【金(jin)剛石(shi)刀(dao)具】金(jin)剛石(shi)刀(dao)具的設(she)計(ji)要(yao)點(dian) 金(jin)剛石(shi)刀(dao)具設(she)計(ji)與應用

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金剛石簡介

金剛石是單一碳原子的結晶體,其晶體結構屬原子密度最高的等軸面心立方晶系。金剛石晶體中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，具有極強的結合力、穩定性和方向性。金剛石獨特的晶體結構使其具有自然界最高的硬度、剛性、折射率和導熱系數，以及極高的抗磨損性、抗腐蝕性及化學穩定性。 單晶金剛石的優良特性可以滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數要求，是理想的精密切削刀具材料。金剛石無內部晶界的均勻晶體結構使刀關鍵字：刀具夾具切(qie)削銑(xian)削車(che)削機(ji)床(chuang)測量

金剛(gang)(gang)石(shi)是單一碳(tan)原子(zi)的結晶(jing)體(ti),其(qi)晶(jing)體(ti)結構屬原子(zi)密度(du)最高的等軸(zhou)面心立方晶(jing)系(xi)。金剛(gang)(gang)石(shi)晶(jing)體(ti)中(zhong)碳(tan)原子(zi)間的連接鍵為sp3雜化(hua)共價鍵，具有極強的結合力、穩(wen)定(ding)性和(he)方向性。金剛(gang)(gang)石(shi)獨特的晶(jing)體(ti)結構使其(qi)具有自然界最高的硬度(du)、剛(gang)(gang)性、折射(she)率和(he)導(dao)熱系(xi)數，以及極高的抗(kang)磨損(sun)性、抗(kang)腐(fu)蝕性及化(hua)學穩(wen)定(ding)性。

單晶金剛(gang)石的(de)(de)優良特性(xing)(xing)(xing)可(ke)以(yi)滿足精密及(ji)(ji)超精密切(qie)削(xue)(xue)對刀具(ju)材(cai)料的(de)(de)大多數(shu)(shu)要求(qiu)，是理想的(de)(de)精密切(qie)削(xue)(xue)刀具(ju)材(cai)料。金剛(gang)石無內部晶界的(de)(de)均(jun)勻晶體(ti)結構使刀具(ju)刃口(kou)在理論上可(ke)以(yi)達到原子(zi)級的(de)(de)平直度與鋒利度，切(qie)削(xue)(xue)時切(qie)薄能(neng)力(li)強、精度高(gao)(gao)、切(qie)削(xue)(xue)力(li)小；其高(gao)(gao)硬度及(ji)(ji)良好的(de)(de)抗磨損性(xing)(xing)(xing)、抗腐蝕性(xing)(xing)(xing)和化學(xue)穩定性(xing)(xing)(xing)可(ke)保(bao)證刀具(ju)具(ju)有超長壽命，從而能(neng)進行(xing)長時間(jian)的(de)(de)持續(xu)切(qie)削(xue)(xue)，并可(ke)減(jian)小因刀具(ju)磨損對零件精度的(de)(de)影響；其高(gao)(gao)導熱系數(shu)(shu)可(ke)降低切(qie)削(xue)(xue)溫度和零件的(de)(de)熱變(bian)形。

單(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)刀(dao)具(ju)在(zai)機械(xie)加(jia)工領域(yu)具(ju)有重要地位(wei)，廣泛(fan)應用(yong)(yong)于諸如(ru)反射鏡(jing)、導彈和(he)火箭的導航陀螺(luo)、計算機硬盤(pan)基片(pian)、加(jia)速器電子(zi)槍(qiang)等(deng)超精密鏡(jing)面零件的加(jia)工。單(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)還可用(yong)(yong)于制造眼科、腦(nao)外科手術刀(dao)、超薄生物切片(pian)刀(dao)等(deng)醫用(yong)(yong)刀(dao)具(ju)。此外，單(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)刀(dao)具(ju)在(zai)民用(yong)(yong)產品加(jia)工中的應用(yong)(yong)也日趨廣泛(fan)，從手表零件、鋁活(huo)塞、首(shou)飾等(deng)的加(jia)工到(dao)制筆、高光標牌及(ji)有色金(jin)屬鏡(jing)面裝飾零件的加(jia)工，其應用(yong)(yong)已進入機械(xie)加(jia)工的多種領域(yu)。

