【金剛石刀(dao)(dao)(dao)具(ju)】金剛石刀(dao)(dao)(dao)具(ju)的設計(ji)要點 金剛石刀(dao)(dao)(dao)具(ju)設計(ji)與(yu)應用(yong)

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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)削銑削車削機床測量

金剛(gang)石(shi)是單一碳(tan)原子的(de)(de)結晶體(ti)(ti),其晶體(ti)(ti)結構(gou)屬原子密度最高的(de)(de)等(deng)軸面心立方晶系。金剛(gang)石(shi)晶體(ti)(ti)中碳(tan)原子間的(de)(de)連接鍵(jian)(jian)為sp3雜化(hua)共價鍵(jian)(jian)，具有(you)極(ji)強的(de)(de)結合力、穩定性和(he)方向性。金剛(gang)石(shi)獨特(te)的(de)(de)晶體(ti)(ti)結構(gou)使(shi)其具有(you)自然界最高的(de)(de)硬度、剛(gang)性、折射率和(he)導(dao)熱系數，以及極(ji)高的(de)(de)抗(kang)磨損性、抗(kang)腐蝕(shi)性及化(hua)學穩定性。

單晶(jing)金(jin)剛(gang)石的(de)(de)優良(liang)特性(xing)可(ke)以(yi)滿足精(jing)(jing)密(mi)及超(chao)精(jing)(jing)密(mi)切(qie)(qie)削對刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)材料的(de)(de)大多數(shu)要求，是理想的(de)(de)精(jing)(jing)密(mi)切(qie)(qie)削刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)材料。金(jin)剛(gang)石無內部晶(jing)界的(de)(de)均勻(yun)晶(jing)體(ti)結構使刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)刃口在理論上可(ke)以(yi)達到(dao)原子級的(de)(de)平直度(du)(du)與鋒利(li)度(du)(du)，切(qie)(qie)削時切(qie)(qie)薄能力(li)強、精(jing)(jing)度(du)(du)高、切(qie)(qie)削力(li)小(xiao)；其高硬度(du)(du)及良(liang)好的(de)(de)抗(kang)磨損性(xing)、抗(kang)腐蝕性(xing)和化學穩(wen)定(ding)性(xing)可(ke)保證刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)具(ju)(ju)(ju)(ju)有超(chao)長壽命，從而能進行長時間的(de)(de)持續切(qie)(qie)削，并可(ke)減小(xiao)因刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)磨損對零(ling)件精(jing)(jing)度(du)(du)的(de)(de)影響；其高導熱系(xi)數(shu)可(ke)降低切(qie)(qie)削溫度(du)(du)和零(ling)件的(de)(de)熱變形(xing)。

單晶(jing)金(jin)剛(gang)石刀(dao)具(ju)(ju)在(zai)機械加(jia)(jia)工(gong)領(ling)域具(ju)(ju)有重要(yao)地(di)位(wei)，廣泛應(ying)用(yong)于諸(zhu)如反射(she)鏡(jing)、導彈和火箭(jian)的(de)(de)導航(hang)陀螺、計(ji)算機硬盤(pan)基片、加(jia)(jia)速器電子槍等超精密鏡(jing)面零(ling)件的(de)(de)加(jia)(jia)工(gong)。單晶(jing)金(jin)剛(gang)石還可用(yong)于制造(zao)眼科、腦外科手術刀(dao)、超薄生物切片刀(dao)等醫用(yong)刀(dao)具(ju)(ju)。此外，單晶(jing)金(jin)剛(gang)石刀(dao)具(ju)(ju)在(zai)民用(yong)產品加(jia)(jia)工(gong)中的(de)(de)應(ying)用(yong)也日趨廣泛，從手表零(ling)件、鋁活塞、首飾等的(de)(de)加(jia)(jia)工(gong)到制筆、高光標牌(pai)及有色金(jin)屬鏡(jing)面裝飾零(ling)件的(de)(de)加(jia)(jia)工(gong)，其應(ying)用(yong)已(yi)進入機械加(jia)(jia)工(gong)的(de)(de)多種領(ling)域。

