第2章超精密切削與金剛石刀具

第二章超精密切削與金剛石刀具

車刀和車削金剛石車床及其加工照片加工4.5mm陶瓷球超精密切削加工

第一節(jié)超精密切削的切削速度的選擇金剛石刀具硬度很高，耐磨性好，摩擦系數(shù)低，壽命很長。加工有色金屬時，切削速度可以很高。切削速度對金剛石刀具的磨損影響很小，切削速度不受刀具壽命的制約。與普通切削不同，泰勒公式：超精密切削的切削速度的選擇超精密切削時速度的選擇：通常根據(jù)機床的動態(tài)特性和整個切削系統(tǒng)的動態(tài)特性選擇。一般選擇機床振動最小時的切削速度，以保證加工表面質(zhì)量。第二節(jié)超精密切削刀具磨損與壽命金剛石刀具的壽命一般以切削路程(Km,公里)表示。如果無意外，用金剛石刀具加工有色金屬，刀具壽命極高，可達到數(shù)百公里。由于磨損極小，刀具壽命高，同一把刀具可以加工多個零件，零件尺寸一致性極好。超精密切削刀具磨損與壽命超精密切削刀具磨損與壽命實際生產(chǎn)中，金剛石刀具的壽命達不到上述值。原因：金剛石韌性、強度低，實際生產(chǎn)中容易崩刃，(機床振動等)。金剛石刀具的晶體定向問題。第三節(jié)超精密切削刀時積屑瘤的生成規(guī)律OA—粘結(jié)區(qū)（內(nèi)摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是變化的AB—滑動區(qū)（外摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是常數(shù)影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素工件材料，切削厚度，切削速度，刀具前角

，法應力

=s

剪應力，=

OAB

刀具積屑瘤形成原因：高溫、高壓，粘結(jié)、冷焊積屑瘤的作用：增大前角增大切削厚度表面粗糙增大保護刀具防止積屑瘤的辦法：低速切削、或高速切削添加潤滑液、較小摩擦增大刀具前角，減小刀—屑間的壓力提高工件硬度，減小加工硬化切削速度對積屑瘤產(chǎn)生的影響。與普通切削不同切削速度越高,積屑瘤高度越低。超精密切削刀時積屑瘤的生成規(guī)律積屑瘤對切削力的影響積屑瘤越高，切削力越大與普通切削正好相反，普通切削時，積屑瘤可增大刀具前角，從而使切削力下降。超精密切削刀時積屑瘤的生成規(guī)律積屑瘤越高，切削力越大的主要原因積屑瘤圓弧半徑R約為2-3m，遠遠大于金剛石刀具刃口半徑

