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单晶金刚石刀具的设计与应用
中国科技大学张竞敏黄松筠

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金刚石是单一碳原子的结晶体,其晶体结构属原子密度最高的等轴面心立方晶系。金刚石晶体中碳原子间的连接键为sp³杂化共价键，具有极强的结合力、稳定性和方向性。金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度、刚性、折射率和导热系数，以及极高的抗磨损性、抗腐蚀性及化学稳定性。单晶金刚石的优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，是理想的精密切削刀具材料。金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论上可以达到原子级的平直度与锋利度，切削时切薄能力强、精度高、切削力小；其高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可保证刀具具有超长寿命，从而能进行长时间的持续切削，并可减小因刀具磨损对零件精度的影响；其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形。单晶金刚石刀具在机械加工领域具有重要地位，广泛应用于诸如反射镜、导弹和火箭的导航陀螺、计算机硬盘基片、加速器电子枪等超精密镜面零件的加工。单晶金刚石还可用于制造眼科、脑外科手术刀、超薄生物切片刀等医用刀具。此外，单晶金刚石刀具在民用产品加工中的应用也日趋广泛，从手表零件、铝活塞、首饰等的加工到制笔、高光标牌及有色金属镜面装饰零件的加工，其应用已进入机械加工的多种领域。本文重点讨论单晶金刚石刀具的设计原则及使用技术。 1.单晶金刚石刀具镜面加工机理切削加工后的残留面积高度h=f/(ctgk_r+ctgk_r')即为已加工表面的理论粗糙度值，它随进给量f、刀具主偏角k_r和副偏角k_r'的减小而减小。由于主偏角k_r的减小会使F_y力迅速增大而引起刀具振动，减小进给量f则会影响切削效率，所以一般通过减小副偏角k_r'来降低表面粗糙度值。常规切削用刀具表面较粗糙，刀刃平整性差，若选用的副偏角过小，一方面副切削刃的不平整会复映到已加工表面上；另一方面还会加剧副后刀面与已加工表面的摩擦，将已加工表面“拉毛”。所以在常规切削中，副偏角约为2°时加工表面粗糙度值最小，进一步减小副偏角则会使已加工表面质量恶化。单晶金刚石刀具的表面粗糙度值可小于R_a0.01µm，刀刃质量至少可达到在100倍显微镜下观察无缺陷，加之摩擦系数极小，所以其副偏角极限值可减小至0～2'，从而可使加工表面粗糙度理论值接近或等于零，实际表面粗糙度值可达到镜面或超光滑表面的要求。由此可见，就刀具本身而言，单晶金刚石刀具的镜面加工机理是通过刀具的超光洁表面和无缺陷的副切削刃(修光刃)的作用，使加工表面粗糙度理论值接近于零来获得镜面加工效果。 2 单晶金刚石刀具的设计设计单晶金刚石刀具时需要考虑的主要因素有：①被加工零件精度要求；②实际加工条件；③金刚石材料的特性。设计单晶金刚石刀具时，应遵循以下原则：①由于单晶金刚石硬度高、加工困难，因此刀具的形状应尽可能简单；②根据单晶金刚石脆性大、抗冲击能力差的特点，应结合实际加工条件，通过对刀具几何形状的优化，提高刀头的抗冲击能力；③根据被加工零件的精度要求设计修光刃长度，同时应考虑刀具的切薄能力。下面以几种常用刀具为例，讨论单晶金刚石刀具的设计方案。计算机硬盘基片车刀计算机硬盘基片用于信息的存储，其材料为铝或铝合金，基片表面粗糙度值越低，存储密度越大，因此降低其加工表面粗糙度值十分关键。同时由于基片厚度小于0.9mm，为防止其变形，应尽量减小加工时的切削力和挤压。