(dao)具(ju)設計(ji)與(yu)應用(yong)

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金剛石簡介

金剛石是單一碳原子的結晶體,其晶體結構屬原子密度最高的等軸面心立方晶系。金剛石晶體中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，具有極強的結合力、穩定性和方向性。金剛石獨特的晶體結構使其具有自然界最高的硬度、剛性、折射率和導熱系數，以及極高的抗磨損性、抗腐蝕性及化學穩定性。 單晶金剛石的優良特性可以滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數要求，是理想的精密切削刀具材料。金剛石無內部晶界的均勻晶體結構使刀關鍵字：刀具夾(jia)具切(qie)削銑削車削機床(chuang)測量(liang)

金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)是單一碳原(yuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)晶(jing)體,其(qi)晶(jing)體結(jie)構屬原(yuan)子(zi)密度(du)最(zui)高的(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)軸(zhou)面(mian)心立方(fang)晶(jing)系(xi)。金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)晶(jing)體中(zhong)碳原(yuan)子(zi)間的(de)(de)(de)(de)(de)連接(jie)鍵為sp3雜化共價鍵，具有極(ji)(ji)強的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)合力、穩(wen)定(ding)性(xing)和方(fang)向性(xing)。金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)獨(du)特的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體結(jie)構使(shi)其(qi)具有自然界最(zui)高的(de)(de)(de)(de)(de)硬度(du)、剛(gang)(gang)性(xing)、折(zhe)射率和導熱系(xi)數，以及極(ji)(ji)高的(de)(de)(de)(de)(de)抗磨損(sun)性(xing)、抗腐蝕性(xing)及化學穩(wen)定(ding)性(xing)。

單晶金剛石的(de)(de)優良(liang)特性可(ke)(ke)以(yi)滿足精密(mi)(mi)及(ji)超(chao)精密(mi)(mi)切(qie)(qie)削(xue)對刀具(ju)(ju)(ju)材料的(de)(de)大多(duo)數要求，是理想的(de)(de)精密(mi)(mi)切(qie)(qie)削(xue)刀具(ju)(ju)(ju)材料。金剛石無內(nei)部晶界的(de)(de)均勻晶體(ti)結(jie)構使刀具(ju)(ju)(ju)刃口在理論上可(ke)(ke)以(yi)達(da)到原子級的(de)(de)平直度(du)(du)(du)與(yu)鋒利(li)度(du)(du)(du)，切(qie)(qie)削(xue)時切(qie)(qie)薄能(neng)力強(qiang)、精度(du)(du)(du)高(gao)、切(qie)(qie)削(xue)力小；其(qi)高(gao)硬(ying)度(du)(du)(du)及(ji)良(liang)好的(de)(de)抗磨損性、抗腐蝕性和化學穩(wen)定性可(ke)(ke)保證刀具(ju)(ju)(ju)具(ju)(ju)(ju)有超(chao)長壽命，從而能(neng)進行長時間的(de)(de)持續切(qie)(qie)削(xue)，并可(ke)(ke)減小因刀具(ju)(ju)(ju)磨損對零(ling)件精度(du)(du)(du)的(de)(de)影響；其(qi)高(gao)導熱(re)系數可(ke)(ke)降低切(qie)(qie)削(xue)溫度(du)(du)(du)和零(ling)件的(de)(de)熱(re)變形。

單(dan)晶金剛石刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)在機械加(jia)(jia)(jia)工領域具(ju)有重要地位，廣(guang)泛應用(yong)于諸如反射鏡、導彈和火箭的(de)(de)(de)導航(hang)陀螺、計算(suan)機硬盤(pan)基片、加(jia)(jia)(jia)速器電子(zi)槍等超(chao)精密(mi)鏡面(mian)零(ling)件的(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工。單(dan)晶金剛石還可用(yong)于制造眼科(ke)、腦外(wai)科(ke)手術刀(dao)(dao)(dao)(dao)、超(chao)薄(bo)生物切片刀(dao)(dao)(dao)(dao)等醫用(yong)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)。此(ci)外(wai)，單(dan)晶金剛石刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)在民用(yong)產品加(jia)(jia)(jia)工中的(de)(de)(de)應用(yong)也(ye)日趨廣(guang)泛，從手表零(ling)件、鋁活塞、首飾等的(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工到(dao)制筆、高光標牌及有色金屬鏡面(mian)裝飾零(ling)件的(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工，其(qi)應用(yong)已(yi)進入機械加(jia)(jia)(jia)工的(de)(de)(de)多種(zhong)領域。