金剛石刀具設計與應用

1、單晶金剛石刀具鏡面加工機理

切削加工(gong)后的殘留面積高度(du)(du)h=f/(ctgkr+ctgkr')即為已加工(gong)表(biao)面的理論(lun)粗糙度(du)(du)值，它隨進給(gei)量f、刀具(ju)主偏(pian)(pian)角(jiao)kr和(he)副偏(pian)(pian)角(jiao)kr'的減小而減小。由于主偏(pian)(pian)角(jiao)kr的減小會使Fy力迅速增大(da)而引起刀具(ju)振動，減小進給(gei)量f則會影響切削效率，所以一般通過減小副偏(pian)(pian)角(jiao)kr'來降(jiang)低(di)表(biao)面粗糙度(du)(du)值。

常規切(qie)(qie)削用刀(dao)具表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)較粗(cu)糙(cao)，刀(dao)刃平整性差，若(ruo)選用的(de)(de)副偏角(jiao)過小，一方面(mian)(mian)(mian)(mian)副切(qie)(qie)削刃的(de)(de)不平整會(hui)復映到(dao)已(yi)(yi)加(jia)(jia)工(gong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)上；另一方面(mian)(mian)(mian)(mian)還會(hui)加(jia)(jia)劇(ju)副后刀(dao)面(mian)(mian)(mian)(mian)與(yu)已(yi)(yi)加(jia)(jia)工(gong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)摩擦，將已(yi)(yi)加(jia)(jia)工(gong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)“拉(la)毛(mao)”。所(suo)以在常規切(qie)(qie)削中(zhong)，副偏角(jiao)約為(wei)2°時(shi)加(jia)(jia)工(gong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度值最小，進一步減(jian)小副偏角(jiao)則會(hui)使已(yi)(yi)加(jia)(jia)工(gong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)質(zhi)量惡化。

單晶金剛石刀具的表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值可(ke)(ke)小于(yu)Ra0.01μm，刀刃質量(liang)至(zhi)少可(ke)(ke)達到在100倍顯(xian)微鏡(jing)下觀(guan)察無缺陷，加(jia)之摩擦(ca)系數極(ji)小，所(suo)以其(qi)副(fu)偏角(jiao)極(ji)限(xian)值可(ke)(ke)減小至(zhi)0～2'，從(cong)而(er)可(ke)(ke)使加(jia)工(gong)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)理(li)論值接近或等于(yu)零，實際表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值可(ke)(ke)達到鏡(jing)面(mian)或超(chao)光滑表(biao)面(mian)的要求(qiu)。

由此可見，就刀(dao)(dao)具(ju)本(ben)身而言，單晶金剛石刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)鏡面加工機理是通過(guo)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)超光(guang)潔表(biao)面和無(wu)缺陷的(de)(de)副切削(xue)刃(修光(guang)刃)的(de)(de)作(zuo)用，使加工表(biao)面粗糙度理論值接近于零來獲得鏡面加工效果。

2、單晶金剛石刀具的設計

設計單(dan)晶金剛(gang)石(shi)刀具(ju)時需(xu)要考慮的(de)主要因素有：①被加工零件(jian)精度要求；②實(shi)際加工條件(jian)；③金剛(gang)石(shi)材料的(de)特性。

