金刚石刀具的设计与制造及磨削工艺特点！

 
 
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。
 
摘要
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。　　
 
5.总结
 
目前在金刚石的产业化中还存在一些关键问题函待解决，如高速大面积的金刚石厚膜沉积工艺、控制金刚石膜的晶界密度和缺陷密度、金刚石膜的低温生长，金刚石薄膜与基体结合力弱等。金刚石刀具优异的性能和广泛的发展前途吸引国内外无数的专家进行研究，有些已经取得了突破性进展，相信不久的将来金刚石刀具将广泛应用到现代加工中。
 
6.金刚石刀具的磨削工艺特点
 
一．金刚石刀具磨削的工艺特点
金刚石刀具的磨削有其自身的工艺特点，比较突出的特点为是材料硬度高，导致砂轮在磨削过程中损耗过快，尺寸不稳定；其二，金刚石刀具多数为车刀或刀片， 其磨削部位相对于机床的位置是不确定的（如刀片厚度的变化），引起磨削点的变化。 其三，磨削抗力大，使砂轮、刀具、卡具和机床组成的工艺系统产生比较大的弹性变形，从而产生比较大的“让刀”现象。
这三个特点是实现自动化磨削的三只“挡路虎”，直接影响刀具的模削后的尺寸精度。如果不妥善解决，必然引起磨削尺寸精度和粗糙度一致性差，磨削效率低，不适合大批量生产。 声控技术在金刚石工具磨床上的使用，能有效地解决这个三个问题。
二．自适应控制技术在粗磨时的应用
粗磨金刚石的主要任务是：提高磨削效率，也就是尽量少地设定安全距离，减少“磨削”空气的时间；在机床刚性能承受的范围内， 尽快地去除磨削余量；尽早地发现磨削余量已经去除（标志是磨削抗力减少到最小）。
砂轮与金刚石刀具摩擦产生剧烈的声波在工艺装备上传播，对声波的监控能准确地反映出磨削状况，如刀具与砂轮是否接触，刀具与砂轮之间的压力（即磨削抗力）是否消除等。如果控制系统能实时采集这些信息并进行分析，使机床控制系统与之相适应，这无异于给机床安装上了一只灵敏的耳朵，使机床控制器成为一个更为智能的自适应系统。事实上，该系统的研发也是受现场工人磨刀的启发。
正常磨削的时候，有两种情况声波频率是有明显特征，一是刀具和砂轮接触的瞬间，二是磨削达到最终尺寸（磨削抗力下降为最小）时，这很容易理解。前者可以作为快速进给结束，开始磨削进给的分界线；后者则可以作为磨削完成的标志。
即便是在刀具与砂轮“紧密接触”的过程中，声波频率的变化也能反映出刀具与砂轮之间的抗力，将这“信息”反馈给机床控制器，调整伺服的进给速度，使磨削在相对“恒定”的抗力下完成，对于提高磨削效率，延长机床寿命具有很大的意义。
三．“对刀磨法”在精磨上的应用
金刚石精磨的主要任务是：准确而稳定地控制磨削的最终尺寸精度。砂轮磨损，刃尖磨削点的准确定位和磨削抗力最终都会影响加工精度，这些因素与机床的运动精度无关，而是有关什么时候开始磨（即对刀点），磨到什么程度结束等问题，和磨削状态的监测是密切相关的。
尽管砂轮磨损量难以测量，而刀片高度（其影响磨削点位置）在一定范围内也是难以测量的，带有声控装置的控制系统总能轻易地记录下刀尖和砂轮面接触瞬间的准确位置。以此作为起点，进行相对进给就能准确地控制尺寸精度，大家把这叫“对刀磨法”。当然，“对刀磨法”的前提条件是上道工序有准确的基准， 或能对磨削前的尺寸进行准确测量，这用CCD系统在线测量系统就能做到。在行业内用手动机床磨刀，PCD刀具的第一后角（也就修光刃）的磨削工艺为：在粗磨的尺寸基础上再往下磨0.02~0.03mm，以形成0.05~0.1mm的刃带。 这和“对刀磨法”也是不谋而合的。
在磨削过程中， 砂轮还在不断地磨损， 系统能及时发现这种磨损并进行补偿，将“磨削空气”的时间压缩为接近为零，大大地提高了磨削效率。
声控技术在整个磨削行业有着广泛的应用，是因为这种技术能化解磨削中普遍存在的矛盾。这种矛盾在金刚石的磨削中是尤为突出的。