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(xue)加工后的(de)(de)殘(can)留面積高(gao)度(du)h=f/(ctgkr+ctgkr')即(ji)為已加工表面的(de)(de)理論粗(cu)糙度(du)值，它隨進給量f、刀(dao)具主(zhu)偏角kr和副偏角kr'的(de)(de)減小(xiao)而減小(xiao)。由于主(zhu)偏角kr的(de)(de)減小(xiao)會(hui)使Fy力(li)迅(xun)速增大而引起(qi)刀(dao)具振動(dong)，減小(xiao)進給量f則會(hui)影響切削(xue)效率，所(suo)以一(yi)般通過減小(xiao)副偏角kr'來降低(di)表面粗(cu)糙度(du)值。

常規(gui)切削(xue)用(yong)刀具表(biao)(biao)(biao)面(mian)較粗糙(cao)，刀刃平整(zheng)性差，若選用(yong)的副(fu)(fu)(fu)偏角(jiao)過小(xiao)，一方面(mian)副(fu)(fu)(fu)切削(xue)刃的不平整(zheng)會復映到已(yi)(yi)加(jia)工表(biao)(biao)(biao)面(mian)上；另一方面(mian)還會加(jia)劇副(fu)(fu)(fu)后刀面(mian)與已(yi)(yi)加(jia)工表(biao)(biao)(biao)面(mian)的摩(mo)擦，將已(yi)(yi)加(jia)工表(biao)(biao)(biao)面(mian)“拉(la)毛”。所以在常規(gui)切削(xue)中(zhong)，副(fu)(fu)(fu)偏角(jiao)約為2°時加(jia)工表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度值最(zui)小(xiao)，進一步減小(xiao)副(fu)(fu)(fu)偏角(jiao)則(ze)會使已(yi)(yi)加(jia)工表(biao)(biao)(biao)面(mian)質量惡化。

單晶金(jin)剛石(shi)刀具的(de)表面(mian)粗糙(cao)度(du)值(zhi)可(ke)小于(yu)Ra0.01μm，刀刃質(zhi)量(liang)至少可(ke)達(da)到在100倍顯微(wei)鏡下(xia)觀察無缺陷，加之(zhi)摩擦系數極(ji)小，所以其(qi)副(fu)偏角極(ji)限值(zhi)可(ke)減小至0～2'，從(cong)而可(ke)使加工表面(mian)粗糙(cao)度(du)理論(lun)值(zhi)接近或(huo)等于(yu)零，實際(ji)表面(mian)粗糙(cao)度(du)值(zhi)可(ke)達(da)到鏡面(mian)或(huo)超光滑(hua)表面(mian)的(de)要求。

由此(ci)可見，就刀具(ju)本(ben)身(shen)而言，單(dan)晶金剛石刀具(ju)的(de)鏡面加工(gong)機理是通過刀具(ju)的(de)超光(guang)潔表(biao)面和無缺陷的(de)副切(qie)削刃(ren)(修光(guang)刃(ren))的(de)作用，使加工(gong)表(biao)面粗糙度理論值接近于零來(lai)獲得鏡面加工(gong)效果。

2、單晶金剛石刀具的設計

設計(ji)單晶金(jin)剛石刀具時需(xu)要(yao)考慮的主要(yao)因素(su)有：①被加工零件精度要(yao)求；②實際加工條件；③金(jin)剛石材料的特性。