0.1-0.3m。積屑瘤代替金剛石刀刃切削，積屑瘤與切屑間摩擦很嚴重，摩擦力大大增加。積屑瘤的存在，導致切削厚度增加。積屑瘤的存在，加工表面粗糙度增加。使用切削液，可減小積屑瘤高度，減小加工表面粗糙度1.切削速度的影響不同的切削速度，均能得到表面粗糙度極小的加工表面，切削速度對加工表面質(zhì)量的影響不顯著。在機床、刀具、環(huán)境條件符合要求的條件下，從高速到低速，都能得到粗糙度極小的加工表面。第四節(jié)切削參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響2.進給量和修光刃的影響金剛石一般帶有修光刃，切削時進給量很小。使用帶修光刃的刀具加工時，進給量減小對表面粗糙度影響不大。3.刀刃形狀對加工表面粗糙的影響直線修光刃（國內(nèi)）、圓弧修光刃（國外）。修光刃太長對加工表面粗糙度影響不大。圓弧修光刃刀具加工表面質(zhì)量較高，但是，制造、刃磨復雜，成本高。4.背吃刀量對加工表面粗糙的影響在超精密加工中，背吃刀量一般都比較小，對加工表面粗糙度的影響很小。但是如果ap太小，擠壓嚴重，切削困難，加工表面粗糙度增加。5.背吃刀量對加工表面殘余應力的影響ap減小，加工表面殘余應力減小。但當ap太?。ㄐ∮谀撑R界值時），擠壓嚴重，加工表面殘余應力增加。此臨界值的大小與刀刃鋒銳度有關（刃口半徑、鈍園半徑）。第五節(jié)刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質(zhì)量的影響1.刀刃鋒銳度定義：刃口半徑、鈍園半徑（前后刀面之間），刀刃的鋒利程度刀尖圓弧半徑：主副切削刃之間，刀尖鋒利程度。刃口半徑2.刀刃鋒銳度的測量：普通刀具：金相顯微鏡測量（=5-30m）金剛石刀具：掃描電子顯微鏡SEM測量（=0.001-0.2m）3.刀刃鋒銳度對加工表面粗糙度、切削變形和切小力的影響越小（刀刃越鋒利），加工表面粗糙度越小。越?。ǖ度性戒h利），切削力越小。越小（刀刃越鋒利），切削變形越小。4.刀刃鋒銳度對加工表面硬化、組織位錯和殘余應力的影響越小（刀刃越鋒利），位錯密度越小、加工硬化越小。越小（刀刃越鋒利），殘余應力越小。1.最小切削厚度定義：超精密切削實際達到的最小切削厚度。超精密切削最小切削厚度與刀具、鋒銳度、工件材料、機床特性、切削環(huán)境等因素有關。目前，使用極其鋒利的金剛石刀具在機床最佳條件下可以實現(xiàn)納米級連續(xù)穩(wěn)定的切削。第六節(jié)金剛石刀具超精密切削中的若干理論問題一、超精密切削最小切削厚度常規(guī)切削與超精密切削加工常規(guī)切削與超精密切削加工常規(guī)切削與超精密切削加工超精密切削加工2.刃口半徑（鈍圓半徑）rn與最小切削厚度的關系可見，最小切削厚度與刀具鋒銳度、切削力、摩擦系數(shù)有關。舉例：金剛石刀具切削鋁合金我國現(xiàn)行金剛石刀具鋒銳度：可見，如果要得到小的最小切削厚度，就必須有小的刀具鋒銳度（刃口半徑）。1.金剛石晶體的摩擦系數(shù)金剛石晶體具有強烈的各向異性，不同表面、不同方向的摩擦系數(shù)差別明顯。(100)晶面的摩擦系數(shù)曲線有四個波峰和波谷。(110)晶面的摩擦系數(shù)曲線有兩個波峰和波谷。(111)晶面的摩擦系數(shù)曲線有三個波峰和波谷。二、金剛石刀具晶面選擇對切削變形和加工表面質(zhì)量的影響金剛石晶體的摩擦系數(shù)以波谷最低值比較，(100)晶面的摩擦系數(shù)最低，(110)晶面的摩擦系最高。(100)晶面的摩擦系數(shù)差別最大，(111)晶面的摩擦系數(shù)差別最小。2.金剛石刀具不同晶面對切削變形的影響車刀1，前、后刀面為(100)晶面，車刀2，前、后刀面為(110)晶面。車刀1切下的切屑變形小于車刀2。車刀1切下的切屑變形系數(shù)小于車刀2。車刀1的剪切角大于車刀2。金剛石刀具不同晶面對加工表面質(zhì)量和刀具磨損的影響粗糙度：車刀1與車刀2加工表面粗糙度相差不大。殘余應力：車刀1切出的表層殘余應力小于車刀2。刀具磨損：車刀1磨損慢，車刀2磨損快。工件材料的晶體方向?qū)η邢髯冃魏图庸け砻尜|(zhì)量的影響單晶硅、單晶鋁、單晶銅等屬于各向異性材料。切削變形和加工表面質(zhì)量受各向異性的影響。沿(110)晶面切削時：切削力有2個最大值。沿(100)晶面切削時：切削力有4個最大值。沿(111)晶面切削時：切削力無明顯變化。1.超精密加工對刀具材料的要求：極高等硬度、極高得耐磨性能、極高的彈性模量極鋒利的刀刃、刃口半徑值極小、能實現(xiàn)超薄切削刀刃無缺陷、切削時將刃形復印到加工表面上，能得到超光滑的鏡面與工件的抗粘結(jié)性好、化學親和性小、摩擦系數(shù)低、能得到極好的加工表面完整性第七節(jié)超精密切削對刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)上述四項要求決定了超精密切削使用刀具的性能要求。天然單晶金剛石有一系列優(yōu)點，如：硬度高、導熱系數(shù)大、摩擦系數(shù)低、刀刃能磨得鋒利，雖然價格昂貴，但仍被一致公認為理想、不可替代的超精密切削刀具。金剛石刀具單晶金剛石刀具天然單晶金剛石刀具人造單晶金剛石刀具多晶金剛石刀具PCD刀具CVD金剛石刀具CVD金剛石薄膜涂層刀具金剛石厚度膜焊接刀具金剛石刀具極高的硬度和耐磨性：硬度達HV10000，是自然界最硬的物質(zhì)，具有極高的耐磨性，天然金剛石耐磨性為硬質(zhì)合金80-120倍，人造金剛石耐磨性為硬質(zhì)合金60-80倍。各向異性能：單晶金剛石晶體不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微觀強度、研磨加工的難易程度以及與工件材料之間的摩擦系數(shù)等相差很大，因此，設計和制造單晶金剛石刀具時，必須進行晶體定向。金剛石刀具的性能特點具有很低的摩擦系數(shù)：金剛石與一些有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其它刀具都低，約為硬質(zhì)合金刀具的一半。刀刃非常鋒利：金剛石切削刃可磨得非常鋒利，天然單晶金剛石刀具刀刃鈍園半徑可達納米，能進行超薄切削和超精密加工。具有很高的導熱性能：金剛石的導熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5-9倍，為銅的2-6倍。導熱系數(shù)高，切削熱容易散出，切削溫度低。熱脹系數(shù)低：金剛石熱脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10。因此，金剛石刀具不會產(chǎn)生很大的熱變形，這對尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說尤為重要。

