金刚石刀具制造的关键技术

 
　　由于金刚石刀具具有硬度高、耐磨性好、热导率大、摩擦系数和热膨胀系数小、化学惰性强等特性，以及经过仔细刃磨后能得到十分锋利的刃口，因而能广泛应用于现代制造领域中有色金属和非金属材料的精密和超精密切削加工。本文综述了单晶和聚晶金刚石刀具制造的最关键技术。
　　
　　一、 前言
　　
　　随着我国汽车、摩托车、航空航天、计算机、核工程、IT、医疗器械、精密仪器等行业的飞速发展，数控机床和加工中心机床的普遍使用，对零件的切削加工精度、尺寸一致性、切削可靠性、生产效率和刀具寿命的要求越来越高。由于金刚石集力学、光学、热学、声学等众多的优异性能于一身，具有极高的硬度和耐磨性，摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低，所以是制造现代高速切削刀具的理想材料。因而广泛应用于现代制造领域的有色金属和非金属材料的精密和超精密切削加工。本文对单晶和聚晶金刚石刀具制造的最关键技术作一概述。
　　
　　二、 单晶金刚石刀具制造的关键技术
　　
　　由于单晶金刚石各向异性，在不同晶面及不同方向上性能差异很大，正确的选料和定向不仅可简化加工工艺，降低制造成本，而且还可提高刀具刃口质量和使用寿命，充分发挥金刚石刀具的优异性能。
　　
　　1.单晶金刚石的选料
　　
　　根据金刚石晶体中所含的杂质可分为Ia型、Ib型、IIa型和IIb型四类。一般按金刚石晶体的颗粒大小（重量）、形状、完整程度、透明度、裂纹、包裹体的多少、颜色及其均匀程度作为评定金刚石品质高低的依据。切削刀具用金刚石的质量要求为：晶体完整、形状为十二面体、弧形八面体或过渡形晶体，晶体直径一般不小于4mm,颜色为无色、浅绿、黄棕色等，不允许有裂纹，晶体表面可允许有不大于0.5mm的包裹体和蚀坑，重量为0.7～3克拉。对于精度要求极高的眼科、脑外科手术刀、激光反射镜等超精密加工刀具，则要从拉丝模I级甚至宝石级原石中选料，最后用偏光显微镜或更精密的仪器选出内应力小的金刚石作为刀具坯料。
　　
　　人工合成单晶金刚石属Ib型，由于其晶格中氮原子均匀置换了碳原子，减少了氮原子聚集在刃口形成微小崩口的可能性，并且由于晶格均匀畸变，硬度略高于天然单晶金刚石。另外因增加了去除内应力的优化工艺，使之切削性能更为稳定、可靠、离散性更小，出厂时其晶轴方向已精确确定，所以更适宜于切削刀具的制作。缺点是Ib型人造单晶的脆性较大，加工较天然单晶更为困难，需要采用精细的刃磨方法才能获得高质量的刃口。
　　
　　2.单晶金刚石的定向
　　
　　对天然单晶金刚石定向的目的不仅是要使刀具具有最长寿命，而且要求后刀面与已加工表面的摩擦及刃口附近解理面的应力最小。单晶金刚石刀具定向应包含前、后刀面置于的晶面和晶体成长的晶轴方向二个方面。研究表明，刀具的定向方案与其在切削过程中的磨损机理有关。金刚石刀具的磨损是一个非常复杂的物理与化学反应过程，不同加工条件和不同加工工件材料，其磨损形式及其所占比例也会不同，磨损速度取决于金刚石在不同材料中的溶解率。磨损形式有机械磨损、热化学磨损和微小崩口等。一般前、后刀面都定在（110，100）或（100，100）晶面上，（111）晶面的任何方向均不易磨削，应予避开。
　　
　　晶体定向的方法可分为仪器（例如X射线衍射分析仪）定向和人工目测定向。仪器定向精度高，但价格昂贵。人工目测定向是根据原子晶面的数目及相对位置来确定晶体的晶轴位置与方向。例如八面体晶体，通过三对对称顶点连接而成的三条相互垂直的直线即为晶体的X、Y、Z轴线。八面体的晶面即为（111）面，垂直于轴线磨去其顶点得到八个正方形即为（100）面；与交成其棱边的两个面等角度地磨去棱边，即可得（110）面。