設計(ji)單(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)刀(dao)具(ju)(ju)時，應(ying)(ying)(ying)遵循以下原(yuan)則：①由(you)于單(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)硬度高、加(jia)工(gong)困難，因此刀(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)(de)形(xing)狀應(ying)(ying)(ying)盡可能(neng)(neng)簡單(dan)；②根據單(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)脆性大(da)、抗沖擊(ji)能(neng)(neng)力(li)差(cha)的(de)(de)(de)特(te)點，應(ying)(ying)(ying)結(jie)合實際加(jia)工(gong)條(tiao)件，通過對(dui)刀(dao)具(ju)(ju)幾(ji)何形(xing)狀的(de)(de)(de)優化，提高刀(dao)頭的(de)(de)(de)抗沖擊(ji)能(neng)(neng)力(li)；③根據被加(jia)工(gong)零件的(de)(de)(de)精度要求設計(ji)修光刃長度，同時應(ying)(ying)(ying)考慮刀(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)(de)切薄能(neng)(neng)力(li)。

下(xia)面以幾種常用刀具為例，討論單晶金(jin)剛石刀具的設計方(fang)案。

計(ji)算(suan)機硬盤基片(pian)(pian)用于(yu)(yu)信(xin)息的(de)存(cun)儲，其(qi)(qi)材料為鋁(lv)或(huo)鋁(lv)合金，基片(pian)(pian)表面粗糙度(du)(du)(du)(du)值越低，存(cun)儲密度(du)(du)(du)(du)越大(da)，因此降(jiang)低其(qi)(qi)加工表面粗糙度(du)(du)(du)(du)值十分(fen)關(guan)鍵。同時由于(yu)(yu)基片(pian)(pian)厚度(du)(du)(du)(du)小于(yu)(yu)0.9mm，為防止(zhi)其(qi)(qi)變(bian)形，應盡量減(jian)小加工時的(de)切削(xue)力和擠(ji)壓。

硬盤基(ji)片的切削(xue)采用(yong)具有良好剛性和(he)穩定性的超高(gao)精(jing)度(du)磁盤車床(chuang)。切削(xue)深(shen)度(du)約(yue)為0.01～0.02mm,進(jin)給量(liang)約(yue)為0.5mm。

硬盤基片單晶金(jin)剛石車刀的(de)(de)刀頭形狀如圖(tu)1所示(shi)。刀頭有兩(liang)個(ge)主切(qie)削刃，加(jia)工(gong)(gong)(gong)時(shi)(shi)可(ke)以左右進刀。較長(chang)的(de)(de)修(xiu)(xiu)光(guang)刃可(ke)保(bao)證左右兩(liang)個(ge)方向(xiang)加(jia)工(gong)(gong)(gong)時(shi)(shi)修(xiu)(xiu)光(guang)刃后刀面(mian)(mian)的(de)(de)磨(mo)損(sun)不會互相(xiang)干涉。兩(liang)個(ge)主前(qian)刀面(mian)(mian)在進給方向(xiang)下傾5°，從而得到約2.5°的(de)(de)負前(qian)角，使(shi)切(qie)屑流(liu)向(xiang)待加(jia)工(gong)(gong)(gong)表面(mian)(mian)，以避免切(qie)屑劃傷已加(jia)工(gong)(gong)(gong)表面(mian)(mian)。金(jin)剛石車刀非常鋒利，刀刃圓弧半徑小(xiao)于100nm，5°的(de)(de)后角已可(ke)充分(fen)減(jian)小(xiao)后刀面(mian)(mian)與已加(jia)工(gong)(gong)(gong)表面(mian)(mian)的(de)(de)擠壓和摩(mo)擦。

該刀(dao)具的關鍵(jian)質(zhi)量要求是(shi)刀(dao)刃(ren)及刀(dao)尖在500倍顯(xian)微鏡(jing)下觀(guan)察(cha)無缺(que)陷。其設計原則同樣適(shi)用(yong)于(yu)其它超(chao)精密鏡(jing)面加工刀(dao)具。