金剛石刀具設計與應用

1、單晶金剛石刀具鏡面加工機理

切削(xue)加工后(hou)的殘留面積(ji)高度h=f/(ctgkr+ctgkr')即為已加工表面的理論粗(cu)糙度值，它(ta)隨(sui)進給量(liang)f、刀具(ju)主(zhu)偏(pian)角kr和副偏(pian)角kr'的減(jian)小(xiao)而減(jian)小(xiao)。由于主(zhu)偏(pian)角kr的減(jian)小(xiao)會(hui)(hui)使Fy力迅速增大(da)而引(yin)起刀具(ju)振動，減(jian)小(xiao)進給量(liang)f則會(hui)(hui)影響切削(xue)效率，所以一般通過減(jian)小(xiao)副偏(pian)角kr'來(lai)降(jiang)低表面粗(cu)糙度值。

常(chang)規切削用(yong)刀具表(biao)面(mian)較(jiao)粗糙，刀刃(ren)平整性差，若(ruo)選用(yong)的(de)副(fu)偏(pian)(pian)角過小，一方面(mian)副(fu)切削刃(ren)的(de)不(bu)平整會復(fu)映(ying)到已加(jia)(jia)工(gong)表(biao)面(mian)上(shang)；另(ling)一方面(mian)還會加(jia)(jia)劇副(fu)后刀面(mian)與已加(jia)(jia)工(gong)表(biao)面(mian)的(de)摩擦，將已加(jia)(jia)工(gong)表(biao)面(mian)“拉毛”。所以在常(chang)規切削中(zhong)，副(fu)偏(pian)(pian)角約為2°時加(jia)(jia)工(gong)表(biao)面(mian)粗糙度值最小，進一步減小副(fu)偏(pian)(pian)角則會使已加(jia)(jia)工(gong)表(biao)面(mian)質量惡化。

單晶金剛石刀具的(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度值(zhi)(zhi)(zhi)可(ke)(ke)小于Ra0.01μm，刀刃質量至少可(ke)(ke)達(da)到在100倍顯微鏡下(xia)觀察無缺陷(xian)，加之摩擦系數極小，所以其副偏角極限值(zhi)(zhi)(zhi)可(ke)(ke)減小至0～2'，從而(er)可(ke)(ke)使加工(gong)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度理論值(zhi)(zhi)(zhi)接近或等于零，實際表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度值(zhi)(zhi)(zhi)可(ke)(ke)達(da)到鏡面(mian)(mian)或超光滑表(biao)面(mian)(mian)的(de)要求。

由此可見，就刀具(ju)本身而言，單晶(jing)金(jin)剛石(shi)刀具(ju)的(de)鏡(jing)面加工機理是(shi)通(tong)過刀具(ju)的(de)超光(guang)潔表(biao)面和無缺陷的(de)副切削刃(修光(guang)刃)的(de)作用，使加工表(biao)面粗糙度理論(lun)值(zhi)接(jie)近于零來獲(huo)得(de)鏡(jing)面加工效果(guo)。

2、單晶金剛石刀具的設計

設計單晶(jing)金剛(gang)(gang)石(shi)刀具時需要考慮的主(zhu)要因素有：①被加工(gong)零(ling)件精度要求；②實(shi)際加工(gong)條件；③金剛(gang)(gang)石(shi)材料的特性。