　　
　　3.单晶金刚石的焊接
　　
　　由于金刚石具有极高的界面能，焊接性能极差。用机械夹持或镶嵌钎焊的方法固定金刚石一直是传统的加工方法，目前国内仍有相当一部分企业沿袭这种简易方法制造金刚石刀具。因为这种方法夹持金刚石的牢固性差，刀刃极容易在切削中产生不易察觉的微小位移和振动，所以不可能满足超精密镜面切削加工的需要。因此，上世纪七十年代未发现钎焊金刚石的特定条件（高真空环境）和钎焊合金（以钛为活性元素的银基合金）是金刚石刀具制造技术最重要的突破之一。相隔10年后问世的惰性气体保护下钎焊技术（德国Kesel公司Brazing Unit DLA2500）和近年研发的金刚石表面金属化钎焊技术是这一关键技术进步的又一标志。
　　
　　4.单晶金刚石的刃磨
　　
　　目前，单晶金刚石刀具的刃磨可分为机械研磨和非纯机械研磨二种方法。
　　
　　单晶金刚石的机械研磨是在直径为300mm的铸铁研磨盘上进行。研磨盘由材料组织中孔隙的形状、大小和比例均经过优化的高磷铸铁制成。研磨盘的表面镶嵌有金刚石研磨粉，其颗粒直径可从小于1μm直到40μm。粗颗粒研磨效率高，但研磨质量差，只能用于粗磨。精磨则采用尺寸小于1μm的微粉。研磨前，首先将金刚石粉与橄榄油或其它类似物质混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盘表面，再用一较大的金刚石在研磨盘表面上进行预研磨。研究表明，研磨粉的粒度、研磨盘表面状态、研磨的方向角度、研磨盘的端跳和研磨机床的振动等对研磨刀刃的质量有很大影响。机械研磨因为线速度高、局部压力大、对刀具表面及刃口冲击十分激烈，不可避免地会导致刀具表面产生微小沟纹和较厚的研磨变质层，并且刀刃锯齿度相对较大，从而不能满足要求锋利度非常高的超精密切削刀具的需要。实践表明，采用机械研磨得到的金刚石表面粗糙度极限值为10nm，刀刃锯齿度达几十个nm,表面加工变质层厚度约为200nm。
　　
　　对于加工精度要求十分高的金刚石刀具，传统机械研磨的方法受到了极大的限制。例如：高精度轮廓仪、隧道扫描显微镜和原子力显微镜上的金刚石探针的前端球面，其球面半径仅1～2μm，精度误差要求小于0.1μm；又如加工光通信光栅表面的微细沟纹的刀具要求刀尖圆弧半径不大于0.1μm～0.3μm，尺寸形状相当高等等。为此，除了在原机械研磨基础上采用空气静压轴承的高精度研磨盘外，近年国内外学者研发了各种新的研磨方法。
　　
　　离子束溅蚀法是利用高能离子的轰击作用直接对被加工的金刚石刀具的刃口进行物理溅蚀，以实现原子级的微细加工。其加工效率及刃口质量与离子束能量、刀具表面的电流密度及离子束相对于刀具表面的夹角有关。离子束溅蚀法最适用于加工尺寸小于1μm的微小金刚石刀具，并可达到很高的形状精度。
　　
　　（2）真空等离子化学抛光法
　　
　　真空等离子化学抛光法的加工原理，转动的磨盘被中间的高真空区分为左、右两部分。左边为沉积区，在磨盘表面涂上一层细晶粒氧化硅；右边为研磨区，金刚石表面处于活化状态的碳原子通过与磨盘上的氧化硅发生分子级化学反应而起到研磨刀具刃口的作用。反应生成的一氧化碳或二氧化碳气体被真空泵抽出。该方法的研磨速度为1～3000μm3/ｓ，约每秒0.25～750个原子层，可研磨出极高的刃口质量。该方法最先被美国刀刃技术公司用于研磨超精密金刚石镜面切削刀具，广泛用于加工各种纳米级精度的超精表面。
　　
　　（3）无损伤机械化学抛光法
