金刚石刀具的设计与制造

 
介绍金刚石刀具的设计与制造, 以及金刚石刀具的一些最新成果。从推广应用的角度阐述其模块化、廉价化发展趋势, 同时就如何发展诸如模块化部件、执行系统、测量控制和环境控制等超精密加工关键技术提出一些新的观点和方法。
 
随着汽车、航空和航天技术的飞速发展，对材料的性能及加工技术要求日益提高。新型材料，如碳纤维增强塑料、颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到广泛应用。这些材料具有强度高、耐磨性好、热膨胀系数小等特性，这决定了它在机加工时刀具的寿命非常短。开发新型耐磨且稳定的超硬切削刀具是许多高校和科研院所研究的课题。
 
金刚石集力学、光学、热学、声学和光学等众多的优异性能于一身，具有极高的硬度、摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低，是制造刀具的理想材料。近年来发展了一些加工方法，本文对当前金刚石刀具的制造方法作了一些概述。
 
1金刚石刀具的分类
 
　　根据制造方法的不同，金刚石刀具大致可分为以下几类：
　　
　　天然单晶金刚石刀具
　　
　　人工合成金刚石刀具
 
2天然金刚石刀具的发展与现状
 
　　天然金刚石具有硬度高、耐磨损、磨擦系数小、导热性好等优良特性，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料，使用天然单晶金剐石刀具对精密超精密零件进行切削，始于50年代末期。
 
　　后来发展要求加工非球面曲面反射镜，再发展要求加工大型反射镜。要求很高的形状精度和很小的表面粗糙度。
　　
　　目前，天然单晶金刚石刀具的使用已经相当成熟，但是由于其产量低，价格昂贵，加上人造金刚石的出现，天然单晶金刚石刀具在精密加工领域的使用量的增加趋势有所减弱，几种人造金刚石以其良好的性能价格比和逐步成熟的使用技术，已经逐步占领了要求相对较低的精密加工市场。
 
　3金刚石刀具的应用
 
　3.1 加工难加工的有色金属
　　
　　在加工铜、锌、铝等有色金属及其合金时，这些材料粘附刀具，不宜加工。利用金刚石的摩擦系数低、与有色金属亲和力小而制成的金刚石刀具可防止金属与刀具粘结在一起。由于金刚石的弹性模量大，在切削时刃部变形小，对所切削的有色金属挤压变形小，使切削过程在小变形下完成，可以提高切削的表面质量。
　　
　　3.2 加工难加工的非金属材料
　　
　　加工含有大量高硬度质点的难加工非金属材料，如玻璃纤维增强塑料、填硅材料、硬质碳纤维/环氧树脂复合材料时，材料的硬质点使刀具的磨损严重，用硬质合金刀具难以加工，而金刚石刀具的硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。
　　
　　3.3 超精密加工
　　
　　随着现代集成技术的问世，机加工向高精度方向发展，对刀具性能提出了相当高的要求。由于金刚石摩擦系数小、热膨胀系数低、导热率高，能切下极薄的切屑，切屑容易流出，与其它物质的亲和力小，不易产生积屑瘤，发热量小，导热率高，可以避免热量对刀刃和工件的影响，因此刀刃不易钝化，切削变形小，可以获得较高质量的表面。
　　
　4金刚石刀具的制造方法
 