設計(ji)單(dan)晶(jing)金剛石刀(dao)具(ju)時，應遵循以下原則(ze)：①由(you)于單(dan)晶(jing)金剛石硬度高(gao)、加(jia)工困難，因此刀(dao)具(ju)的(de)(de)形狀(zhuang)應盡可(ke)能簡單(dan)；②根(gen)據(ju)單(dan)晶(jing)金剛石脆性(xing)大、抗沖擊能力(li)差的(de)(de)特點，應結(jie)合實際加(jia)工條件(jian)，通過對刀(dao)具(ju)幾何形狀(zhuang)的(de)(de)優化，提高(gao)刀(dao)頭的(de)(de)抗沖擊能力(li)；③根(gen)據(ju)被(bei)加(jia)工零件(jian)的(de)(de)精度要求設計(ji)修光(guang)刃長度，同時應考慮刀(dao)具(ju)的(de)(de)切薄能力(li)。

下面以幾種常(chang)用刀(dao)具為例，討論單晶(jing)金(jin)剛石刀(dao)具的設(she)計方案。

計(ji)算機(ji)硬盤(pan)基片(pian)用于信息的存(cun)儲(chu)，其(qi)材料(liao)為鋁或鋁合金，基片(pian)表面粗糙度(du)值越低，存(cun)儲(chu)密度(du)越大，因此(ci)降(jiang)低其(qi)加工表面粗糙度(du)值十分關鍵。同時(shi)由于基片(pian)厚度(du)小于0.9mm，為防止其(qi)變(bian)形，應盡量減小加工時(shi)的切削力和擠壓。

硬盤基片(pian)的切削采(cai)用(yong)具有良好剛性(xing)和穩(wen)定性(xing)的超高(gao)精度磁盤車(che)床。切削深度約為0.01～0.02mm,進(jin)給量約為0.5mm。

硬盤基片單晶金(jin)剛石(shi)車(che)刀(dao)的(de)刀(dao)頭形(xing)狀(zhuang)如圖1所示。刀(dao)頭有兩個(ge)主切(qie)削刃(ren)，加(jia)工時可(ke)以(yi)左(zuo)右進(jin)刀(dao)。較長的(de)修(xiu)光(guang)刃(ren)可(ke)保證左(zuo)右兩個(ge)方向(xiang)加(jia)工時修(xiu)光(guang)刃(ren)后(hou)(hou)刀(dao)面(mian)的(de)磨損不會互相干涉(she)。兩個(ge)主前(qian)刀(dao)面(mian)在進(jin)給方向(xiang)下傾(qing)5°，從而得到約2.5°的(de)負前(qian)角(jiao)，使切(qie)屑流向(xiang)待加(jia)工表(biao)面(mian)，以(yi)避免切(qie)屑劃(hua)傷已加(jia)工表(biao)面(mian)。金(jin)剛石(shi)車(che)刀(dao)非常(chang)鋒利，刀(dao)刃(ren)圓弧半徑小(xiao)于(yu)100nm，5°的(de)后(hou)(hou)角(jiao)已可(ke)充分減(jian)小(xiao)后(hou)(hou)刀(dao)面(mian)與已加(jia)工表(biao)面(mian)的(de)擠壓和摩擦。