　　
　　该方法是在溶液中加入适量的金刚石微粉和更细微（达纳米级）的硅粉，带强负静电的细微硅粉会吸附在粒度大得多的单个金刚石微粒上形成具有硅吸附层的金刚石磨料，然后将其涂敷在多孔的铸铁磨盘上对被加工金刚石进行研磨。该方法的磨削效率非常低，仅为每分钟一个原子层，但刃口质量非常好。
　　
　　（4）热化学抛光法
　　
　　在温度为800℃时，若使金刚石表面与铁接触，金刚石晶体中的碳原子能够摆脱自身晶格的约束，扩散到铁晶体晶格中去。热化学抛光法即是运用此机理对金刚石表面进行研磨加工。该方法的磨削效率为每秒40～2000个原子层。
　　
　　用上述四种新的研磨方法均可使金刚石表面异常光滑，其表面粗糙度可达1nm，刀刃非常锋利（ρ≤0.1μm）和金刚石刀具的变质层较浅；缺点是研磨效率较低，适宜于精研后的超精研磨加工。
　　
　　5.单晶金刚石刀具的设计
　　
　　单晶金刚石刀具设计时主要根据被加工零件的精度要求、实际加工条件和金刚石材料的特性来综合设计刀具几何参数。设计时应遵循下列原则：①由于单晶金刚石硬度高，加工困难，刀具几何形状尽可能简单。②根据单晶金刚石脆性大、抗冲击能力差的特点，应结合加工条件尽量优化几何形状参数，提高刀头的抗冲击能力。③根据被切削零件的精度要求设计合理的修光刃长度，同时考虑刀具刃口的切薄能力，修光刃应在≥500倍的高倍显微镜下检测时无缺陷。
　　
　　三、 聚晶金刚石刀具制造的关键技术
　　
　　聚晶金刚石刀具的关键制造技术是刃磨工艺，由于聚晶金刚石（PCD）具有接近单晶金刚石的硬度与耐磨性，使刀具的刃磨相当困难，主要体现在材料磨除率小，砂轮损耗大，刃磨效率低与刃口呈锯齿状。PCD刀具的刃磨工艺困难性已成为其推广应用的障碍之一，为了突破这一瓶颈，国内外学者作了大量研究开发工作。但是迄今为止，任何PCD刀具的刃磨工艺都无法加工出ρ≤1μm的锋锐刃口，因此难以达到超精密镜面切削加工的要求。优点是制造成本可大大低于单晶金刚石刀具。
　　
　　PCD刀具的主要刃磨方法目前用得最多的是放电刃磨(EDG)和金刚石砂轮机械刃磨。
　　
　　1.放电刃磨
　　
　　（1）放电刃磨的机理
　　
　　放电刃磨是通过在电介质分离的砂轮电极与刀具电极间放电产生瞬时高温，将PCD材料中的金属相熔化和气化，同时也可将部分金刚石晶体中的碳原子从晶格中轰逸。刃磨PCD刀具时，由于金刚石不导电，所以刀具电极即为PCD中的金属相构成的导电网络。由此可见放电刃磨实质是热蚀加工过程。由于放电刃磨的温度瞬时可高达8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨时可能引起金刚石周边晶体的热损和石墨化，尤其在PCD与硬质合金基体的界面处侵蚀速度更快，这是放电刃磨的主要缺陷。由于放电刃磨是一种非接触刃磨过程，磨削力小到可忽略不计，故刃磨效率很高。
　　
　　（2）放电刃磨的设备
　　
　　放电刃磨时，通常采用碳氢化合物作为砂轮电极与刀具电极间的电介质，工作电压一般为直流80～200V，砂轮电极采用铜、钨、石墨等导电材料。根据刃磨时的位置，放电刃磨可分为圆周（线）放电刃磨和端面（轮）放电刃磨。在端面放电刃磨中，砂轮旋转还需左右摆动。脉冲电源是影响刃磨效率和刃磨质量的关键设备。德国Vollmer公司的七轴数控六轴联动的QWD760就是圆周放电刃磨机床，可以加工各种形状曲面的PCD刀刃；QM110则是端面放电刃磨机床。
　　
　　国外学者对PCD放电刃磨技术作了大量的试验研究，英国学者T.B.Thoe等人得到下列结论：
　　