首飾批花刀

首飾(shi)(shi)批(pi)花(hua)(hua)刀(dao)(dao)用于(yu)(yu)(yu)在(zai)金、銀首飾(shi)(shi)上銑(xian)削出樹葉形的(de)(de)(de)(de)花(hua)(hua)紋圖案，實際(ji)上是一種成型銑(xian)刀(dao)(dao)，其刀(dao)(dao)頭(tou)形狀如圖2所示。刀(dao)(dao)尖角在(zai)110°～150°之(zhi)間(jian)，以(yi)適應不同大小及深度的(de)(de)(de)(de)花(hua)(hua)紋加(jia)工(gong)。由于(yu)(yu)(yu)批(pi)花(hua)(hua)機床結構簡單、剛性差、振動大，加(jia)之(zhi)采用斷續干切削，加(jia)工(gong)條件很差，因此批(pi)花(hua)(hua)刀(dao)(dao)刀(dao)(dao)頭(tou)需要(yao)具有(you)較強的(de)(de)(de)(de)抗沖擊(ji)能力。5°的(de)(de)(de)(de)負前(qian)角和1°～1.5°的(de)(de)(de)(de)后角可有(you)效增加(jia)刀(dao)(dao)刃(ren)強度，同時較小的(de)(de)(de)(de)后角還可使刀(dao)(dao)具與(yu)工(gong)件之(zhi)間(jian)適當(dang)擠靠，使切削不至于(yu)(yu)(yu)“發虛(xu)”，防止切削振動在(zai)已加(jia)工(gong)表面形成“振紋”。

首飾(shi)批花刀與加工(gong)表殼及一些高光裝(zhuang)飾(shi)零件用刀具的設計(ji)原則大致(zhi)相同，該(gai)類刀具要求刀刃在(zai)200～500倍顯微鏡下觀察無(wu)崩口。

隱形眼鏡車刀

隱形眼鏡(jing)所用材料(liao)非常柔軟，且有(you)一(yi)定(ding)的(de)抗(kang)拉強度(du)，一(yi)般材料(liao)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)由于刀(dao)(dao)(dao)刃圓弧過大，很(hen)難(nan)對其進行切削加工。由于車削加工后還有(you)一(yi)道研(yan)磨工序，因此車削加工的(de)表面(mian)粗糙度(du)只要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)達到Ra0.1μm，車削加工的(de)主要(yao)(yao)目的(de)是得到具(ju)有(you)一(yi)定(ding)形狀(zhuang)精度(du)的(de)凹凸圓弧面(mian)，對刀(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)主要(yao)(yao)要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)是刀(dao)(dao)(dao)刃的(de)鋒利性。隱形眼鏡(jing)車刀(dao)(dao)(dao)的(de)刀(dao)(dao)(dao)頭形狀(zhuang)如圖3所示。為滿足(zu)切削凹圓弧面(mian)的(de)需要(yao)(yao)，采用15°的(de)后角，要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)刀(dao)(dao)(dao)刃在(zai)100倍顯微鏡(jing)下(xia)觀察無崩口。

3、單晶金剛石刀具的使用與維護

單晶金剛(gang)(gang)石刀具(ju)脆性大，加之刀刃(ren)非常鋒利，受(shou)到沖(chong)擊時(shi)容易(yi)產生崩刃(ren)，因此應盡可能在(zai)平穩(wen)、無振動的(de)工作條件下使用；同時(shi)還(huan)應盡可能提(ti)高(gao)工件和刀具(ju)的(de)裝卡剛(gang)(gang)性及整個系統的(de)剛(gang)(gang)性，增加其(qi)抗振能力。切削用量以不(bu)超過(guo)0.1mm為宜。

較高的切(qie)削速(su)度可減(jian)小切(qie)削力(li)，而(er)低(di)速(su)切(qie)削則會(hui)增大(da)切(qie)削力(li)，從而(er)加速(su)刀具崩刃(ren)失(shi)效，因此采用金剛石(shi)刀具加工(gong)時切(qie)削速(su)度不宜過低(di)。