硬盘基片的切削采用具有良好刚性和稳定性的超高精度磁盘车床。切削深度约为0.01～0.02mm,进给量约为0.5mm。硬盘基片单晶金刚石车刀的刀头形状如图1所示。刀头有两个主切削刃，加工时可以左右进刀。较长的修光刃可保证左右两个方向加工时修光刃后刀面的磨损不会互相干涉。两个主前刀面在进给方向下倾5°，从而得到约2.5°的负前角，使切屑流向待加工表面，以避免切屑划伤已加工表面。金刚石车刀非常锋利，刀刃圆弧半径小于100nm，5°的后角已可充分减小后刀面与已加工表面的挤压和摩擦。（图片）图1 硬盘基片车刀刀头形状该刀具的关键质量要求是刀刃及刀尖在500倍显微镜下观察无缺陷。其设计原则同样适用于其它超精密镜面加工刀具。首饰批花刀首饰批花刀用于在金、银首饰上铣削出树叶形的花纹图案，实际上是一种成型铣刀，其刀头形状如图2所示。刀尖角在110°～150°之间，以适应不同大小及深度的花纹加工。由于批花机床结构简单、刚性差、振动大，加之采用断续干切削，加工条件很差，因此批花刀刀头需要具有较强的抗冲击能力。5°的负前角和1°～1.5°的后角可有效增加刀刃强度，同时较小的后角还可使刀具与工件之间适当挤靠，使切削不至于“发虚”，防止切削振动在已加工表面形成“振纹”。（图片）图2 首饰批花刀刀头形状首饰批花刀与加工表壳及一些高光装饰零件用刀具的设计原则大致相同，该类刀具要求刀刃在200～500倍显微镜下观察无崩口。隐形眼镜车刀隐形眼镜所用材料非常柔软，且有一定的抗拉强度，一般材料刀具由于刀刃圆弧过大，很难对其进行切削加工。由于车削加工后还有一道研磨工序，因此车削加工的表面粗糙度只要求达到R_a0.1µm，车削加工的主要目的是得到具有一定形状精度的凹凸圆弧面，对刀具的主要要求是刀刃的锋利性。隐形眼镜车刀的刀头形状如图3所示。为满足切削凹圆弧面的需要，采用15°的后角，要求刀刃在100倍显微镜下观察无崩口。（图片）图3 隐形眼镜车刀刀头形状 3 单晶金刚石刀具的使用与维护单晶金刚石刀具脆性大，加之刀刃非常锋利，受到冲击时容易产生崩刃，因此应尽可能在平稳、无振动的工作条件下使用；同时还应尽可能提高工件和刀具的装卡刚性及整个系统的刚性，增加其抗振能力。切削用量以不超过0.1mm为宜。较高的切削速度可减小切削力，而低速切削则会增大切削力，从而加速刀具崩刃失效，因此采用金刚石刀具加工时切削速度不宜过低。应避免在静止状态下使金刚石刀具与工件或其它硬物接触，以防止碰伤刀具刃口。操作人员的指甲和指纹中容易夹带砂粒等硬质物，用指甲或手指直接刮擦刀刃也可能损坏金刚石刀刃。金刚石刀具的检测和调刀应采用光学仪器等非接触式测量方法。应采用脱脂棉加适量酒精或丙酮清洗金刚石刀具。刀具不使用时应套上橡胶或塑料保护套，并放置于单独的刀盒中。使用直线修光刃金刚石刀具进行镜面切削时，要求副偏角小于几分，而刀具在安装过程中可能产生达1°的安装误差，所以加工前需要对刀具进行对刀，通过调整刀具修光刃与进给方向的平行度，以获得最佳的加工表面粗糙度。对刀方法如下：首先在工件上加工出一小段表面，然后在10～30倍显微镜下调整刀具，使修光刃与其在新加工表面中的镜像平行。由于平行度要求较高，因此必须进行耐心而精细的反复调整。应注意：拧动刀杆夹紧螺钉时可能使刀具产生微小转动而导致对刀失败。由于直线修光刃刀具的对刀过程费时费力，因此对于一些精度要求稍低的镜面切削可采用半径为10～30mm的圆弧刃刀具代替直线修光刃刀具。这种圆弧刃刀具的形状与隐形眼镜车刀类似，只是减小了后角，增大了刀尖圆弧半径。使用这种刀具不但可简化对刀过程，而且当一段圆弧磨损后，稍微转动刀具后还可使用另一段新圆弧，从而增加了刀具寿命。高精度的单晶金刚石圆弧刀具也是加工凹面反射镜的必备刀具。 10/25/2005


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