設(she)計(ji)單(dan)晶(jing)金剛(gang)石(shi)(shi)刀具(ju)時(shi)，應(ying)遵循以下(xia)原則：①由于單(dan)晶(jing)金剛(gang)石(shi)(shi)硬度(du)高(gao)、加工(gong)困難(nan)，因(yin)此刀具(ju)的形狀應(ying)盡可能(neng)(neng)簡單(dan)；②根(gen)據(ju)(ju)單(dan)晶(jing)金剛(gang)石(shi)(shi)脆性大、抗沖擊能(neng)(neng)力差的特點(dian)，應(ying)結(jie)合(he)實(shi)際加工(gong)條件(jian)，通過(guo)對刀具(ju)幾何形狀的優(you)化，提高(gao)刀頭的抗沖擊能(neng)(neng)力；③根(gen)據(ju)(ju)被(bei)加工(gong)零件(jian)的精度(du)要求設(she)計(ji)修光刃長度(du)，同時(shi)應(ying)考慮(lv)刀具(ju)的切(qie)薄能(neng)(neng)力。

下面以幾種常用刀具(ju)(ju)為例，討論(lun)單晶金剛石(shi)刀具(ju)(ju)的設計方案。

計算機硬盤基(ji)(ji)(ji)片(pian)用于(yu)信息(xi)的存儲，其材料(liao)為(wei)鋁或鋁合金，基(ji)(ji)(ji)片(pian)表(biao)面(mian)粗糙度(du)值越低，存儲密度(du)越大，因此降低其加工(gong)表(biao)面(mian)粗糙度(du)值十分關鍵。同(tong)時由于(yu)基(ji)(ji)(ji)片(pian)厚度(du)小于(yu)0.9mm，為(wei)防止(zhi)其變形，應盡量減小加工(gong)時的切削力和擠壓(ya)。

硬盤基(ji)片的(de)切削采用(yong)具(ju)有(you)良好剛性(xing)和穩定性(xing)的(de)超高精度(du)磁盤車(che)床(chuang)。切削深度(du)約(yue)為0.01～0.02mm,進給量約(yue)為0.5mm。

硬盤基(ji)片單晶金剛石車刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)的(de)刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)頭(tou)形狀如圖1所示(shi)。刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)頭(tou)有兩(liang)個主(zhu)切削刃(ren)(ren)，加工時可以左右(you)進刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)。較長的(de)修光刃(ren)(ren)可保證左右(you)兩(liang)個方向(xiang)加工時修光刃(ren)(ren)后刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)面(mian)的(de)磨損不會互相干(gan)涉。兩(liang)個主(zhu)前刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)面(mian)在進給方向(xiang)下傾5°，從而(er)得到約2.5°的(de)負前角(jiao)，使切屑流向(xiang)待加工表面(mian)，以避免切屑劃傷已(yi)加工表面(mian)。金剛石車刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)非常鋒(feng)利，刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)刃(ren)(ren)圓弧半徑小于(yu)100nm，5°的(de)后角(jiao)已(yi)可充(chong)分減小后刀(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)面(mian)與已(yi)加工表面(mian)的(de)擠壓和摩擦(ca)。

該刀(dao)(dao)具(ju)的(de)關鍵質量要求是刀(dao)(dao)刃及刀(dao)(dao)尖在500倍顯(xian)微鏡下觀察無缺陷(xian)。其設計原則同樣(yang)適用于其它超精密鏡面加工刀(dao)(dao)具(ju)。