該刀具的關鍵質量要求是刀刃及(ji)刀尖在500倍(bei)顯微鏡下觀察無缺陷。其設(she)計原則同(tong)樣適用于其它超精密鏡面加工刀具。

首飾批花刀

首(shou)飾批(pi)花刀(dao)(dao)用(yong)于在(zai)金、銀首(shou)飾上(shang)(shang)銑削(xue)出樹葉形的(de)花紋(wen)圖案，實際(ji)上(shang)(shang)是(shi)一種(zhong)成型銑刀(dao)(dao)，其刀(dao)(dao)頭形狀如圖2所示。刀(dao)(dao)尖角(jiao)在(zai)110°～150°之(zhi)間，以適應不同大小(xiao)及深(shen)度(du)的(de)花紋(wen)加(jia)(jia)工(gong)(gong)。由于批(pi)花機床結構簡單、剛性差、振(zhen)動大，加(jia)(jia)之(zhi)采用(yong)斷續干(gan)切削(xue)，加(jia)(jia)工(gong)(gong)條件很差，因此批(pi)花刀(dao)(dao)刀(dao)(dao)頭需要(yao)具有(you)較強(qiang)的(de)抗沖擊能力。5°的(de)負前角(jiao)和1°～1.5°的(de)后角(jiao)可有(you)效增加(jia)(jia)刀(dao)(dao)刃(ren)強(qiang)度(du)，同時較小(xiao)的(de)后角(jiao)還可使(shi)刀(dao)(dao)具與工(gong)(gong)件之(zhi)間適當擠靠，使(shi)切削(xue)不至于“發虛”，防止切削(xue)振(zhen)動在(zai)已加(jia)(jia)工(gong)(gong)表面形成“振(zhen)紋(wen)”。

首飾批花刀(dao)與加(jia)工表(biao)殼及(ji)一些高光裝飾零件用刀(dao)具的(de)設計原則大致相同，該類(lei)刀(dao)具要求(qiu)刀(dao)刃在200～500倍顯微(wei)鏡下觀察無崩口(kou)。

隱形眼鏡車刀

隱(yin)形眼鏡所用材(cai)料(liao)非常柔軟，且有一(yi)定的(de)(de)(de)抗拉強度，一(yi)般(ban)材(cai)料(liao)刀具由于刀刃圓(yuan)弧(hu)過大，很難(nan)對(dui)其進(jin)行切削加工。由于車(che)(che)削加工后(hou)還有一(yi)道(dao)研磨(mo)工序，因(yin)此車(che)(che)削加工的(de)(de)(de)表面粗糙度只要求(qiu)達(da)到(dao)(dao)Ra0.1μm，車(che)(che)削加工的(de)(de)(de)主要目的(de)(de)(de)是得(de)到(dao)(dao)具有一(yi)定形狀精(jing)度的(de)(de)(de)凹(ao)凸圓(yuan)弧(hu)面，對(dui)刀具的(de)(de)(de)主要要求(qiu)是刀刃的(de)(de)(de)鋒利性。隱(yin)形眼鏡車(che)(che)刀的(de)(de)(de)刀頭形狀如圖3所示(shi)。為滿足切削凹(ao)圓(yuan)弧(hu)面的(de)(de)(de)需要，采(cai)用15°的(de)(de)(de)后(hou)角，要求(qiu)刀刃在100倍(bei)顯微鏡下觀察無(wu)崩口(kou)。

3、單晶金剛石刀具的使用與維護

單晶金剛石刀(dao)具脆性大，加(jia)之刀(dao)刃非(fei)常鋒利(li)，受(shou)到沖擊時(shi)容易產生崩刃，因此應(ying)盡可能(neng)(neng)在平(ping)穩、無振(zhen)(zhen)動(dong)的(de)(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下使(shi)用(yong)；同時(shi)還應(ying)盡可能(neng)(neng)提高(gao)工(gong)件(jian)和(he)刀(dao)具的(de)(de)裝(zhuang)卡剛性及(ji)整個系統的(de)(de)剛性，增加(jia)其(qi)抗振(zhen)(zhen)能(neng)(neng)力(li)。切(qie)削用(yong)量以不超(chao)過0.1mm為宜。

較高的切削(xue)速(su)度可(ke)減小(xiao)切削(xue)力，而(er)低(di)速(su)切削(xue)則(ze)會(hui)增大切削(xue)力，從(cong)而(er)加(jia)速(su)刀(dao)具崩刃失效，因(yin)此(ci)采用(yong)金(jin)剛(gang)石(shi)刀(dao)具加(jia)工時切削(xue)速(su)度不宜過低(di)。