金剛石的物理力學性能硬度6000～10000(隨晶體方向和溫度而有所差別)WC：2400Al2O3：2200TiC:3200SiC:3500CBN：6000～8500抗彎強度210～490MPa抗壓強度1500～2500MPa彈性模量(9～10.5)×1011N/m2導熱系數(shù)(2～4)×418.68W/(m.K)和鋁合金和黃銅之間的摩擦系數(shù)0.06～0.13開始氧化溫度900～1000K人造金剛石的制備工藝(a)人造單晶金剛石的制備(b)聚晶金剛石的制備石墨+觸媒劑金剛石單晶粉高溫高壓金剛石單晶粉+結(jié)合劑PCD聚晶高溫高壓人造金剛石的制備工藝聚晶金剛石(PCD)刀具PCD是通過金屬結(jié)合劑(如Co、Ni等)將金剛石微粉聚合而成的多晶體材料。金剛石廣泛應用于切削加工還是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于單晶金剛石，但PCD屬各向同性材料；PCD具有導電性，便于切割成型，成本遠低于天然金剛石。PCD原料來源豐富，價格只有天然金剛石的十幾分之一，PCD應用遠比天然金剛石刀具廣泛。大多數(shù)PCD刀片都是與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成的復合刀片，即在硬質(zhì)合金的基體上燒結(jié)一層約0.7mm厚的PCD，這種刀片的強度和硬質(zhì)合金基本一致，硬度接近整體PCD，可焊性好，重磨容易，成本低。CVD金剛石刀具CVD金剛石刀具是指用化學氣相沉積法(CVD)在異質(zhì)基體(如硬質(zhì)合金等)上合成金剛石膜制作的刀具。20世紀70年代末至80年代初，CVD金剛石在日本首先出現(xiàn)，目前，CVD金剛石膜產(chǎn)品直徑已超過110mm，厚達毫米級，并日趨成熟。CVD金剛石刀具不僅直接沖擊無涂層硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具市場，而且還成為PCD刀具強有力的競爭對手，目前已經(jīng)商品化。CVD金剛石刀具的種類CVD金剛石刀具可制成兩種形式。一種是在基體上沉積厚度小于50m的薄層膜，即：CVD金剛石薄膜涂層刀具。另一種是沉積厚度達到1mm的無襯底的金剛石厚膜，即：CVD金剛石厚膜焊接刀具，如果需要它可以釬焊在基體上。