首飾批花刀

首飾批花刀(dao)(dao)用于(yu)在金、銀首飾上(shang)銑削(xue)(xue)出樹(shu)葉形的(de)花紋圖案(an)，實際上(shang)是(shi)一種(zhong)成型銑刀(dao)(dao)，其刀(dao)(dao)頭形狀如(ru)圖2所示。刀(dao)(dao)尖角(jiao)在110°～150°之(zhi)間(jian)，以適應不同大(da)小(xiao)及深度的(de)花紋加(jia)工(gong)。由于(yu)批花機床結構簡單(dan)、剛性(xing)差、振(zhen)(zhen)動大(da)，加(jia)之(zhi)采用斷續干切(qie)削(xue)(xue)，加(jia)工(gong)條件很差，因(yin)此(ci)批花刀(dao)(dao)刀(dao)(dao)頭需要(yao)具(ju)有較(jiao)強的(de)抗(kang)沖擊能力。5°的(de)負(fu)前角(jiao)和1°～1.5°的(de)后角(jiao)可有效增加(jia)刀(dao)(dao)刃強度，同時(shi)較(jiao)小(xiao)的(de)后角(jiao)還可使刀(dao)(dao)具(ju)與工(gong)件之(zhi)間(jian)適當擠靠，使切(qie)削(xue)(xue)不至于(yu)“發虛(xu)”，防止切(qie)削(xue)(xue)振(zhen)(zhen)動在已加(jia)工(gong)表面形成“振(zhen)(zhen)紋”。

首飾(shi)批花刀與加工(gong)表殼(ke)及一(yi)些(xie)高光裝飾(shi)零件(jian)用刀具的設計原則大致相同，該類刀具要求刀刃在(zai)200～500倍顯微(wei)鏡(jing)下(xia)觀察無崩口。

隱形眼鏡車刀

隱(yin)形(xing)眼鏡(jing)所用(yong)材(cai)料非常(chang)柔(rou)軟，且(qie)有一定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)抗拉強度，一般材(cai)料刀(dao)具由于刀(dao)刃(ren)圓弧(hu)過大，很(hen)難(nan)對(dui)其(qi)進行切削(xue)加工(gong)(gong)。由于車(che)削(xue)加工(gong)(gong)后還有一道(dao)研磨工(gong)(gong)序，因此車(che)削(xue)加工(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)粗糙度只要(yao)求達到Ra0.1μm，車(che)削(xue)加工(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)目的(de)(de)(de)(de)(de)是得(de)到具有一定(ding)形(xing)狀精度的(de)(de)(de)(de)(de)凹凸圓弧(hu)面(mian)，對(dui)刀(dao)具的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)要(yao)求是刀(dao)刃(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)鋒利性(xing)。隱(yin)形(xing)眼鏡(jing)車(che)刀(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)刀(dao)頭(tou)形(xing)狀如(ru)圖3所示。為滿足切削(xue)凹圓弧(hu)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)要(yao)，采用(yong)15°的(de)(de)(de)(de)(de)后角，要(yao)求刀(dao)刃(ren)在100倍顯微鏡(jing)下觀察無(wu)崩口。

3、單晶金剛石刀具的使用與維護

單晶金剛石刀(dao)(dao)具(ju)脆(cui)性大，加(jia)之刀(dao)(dao)刃(ren)非常(chang)鋒利，受到沖(chong)擊時(shi)(shi)容(rong)易產生(sheng)崩刃(ren)，因此應(ying)盡可(ke)能在平穩(wen)、無(wu)振動的工作條件(jian)下使用(yong)；同時(shi)(shi)還應(ying)盡可(ke)能提高工件(jian)和(he)刀(dao)(dao)具(ju)的裝卡剛性及整個系統的剛性，增(zeng)加(jia)其(qi)抗振能力。切削(xue)用(yong)量(liang)以不超(chao)過(guo)0.1mm為宜。

較高的切(qie)削速(su)度(du)可減小切(qie)削力，而低速(su)切(qie)削則(ze)會增大切(qie)削力，從而加(jia)速(su)刀(dao)具(ju)崩刃失效，因(yin)此采(cai)用金剛石刀(dao)具(ju)加(jia)工時切(qie)削速(su)度(du)不宜(yi)過低。