應避(bi)免在(zai)靜止狀態(tai)下(xia)使(shi)金(jin)剛石(shi)(shi)刀(dao)(dao)具(ju)與工件或(huo)其它硬物接(jie)(jie)觸(chu)，以防止碰傷(shang)刀(dao)(dao)具(ju)刃口。操作(zuo)人員(yuan)的指(zhi)(zhi)甲(jia)和(he)指(zhi)(zhi)紋(wen)中容易夾帶砂(sha)粒(li)等硬質物，用(yong)指(zhi)(zhi)甲(jia)或(huo)手指(zhi)(zhi)直(zhi)接(jie)(jie)刮擦(ca)刀(dao)(dao)刃也可能損壞金(jin)剛石(shi)(shi)刀(dao)(dao)刃。金(jin)剛石(shi)(shi)刀(dao)(dao)具(ju)的檢測和(he)調刀(dao)(dao)應采用(yong)光(guang)學儀器等非接(jie)(jie)觸(chu)式測量(liang)方法。

應采用脫脂(zhi)棉加(jia)適量酒精或(huo)丙酮清洗金剛石刀具。刀具不使用時應套(tao)上橡膠(jiao)或(huo)塑料保護套(tao)，并放置于單獨的(de)刀盒中。

使用直線(xian)修光(guang)刃(ren)金剛石刀(dao)具(ju)進行鏡面(mian)(mian)切(qie)削時(shi)，要求副偏角小(xiao)于(yu)幾分，而刀(dao)具(ju)在安裝過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)可(ke)能產生(sheng)(sheng)達1°的(de)(de)安裝誤(wu)差，所以(yi)加(jia)工(gong)前需(xu)要對刀(dao)具(ju)進行對刀(dao)，通過(guo)調整刀(dao)具(ju)修光(guang)刃(ren)與進給(gei)方向的(de)(de)平行度(du)，以(yi)獲(huo)得最佳的(de)(de)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)粗糙度(du)。對刀(dao)方法(fa)如下(xia)(xia)：首先在工(gong)件上加(jia)工(gong)出一小(xiao)段表面(mian)(mian)，然后(hou)在10～30倍顯微鏡下(xia)(xia)調整刀(dao)具(ju)，使修光(guang)刃(ren)與其在新加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)中(zhong)(zhong)的(de)(de)鏡像平行。由于(yu)平行度(du)要求較高，因此必須進行耐心(xin)而精(jing)細的(de)(de)反復調整。應注意：擰動(dong)刀(dao)桿(gan)夾緊螺釘(ding)時(shi)可(ke)能使刀(dao)具(ju)產生(sheng)(sheng)微小(xiao)轉(zhuan)動(dong)而導致(zhi)對刀(dao)失敗。

由于直線(xian)(xian)修(xiu)(xiu)光刃(ren)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)對刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)過程費(fei)時費(fei)力，因此對于一(yi)些精度要求(qiu)稍低的(de)(de)鏡面(mian)切削可(ke)(ke)采用(yong)半徑(jing)為10～30mm的(de)(de)圓(yuan)(yuan)弧(hu)刃(ren)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)代替直線(xian)(xian)修(xiu)(xiu)光刃(ren)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)。這種圓(yuan)(yuan)弧(hu)刃(ren)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)形狀與隱形眼(yan)鏡車(che)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)類(lei)似(si)，只是(shi)減小了(le)后角(jiao)，增大了(le)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)尖(jian)圓(yuan)(yuan)弧(hu)半徑(jing)。使用(yong)這種刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)不(bu)但可(ke)(ke)簡化對刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)過程，而且當一(yi)段圓(yuan)(yuan)弧(hu)磨損后，稍微(wei)轉動刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)后還可(ke)(ke)使用(yong)另一(yi)段新圓(yuan)(yuan)弧(hu)，從而增加了(le)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)壽命。高精度的(de)(de)單(dan)晶(jing)金剛石圓(yuan)(yuan)弧(hu)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)也是(shi)加工凹面(mian)反射鏡的(de)(de)必備刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)