應避免(mian)在(zai)靜止狀態(tai)下使金(jin)剛石刀具(ju)與工件或(huo)其它(ta)硬(ying)物接(jie)(jie)觸(chu)，以防止碰(peng)傷刀具(ju)刃口。操作(zuo)人員的(de)指(zhi)(zhi)甲和(he)指(zhi)(zhi)紋中容易(yi)夾帶砂粒等硬(ying)質(zhi)物，用(yong)指(zhi)(zhi)甲或(huo)手(shou)指(zhi)(zhi)直接(jie)(jie)刮(gua)擦刀刃也可能損壞金(jin)剛石刀刃。金(jin)剛石刀具(ju)的(de)檢測和(he)調刀應采用(yong)光學儀器(qi)等非接(jie)(jie)觸(chu)式(shi)測量方法。

應采(cai)用(yong)脫脂(zhi)棉加適量酒精或(huo)丙酮清(qing)洗金剛(gang)石刀具。刀具不使用(yong)時應套上橡膠(jiao)或(huo)塑料保護套，并放(fang)置于(yu)單獨的刀盒中(zhong)。

使用直線修光(guang)刃金剛石刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)鏡(jing)面切削時(shi)，要(yao)(yao)求副偏角(jiao)小于幾分，而刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)在安裝過(guo)程(cheng)中(zhong)可能(neng)產(chan)生(sheng)達1°的(de)安裝誤差(cha)，所以(yi)加(jia)工(gong)(gong)前(qian)需要(yao)(yao)對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)，通過(guo)調整刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)修光(guang)刃與進(jin)(jin)(jin)給(gei)方向的(de)平(ping)行(xing)(xing)度，以(yi)獲得(de)最佳的(de)加(jia)工(gong)(gong)表(biao)面粗糙(cao)度。對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)方法如下(xia)：首先在工(gong)(gong)件上(shang)加(jia)工(gong)(gong)出(chu)一小段表(biao)面，然(ran)后在10～30倍(bei)顯微鏡(jing)下(xia)調整刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)，使修光(guang)刃與其在新加(jia)工(gong)(gong)表(biao)面中(zhong)的(de)鏡(jing)像(xiang)平(ping)行(xing)(xing)。由于平(ping)行(xing)(xing)度要(yao)(yao)求較高，因此必須進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)耐(nai)心(xin)而精細的(de)反復調整。應注意：擰動刀(dao)(dao)(dao)(dao)桿夾緊螺釘時(shi)可能(neng)使刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)產(chan)生(sheng)微小轉動而導致對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)失敗。

由于直(zhi)線(xian)修光刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)對刀(dao)(dao)過程(cheng)費時費力，因此對于一(yi)些精(jing)度要求稍低的(de)鏡(jing)(jing)面切削可采(cai)用(yong)半徑(jing)為(wei)10～30mm的(de)圓弧(hu)(hu)(hu)刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)代替直(zhi)線(xian)修光刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)。這種(zhong)圓弧(hu)(hu)(hu)刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)形狀與隱形眼鏡(jing)(jing)車刀(dao)(dao)類似，只(zhi)是減小(xiao)了(le)后角，增(zeng)(zeng)大了(le)刀(dao)(dao)尖圓弧(hu)(hu)(hu)半徑(jing)。使用(yong)這種(zhong)刀(dao)(dao)具(ju)不但可簡化對刀(dao)(dao)過程(cheng)，而(er)且當(dang)一(yi)段圓弧(hu)(hu)(hu)磨損后，稍微(wei)轉(zhuan)動刀(dao)(dao)具(ju)后還可使用(yong)另一(yi)段新圓弧(hu)(hu)(hu)，從而(er)增(zeng)(zeng)加了(le)刀(dao)(dao)具(ju)壽命。高精(jing)度的(de)單晶金剛石圓弧(hu)(hu)(hu)刀(dao)(dao)具(ju)也是加工凹面反射(she)鏡(jing)(jing)的(de)必備刀(dao)(dao)具(ju)