應避免在(zai)靜止狀態下使金剛石刀具與工件或其(qi)它(ta)硬物(wu)接觸(chu)，以防止碰傷刀具刃(ren)(ren)口。操作人員(yuan)的指(zhi)甲(jia)和指(zhi)紋中(zhong)容(rong)易夾(jia)帶(dai)砂粒等(deng)硬質物(wu)，用指(zhi)甲(jia)或手指(zhi)直接刮擦刀刃(ren)(ren)也可能損壞金剛石刀刃(ren)(ren)。金剛石刀具的檢(jian)測(ce)和調(diao)刀應采用光學儀器等(deng)非接觸(chu)式測(ce)量方法(fa)。

應(ying)采(cai)用脫脂棉加適量酒精或(huo)丙酮清洗金剛石(shi)刀具。刀具不使用時應(ying)套上(shang)橡膠或(huo)塑料保(bao)護套，并放置于單獨的刀盒中(zhong)。

使用直線修光刃金剛石(shi)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)進行(xing)(xing)(xing)鏡面切削時，要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)副偏角小于(yu)幾分，而刀(dao)具(ju)(ju)(ju)在安裝過程中可能產(chan)生達1°的(de)(de)安裝誤差，所以(yi)加(jia)工前需(xu)要(yao)(yao)對(dui)(dui)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)進行(xing)(xing)(xing)對(dui)(dui)刀(dao)，通過調整刀(dao)具(ju)(ju)(ju)修光刃與(yu)進給(gei)方向的(de)(de)平(ping)(ping)行(xing)(xing)(xing)度，以(yi)獲得最佳的(de)(de)加(jia)工表(biao)面粗糙度。對(dui)(dui)刀(dao)方法如(ru)下：首先在工件上加(jia)工出一(yi)小段表(biao)面，然后在10～30倍顯(xian)微鏡下調整刀(dao)具(ju)(ju)(ju)，使修光刃與(yu)其在新加(jia)工表(biao)面中的(de)(de)鏡像平(ping)(ping)行(xing)(xing)(xing)。由于(yu)平(ping)(ping)行(xing)(xing)(xing)度要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)較(jiao)高，因此必須進行(xing)(xing)(xing)耐心而精細的(de)(de)反復(fu)調整。應(ying)注意：擰動刀(dao)桿夾緊螺(luo)釘時可能使刀(dao)具(ju)(ju)(ju)產(chan)生微小轉動而導致對(dui)(dui)刀(dao)失敗。

由(you)于直(zhi)線(xian)(xian)修(xiu)光刃刀(dao)具(ju)(ju)(ju)的(de)對刀(dao)過程費時費力(li)，因此(ci)對于一(yi)些精度要求稍(shao)低的(de)鏡(jing)面切削可(ke)采用(yong)(yong)半徑(jing)(jing)為10～30mm的(de)圓(yuan)弧(hu)刃刀(dao)具(ju)(ju)(ju)代(dai)替直(zhi)線(xian)(xian)修(xiu)光刃刀(dao)具(ju)(ju)(ju)。這種圓(yuan)弧(hu)刃刀(dao)具(ju)(ju)(ju)的(de)形狀與隱形眼(yan)鏡(jing)車(che)刀(dao)類似，只是(shi)(shi)減(jian)小了(le)后(hou)角，增大了(le)刀(dao)尖圓(yuan)弧(hu)半徑(jing)(jing)。使用(yong)(yong)這種刀(dao)具(ju)(ju)(ju)不但可(ke)簡化對刀(dao)過程，而且(qie)當一(yi)段(duan)圓(yuan)弧(hu)磨損后(hou)，稍(shao)微轉動刀(dao)具(ju)(ju)(ju)后(hou)還可(ke)使用(yong)(yong)另一(yi)段(duan)新圓(yuan)弧(hu)，從而增加了(le)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)壽命。高精度的(de)單晶(jing)金剛石圓(yuan)弧(hu)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)也是(shi)(shi)加工凹(ao)面反(fan)射(she)鏡(jing)的(de)必備刀(dao)具(ju)(ju)(ju)