激光金剛石膜基體材料

(b)激光切割

(a)厚膜與基體材料

金剛石膜小塊

硬質(zhì)合金(c)厚膜單體小塊(d)釬焊成刀具或刀片CVD金剛石厚膜刀具形成示意圖特性聚晶金剛石刀具(PCD)金剛石膜刀具單晶金剛石刀具材質(zhì)結(jié)構(gòu)含粘結(jié)劑純金剛石純金剛石耐磨性隨金剛石顆粒大小而變高于PCD2～10倍高于PCD和金剛石膜韌性優(yōu)良差化學穩(wěn)定性較低高高可加工性優(yōu)差差可焊性優(yōu)差差刃口質(zhì)量良優(yōu)優(yōu)適用性粗加工、精加工精加工超精密加工各種金剛石刀具的性能比較金剛石刀具的應用可用于加工鋁合金、黃銅等有色金屬和某些非金屬材料，不能用于黑色金屬材料的加工。其中80％以上的PCD刀具用于加工汽車和摩托車行業(yè)的硅鋁合金零部件。由于這些零件材料含硅量較高(12%以上)，且為大批量生產(chǎn)，對刀具的壽命要求較高，硬質(zhì)合金刀具難以勝任，而PCD刀具的壽命遠高于硬質(zhì)合金刀具，是硬質(zhì)合金刀具壽命的幾十甚至幾百倍。在加工硅含量較高的鋁合金時，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生嚴重的磨損而不能繼續(xù)切削。PCD刀具還非常適合對難加工非金屬材料(如：木材、人造板材、強化復合地板、碳纖維增強塑料、石墨、石材等)進行加工。采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實現(xiàn)鏡面加工，目前，金剛石刀具可以實現(xiàn)切削厚度為納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削。超光滑表面，Ra0.02-0.005m，精度達到0.01m以上。金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，切削溫度達到800℃時，就會失去其硬度，金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料，因為，金剛石與鐵有很強的化學親合力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。可超精密加工許多零件，如：陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達的波導管內(nèi)腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復印機的硒鼓等。天然金剛石刀具可以實現(xiàn)切削厚度為納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削，極限最小切削厚度可達到1nm。超精密切削時能達到的極限最小切削厚度和金剛石刀具刀刃鋒銳度和被切材料的物理力學性能有關。l

金剛石刀具的應用PCD刀具應用領域分布PCD木工刀具主要加工對象分布世界主要PCD刀片商標牌號公司名稱國別牌號平均粒徑尺寸(m)

GE

美國COMPAX1600COMPAX1300510DeBeers

英國SYNDITE002SYNDITE010210住友電工

日本DA200DA1500.55

東名

日本TDC-FMTDC-SM0.38京磁電子日本KPD002KPD010210

三菱

日本MD230MD220微粒中粒+微粒東芝日本T-DLADX120T-DLADX140細粒中粒

Megadiamond

美國MEGAPAX100MEGAPAX300

28常規(guī)切削加工刀片形狀陶瓷刀片PCD刀具金剛石的晶體結(jié)構(gòu)規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體，有三根4次對稱軸，四根3次對稱軸和六根2次對稱軸.a）4次對稱軸和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2次對稱軸和（110）晶面c）3次對稱軸和（111）晶面八面體的晶軸和鏡晶面金剛石的晶體結(jié)構(gòu)1.

在晶體中，各方位的原子面叫晶面（面網(wǎng)），在晶體中，各方向的原子列叫晶向。2.

單晶金剛石晶體主要晶面有：(100)、(110)、(111)3.

面網(wǎng)密度(晶面原子密度：單位面積上的原子數(shù))最大的晶面是：(111)(100):(110):(111)=1:1.414:2.3084.

