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单晶金刚石刀具的应用
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在加工非铁材料(如硅铝合金)时,一般不采用单晶金刚石刀具(SCD)进行加工,而采用寿命高的聚晶金刚石刀具(PCD)进行加工。

但在某些情况下,即当加工表面粗糙度参数要求较严时,则应采用单晶金刚石刀具(SCD)进行加工。例如采用聚晶金刚石刀具(PCD)车削铝制活塞时,表面粗糙度Ra可达15~50μm,而用单晶金刚石刀具(SCD)加工,其表面粗糙度可达Ra4μm。

此外,使用SCD刀具可节省加工时间,如加工铝制轮子,过去是用PCD刀具粗加工,然后进行抛光,改用SCD代替PCD刀具加工,其工件可达到镜面的表面粗糙度,省去了抛光工序。

严密的检查

在汽车和航空工业的高生产加工工序(包括对非铁材料的加工)中,其表面粗糙度的平均值通常是用于确定被加工工件的光洁度,当加工工件表面粗糙度值Ra值要求低时,一般都应采用金刚石刀具,这种刀具的刀刃在放大倍数较高的情况下进行观察不能有缺口。

大多数PCD刀具经研磨后,将其刀刃部位放大(<50X=进行检查,通过观察可以看出,PCD刀具的单个颗粒的孔隙及刀刃呈锯齿不平状态。要想达到最好的加工表面粗糙度(15~50μm),可选取合适的几何参数(切削速度、进给量及切削深度等)。

然而,在某些应用场合,要求PCD刀刃(放大150倍)不得有缺口,这种要求是能够达到的,只不过按上述要求制作PCD刀具比较困难,而且制造的费用要比标准的PCD刀具高3~5倍,其刀具加工表面粗糙度可以达到10~14μm。

将SCD刀具刀刃放大1500倍,进行观察,刀刃无缺口,所以采用这种刀具在精密车床上进行加工,其工件可达到镜面的表面粗糙度。

在采用PCD刀具加工非铁和非金属材料不能达到所要求的加工表面粗糙度时,可在加工中心上用SCD刀具加工,省去以住的抛光工序。

金刚石刀头

如其它刀具材料一样,SCD刀具不是对每种加工都适合,在选择时应考虑以下几点:

·         切削深度:SCD刀具刃口很锋利,当采用大切深进行加工时,其加工效果不够明显,这在很大程度上取决于工件材料、切削速度和进给量,所以切削深度大于0.02mm时,不宜采用SCD刀具进行加工,最好先用PCD刀具进行粗加工,然后用SCD刀具进行精加工。

·         工件材料:加工非铁金属(铝、紫铜、黄铜)和非金属材料(塑料、木材等)时,最好采用SCD刀具,任何铁系材料都不宜采用SCD进行加工。

·         价格:SCD刀具性能超过其它先进刀具材料,利用这种材料进行加工可获得巨大的经济效益,但其价格很贵,如一把SCD刀具的价格超过PCD刀具4倍以上,尽管SCD刀具价格高,但如果正确使用SCD刀具,它可减少加工工序成本并可使生产效率大大提高。

·         装卸:金刚石是最硬的材料,也是极脆和耐热震很敏感的材料。SCD刀刃锋利,任何实发性的冲击(如刀具装卸不细心或刀具落地)都会使刀刃产生缺口、裂纹或损坏,所以应对操作者进行培训。为避免精微的刀刃碰坏,一般应在金刚石刀具和其它零部件之间放置一薄膜件。

总之,尽管SCD刀具价格昂贵,而且只局限于某些材料的加工,但由于其加工效率高,良好的表面粗糙度及刀具寿命长等优点,从而弥补了该刀具价格昂贵的不足。

在超精密加工中,保证加工表面质量的主要因素除了高精度的机床、超稳定的加工环境外,高质量的刀具也是很重要的一个方面。天然金刚石具有硬度高、耐磨性 好、强度高、导热性好、与有色金属摩擦系数低、抗黏结性好以及优良的抗腐蚀性和化学稳定性,可以刃磨出极其锋利的刀刃,被认为是最理想的超精密切削用刀具 材料,在机械加工领域尤其是超精密加工领域有着重要地位并得到广泛应用。

2 单晶金刚石的物理特性

       金刚石是单一碳原子的结晶体,其晶体结构属于等轴面心立方晶系(一种原子密度最高的晶系)。由于金刚石中碳原子间的连接键为sp3杂化共价键,因此具有很 强的结合力、稳定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物质,其显微硬度可达10000HV,其它物理特性见表。

物理性能-数值
硬度-60000~100000MPa,随晶体方向和温度而定
抗弯强度-210~490MPa
抗压强度-1500~2500MPa
弹性模量-(9~10.5)×10的12次方MPa
热导率-8.4~16.7J/cm?s?℃
质量热容-0.156J/(g?℃)(常温)
开始氧化温度-900~1000K
开始石墨化温度-1800K(在惰性气体中)
和铝合金、黄铜间的摩擦系数-0.05~0.07(在常温下)

       二十世纪七十年代后期,在激光核融合技术的研究中,需要大量加工高精度软质金属反射镜,要求软质金属表面粗糙度和形状精度达到超精密水平。如采用传统的研 磨、抛光加工方法,不仅加工时间长、费用高、操作难度大,而且不易达到要求的精度。因此,亟需开发新的加工方法。在现实需求的推动下,单晶金刚石超精密切 削技术得以迅速发展。由于单晶金刚石本身的物理特性,切削时不易黏刀及产生积屑瘤,加工表面质量好,加工有色金属时,表面粗糙度可达 Rz0.1~0.05μm。金刚石还能有效地加工非铁金属材料和非金属材料,如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结硬质合金、各种纤维和颗粒加强复合 材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材(尤其是实心木和胶合板、MDF等复合材料)。

       3 天然单晶金刚石刀具的刃磨特点

       超精密加工中,单晶金刚石刀具的两个基本精度是刀刃轮廓精度和刃口的钝圆半径。要求加工非球面透镜用的圆弧刀具刃口的圆度为0.05μm以下,加工多面体 反射镜用的刀刃直线度为0.02μm;刀具刃口的钝圆半径(ρ值)表示了刀具刃口的锋利程度,为了适应各种加工要求,刀刃刃口半径范围从 20nm~1μm。

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