　　①、 对于细晶粒PCD刀具，端面放电刃磨可获得较好刃口质量；对于粗晶粒PCD刀具，圆周放电刃磨可获得较好刃口质量。
　　
　　②、 增大电流、电压或脉冲宽度，可增大磨除率，但同时会导致PCD刀具表面产生更深更宽的裂纹。
　　
　　③、 细晶粒PCD容易放电，砂轮电极磨损量小，放电中脱落的晶粒平均尺寸等于晶粒尺寸，故刃口质量较好。
　　
　　④、 粗晶粒PCD与硬质合金交界面的侵蚀程度较大。
　　
　　另外，德国学者E.Beck等人认为：脉冲电源及刃磨工艺步骤对放电刃磨的质量有较大影响。
　　
　　2.金刚石砂轮机械刃磨
　　
　　金刚石砂轮机械刃磨是目前使用最广泛的PCD刀具刃磨方法，与放电刃磨相比，其刃磨效率较低（磨除率约为1.5mm3/mｉｎ），加工成本较高，但可获得良好的刃口质量和完整光洁的刀面。
　　
　　（1）刃磨机理
　　
　　金刚石砂轮机械刃磨PCD刀具的机理比较复杂，国内外学者对此进行了大量研究。通过对刃磨后的PCD刀具用扫描电子显微镜（SEM）观察其表面的微观形貌后得出结论：金刚石砂轮在磨削PCD刀具的过程中发生了刻划和滑动、摩擦和挤压、化学反应和微小散裂。当砂轮与PCD接触的瞬间，磨削力突然增大，剧烈的机械冲击易使表面产生微小裂纹，只有当磨削深度和磨削压力较大时才会发生PCD碎片剥落。当进入稳定磨削期间，由于砂轮的金刚石磨粒不断在PCD表面上进行刻划、挤压和摩擦，当压力达到一定程度时，PCD表面上的初期微小裂纹越来越大，直至剥落。当磨削继续进行，磨粒钝化使磨削温度达到金刚石石墨化临界值时，PCD会发生石墨化和其它化学反应。因此，机械刃磨PCD刀具的去除材料方式主要是刻划、摩擦、化学反应和微小片状剥落。
　　
　　（2）机械刃磨设备
　　
　　PCD材料的特性决定了对PCD刀具刃磨机床的要求不同于普通工具磨床，即要求：①砂轮主轴和回转工作台以及机床整体具有很高的刚性和稳定性，以保持刃磨时砂轮对PCD材料的恒定压力，弹性变形减小到最少；②砂轮架可作横向摆动，以保证砂轮端面磨损均匀，砂轮架的摆动频率和摆动幅度可调；③机床上应配置光学投影装置和高精度回转工作台，实现在机测量刀尖圆弧R和角度；④机床工作台面和回转工作台直线进给数值由光栅显示，示值精度达1μm；⑤采用特殊的专用金刚石砂轮。瑞士EWAG-RS系列和台湾远山机械生产的FC-200D/500D能基本满足PCD刀具机械刃磨的需要。
　　
　　德国学者M.Kenter通过大量试验，得出下列结论：①为使杯状金刚石砂轮径向磨损均匀，应使砂轮与刀具的重合度≥1，通过调节刃磨机床砂轮摆动的振幅和频率可达到这一要求；②砂轮旋转速度VC、恒定压力FA和PCD材料的粒度，将会影响磨除率和磨耗比的大小，因此实际加工时可改变VC和FA来提高刃磨效率、降低刃磨成本；③砂轮的粒度、硬度、结合剂种类和冷却液浓度等均对磨除率和磨耗比有一定影响。
　　
　　3.PCD刀具的设计
　　
　　PCD刀具的设计应遵循下列原则：①前角大小应根据工件材料的物理力学特性和刀具制作工艺的难易程度来合理选择；②后角根据已加工表面质量要求的高低，特别是表面粗糙度、微观形状精度和弹性变形量的大小来巧妙合理组合；③刀尖R的大小应根据不同工件材质、切削加工余量、表面光亮度、切削力大小和工艺系统刚性来正确选用；④主偏角应根据工艺刚性、切削力大小、切削温度高低综合选择；⑤刃倾角应根据刀尖强度、排屑方向、刀刃锋利度等正确设计。总之，PCD刀具几何参数的设计应根据切削加工要求、工件材料、切削条件和切削用量、制造设备的精度等综合考虑，最终应体现在刀具的刃口既锋利又强固；加工质量要好，刀具寿命要长。