面網(wǎng)密度最大的晶面硬度高，耐磨性好5.

面網(wǎng)間距：晶體面網(wǎng)之間的距離(111)晶面面網(wǎng)間距最大，原子結(jié)合力小，很容易產(chǎn)生解理.金剛石晶體的面網(wǎng)距和解理現(xiàn)象◎金剛石晶體的（111）晶面面網(wǎng)密度最大，耐磨性最好。◎（100）與（110）面網(wǎng)的面間距分布均勻；（111）面網(wǎng)的面間距較大。（111）面網(wǎng)C原子分布和解理劈開面劈開面◎在距離大的（111）面之間，只需擊破一個共價鍵就可以劈開?！蛟趦蓚€相鄰的（111）面之間劈開，可得到很平的劈開面，稱之為“解理”。1.金剛石晶體各晶面的耐磨性能金剛石晶體具有強烈的各向異性，不同表面、不同方向的摩擦系數(shù)差別明顯，不同晶面耐磨性能不同。同一晶面不同晶向耐磨性能也存在很大差別。耐磨性能可用“磨削率”表示：單位載荷單位線速度下的磨削體積。各晶面均有好磨和難磨方向。第八節(jié)金剛石晶體各晶面的耐磨性能和好磨和難磨方向(100)晶面，磨削率有四個峰值。(110)晶面，磨削率有兩個峰值。(111)晶面，磨削率有三個峰值。在高磨削率方向：(110)晶面磨削率最高，(111)晶面磨削率最低。(100)晶面摩擦系數(shù)有4個好磨和難磨方向(110)晶面摩擦系數(shù)有2個好磨和難磨方向(111)晶面摩擦系數(shù)有3個好磨和難磨方向2.金剛石晶體各晶面的好磨和難磨方向高磨削率的方向：“好磨方向”，耐磨性低的方向。低磨削率的方向：“難磨方向”，耐磨性高的方向。3.金剛石晶體研磨時摩擦系數(shù)的各向異性使用鑄鐵研磨金剛石：各晶面摩擦系數(shù)不同同一晶面不同晶向摩擦系數(shù)也存在很大差別研磨時，(110)晶面摩擦系數(shù)最大，(111)晶面摩擦系數(shù)最小。(100)晶面摩擦系數(shù)有4個波峰和波谷(110)晶面摩擦系數(shù)有2個波峰和波谷(111)晶面摩擦系數(shù)有3個波峰和波谷可根據(jù)摩擦系數(shù)大小找出晶面的好磨和難磨方向摩擦系數(shù)大，磨削率高——好磨方向摩擦系數(shù)小，磨削率低——難磨方向第九節(jié)金剛石刀具磨損和破損機理原因：磨損：刀刃處微觀解理的累積破損：（111）晶面的解理金剛石晶體的（111）晶面面網(wǎng)密度最大，耐磨性最好。但是（111）面網(wǎng)的面間距寬。在距離大的（111）面之間，只需擊破一個共價鍵就可以劈。在兩個相鄰的(111)面之間劈開，可得到很平的劈開面，稱之為“解理”。普通刀具前刀面磨損

超精密切削刀具磨損形貌普通刀具前刀面磨損

普通刀具前刀面的破損普通刀具后刀面磨損

普通刀具粘結(jié)磨損超精密切削刀具磨損與壽命

第十節(jié)金剛石晶體定向人工目測—靠人工經(jīng)驗，方便實用，精度較低，費用低。X射線衍射—精度高，費用高，X射線對人體有害。激光定向—精度高、操作方便、費用不是很高（約為X射線衍射定向儀的十分之一），較為實用，適宜于生產(chǎn)。人造金剛石第十一節(jié)超精密加工金剛石刀具設計與制造金剛石刀具設計設計目標能否加工出超光滑表面？刀刃切削時間是否足夠長？設計內(nèi)容切削部幾何形狀設計晶面選擇結(jié)構(gòu)與固定方法研磨加工金剛石刀具切削部幾何形狀金剛石刀具一般不采用主副切削刃相交為一點的