　　目前金刚石的主要加工方法有以下四种：薄膜涂层刀具、厚膜金刚石焊接刀具、金刚石烧结体刀具和单晶金刚石刀具。
　　
　　4.1 薄膜涂层刀具
　　
　　薄膜涂层刀具是在刚性及高温特性好的集体材料上通过化学气相沉积法(CVD)沉积金刚石薄膜制成的刀具。由于SiN4系陶瓷、WC+Co系硬质合金以及金属W的热膨胀系与金刚石接近，制膜时产生的热应力小，因此可作为刀体的基体材料。WC+Co系硬质合金中，粘结相Co的存在易使金刚石薄膜与基体之间形成石墨而降低附着强度，在沉积前需进行预处理以消除Co的影响(一般通过酸腐蚀去Co)。
　　
　　化学气相沉积法是采用一定的方法把含有C源的气体激活，在极低的气体压强下，使碳原子在一定区域沉积下来，碳原子在凝聚、沉积过程中形成金刚石相。目前用于沉积金刚石的CVD法主要包括：微波、热灯丝、直流电弧喷射法等。
　　
　　金刚石薄膜的优点是可应用于各种几何形状复杂的刀具，如带有切屑的刀片、端铣刀、铰刀及钻头；可以用来切削许多非金属材料，切削时切削力小、变形小、工作平稳、磨损慢、工件不易变形，适用于工件材质好、公差小的精加工。主要缺点是金刚石薄膜与基体的粘接力较差，金刚石薄膜刀具不具有重磨性。
　　
　　4.2 厚膜金刚石焊接刀具
　　
　　金刚石厚膜焊接刀具的制作过程一般包括：大面积的金刚石膜的制备；将金刚石膜切成刀具需要的形状尺寸；金刚石厚膜与刀具基体材料的焊接；金刚石厚膜刀具切削刃的研磨与抛光。
　　
　　常用的制备金刚石厚膜的工艺方法是直流等离子体射流CVD法。将金刚石沉积到WC+Co合金(表面进行镜面加工)上，在基体的冷却过程中，金刚石膜自动脱落。此方法沉积速度快(最高可达930μm/h)，晶格之间结合比较紧密，但是生长表面比较粗糙。金刚石膜硬度高、耐磨、不导电决定了它的切割方法是激光切割(切割可在空气、氧气和氩气的环境中进行)。采用激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸，还可以切出刀具的后角，具有切缝窄、高效等优点。
　　
　　金刚石与一般的金属及其合金之间具有很高的界面能，致使金刚石不能被一般的低熔点合金所浸润，可焊性极差。目前主要通过在铜银合金焊料中添加强碳化物形成元素或通过对金刚石表面进行金属化处理来提高金刚石与金属之间的可焊性。
　　
　　焊料一般用含Ti的铜银合金，不加助熔剂在惰性气体或真空中焊接。常用的钎料成分Ag=68.8wt%，Cu=26.7wt%，Ti=4.5wt%，常用的制备方法是电弧熔炼法和粉末冶金法。Ti作为活性元素在焊接过程中与C反映生成TiC，可提高金刚石与焊料的润湿性和粘结强度。加热温度一般为850℃，保温10分钟，缓冷以减小内应力。
　　
　　金刚石表面的金属化是通过表面处理技术在金刚石表面镀覆金属，使其表面具有金属或类金属的性能。一般是在金刚石的表面镀Ti，Ti与C反应生成TiC，TiC 与Ag-Cu合金钎料有较好的润湿性和结合强度。目前常用的镀钛方法有：真空物理气相沉积(PVD，主要包括真空蒸发镀、真空溅射镀、真空离子镀等)，化学气相镀和粉末覆盖烧结。PVD法单次镀覆量低，镀覆过程中金刚石的温度低于500℃，镀层与金刚石之间是物理附着、无化学冶金。CVD法Ti与金刚石发生化学反应形成强力冶金结合，反应温度高，损害金刚石。
　　
　　厚膜金刚石刀具的刃磨金刚石厚膜刀具的加工方法有：机械磨削，热金属盘研磨，离子束、激光束和等离子体刻蚀等。
 
　　4.3 金刚石烧结体刀具
　　
　　将金刚石厚膜用滚压研磨破坏的方法加工成平均粒度为32～37μm的金刚石晶粒或直接利用高温高压法制得金刚石晶粒，把晶粒粉末堆放到WC-16wt%Co 合金上，然后用Ta箔将其隔离，在5.5GPa、1500℃条件下烧结60分钟，制成金刚石烧结体，用此烧结体制成的车刀具有很高的耐磨性。
　　
　　4.4 单晶金刚石刀具
　　
　　单晶金刚石刀具通常是将金刚石单晶固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上。金刚石在小刀头上的固定方法主要有：机械加固法(将金刚石底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上)；粉末冶金法(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上)；粘结和钎焊法(使用无机粘结剂或其它粘结剂固定金刚石)。由于金刚石与基体的热膨胀系数相差悬殊，金刚石易松动，脱落。