【金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)刀(dao)具】金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)刀(dao)具的設(she)計(ji)要點 金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)刀(dao)具設(she)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(ju)切(qie)削銑削車削機床測(ce)量

金剛(gang)(gang)(gang)石(shi)是單一(yi)碳原子的(de)結晶(jing)(jing)體(ti),其晶(jing)(jing)體(ti)結構屬原子密度最高(gao)的(de)等軸面心立方晶(jing)(jing)系(xi)。金剛(gang)(gang)(gang)石(shi)晶(jing)(jing)體(ti)中碳原子間的(de)連接(jie)鍵(jian)為sp3雜化共價鍵(jian)，具有極強的(de)結合力、穩定(ding)(ding)性和方向(xiang)性。金剛(gang)(gang)(gang)石(shi)獨特的(de)晶(jing)(jing)體(ti)結構使其具有自然界最高(gao)的(de)硬度、剛(gang)(gang)(gang)性、折射(she)率和導熱(re)系(xi)數(shu)，以及極高(gao)的(de)抗磨損性、抗腐蝕性及化學穩定(ding)(ding)性。

單晶(jing)金剛石(shi)的(de)優(you)良(liang)特性(xing)可以滿足精(jing)(jing)密及超精(jing)(jing)密切削(xue)對刀(dao)具(ju)(ju)(ju)材料的(de)大多數(shu)(shu)要求(qiu)，是(shi)理想(xiang)的(de)精(jing)(jing)密切削(xue)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)材料。金剛石(shi)無內(nei)部晶(jing)界的(de)均勻晶(jing)體結構使刀(dao)具(ju)(ju)(ju)刃口在理論(lun)上(shang)可以達到(dao)原子級的(de)平直度與鋒利度，切削(xue)時切薄能(neng)(neng)力強(qiang)、精(jing)(jing)度高、切削(xue)力小；其高硬(ying)度及良(liang)好(hao)的(de)抗磨損(sun)性(xing)、抗腐蝕性(xing)和化學(xue)穩定性(xing)可保證(zheng)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)具(ju)(ju)(ju)有超長(chang)壽命，從而能(neng)(neng)進行長(chang)時間的(de)持續切削(xue)，并可減小因刀(dao)具(ju)(ju)(ju)磨損(sun)對零(ling)件精(jing)(jing)度的(de)影響；其高導(dao)熱系數(shu)(shu)可降低切削(xue)溫度和零(ling)件的(de)熱變形。

單(dan)晶(jing)金(jin)剛(gang)石刀(dao)具在機(ji)(ji)械加工(gong)(gong)領域具有重要地位(wei)，廣泛應用(yong)(yong)于諸如反射鏡、導彈和火(huo)箭(jian)的(de)導航(hang)陀(tuo)螺、計算機(ji)(ji)硬盤基(ji)片(pian)、加速器(qi)電子槍等超精密鏡面零件(jian)的(de)加工(gong)(gong)。單(dan)晶(jing)金(jin)剛(gang)石還可用(yong)(yong)于制造眼(yan)科、腦外科手(shou)(shou)術(shu)刀(dao)、超薄(bo)生物切(qie)片(pian)刀(dao)等醫用(yong)(yong)刀(dao)具。此外，單(dan)晶(jing)金(jin)剛(gang)石刀(dao)具在民用(yong)(yong)產品加工(gong)(gong)中的(de)應用(yong)(yong)也(ye)日趨(qu)廣泛，從手(shou)(shou)表零件(jian)、鋁活塞、首(shou)飾等的(de)加工(gong)(gong)到制筆、高光標牌及有色(se)金(jin)屬鏡面裝飾零件(jian)的(de)加工(gong)(gong)，其應用(yong)(yong)已進入機(ji)(ji)械加工(gong)(gong)的(de)多(duo)種領域。

金剛石刀具設計與應用

1、單晶金剛石刀具鏡面加工機理

切削加工后的(de)殘留面積高度(du)h=f/(ctgkr+ctgkr')即(ji)為已加工表面的(de)理論粗糙度(du)值，它隨進給(gei)量f、刀具(ju)主偏角(jiao)kr和副(fu)偏角(jiao)kr'的(de)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)而減(jian)(jian)(jian)小(xiao)。由(you)于(yu)主偏角(jiao)kr的(de)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)會使Fy力(li)迅速(su)增大而引起刀具(ju)振動，減(jian)(jian)(jian)小(xiao)進給(gei)量f則(ze)會影響切削效率，所以(yi)一般通過(guo)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)副(fu)偏角(jiao)kr'來降低表面粗糙度(du)值。

常規(gui)切(qie)削用刀具(ju)表面(mian)(mian)(mian)較粗糙(cao)，刀刃平整性差，若選用的(de)(de)副(fu)偏角(jiao)過小，一(yi)(yi)方(fang)面(mian)(mian)(mian)副(fu)切(qie)削刃的(de)(de)不平整會(hui)復映(ying)到已(yi)(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)上；另一(yi)(yi)方(fang)面(mian)(mian)(mian)還會(hui)加(jia)劇副(fu)后(hou)刀面(mian)(mian)(mian)與已(yi)(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)摩擦，將(jiang)已(yi)(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)“拉毛”。所以在(zai)常規(gui)切(qie)削中，副(fu)偏角(jiao)約為2°時加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度值最小，進一(yi)(yi)步減小副(fu)偏角(jiao)則會(hui)使已(yi)(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)質量惡化(hua)。

單晶金剛(gang)石刀具的(de)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值(zhi)可(ke)小于Ra0.01μm，刀刃質量(liang)至少可(ke)達(da)到(dao)(dao)在(zai)100倍顯微鏡(jing)下(xia)觀(guan)察(cha)無缺陷(xian)，加(jia)之摩擦(ca)系數(shu)極小，所以其副偏角極限值(zhi)可(ke)減小至0～2'，從而可(ke)使加(jia)工(gong)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)理(li)論值(zhi)接近或(huo)等于零，實際表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值(zhi)可(ke)達(da)到(dao)(dao)鏡(jing)面(mian)或(huo)超光滑(hua)表(biao)(biao)面(mian)的(de)要求。

由此可(ke)見，就刀具本身而言，單晶(jing)金剛石(shi)刀具的(de)(de)鏡面加工(gong)機理是通過刀具的(de)(de)超光潔(jie)表面和無缺(que)陷的(de)(de)副(fu)切(qie)削刃(修光刃)的(de)(de)作用，使加工(gong)表面粗糙(cao)度理論值接(jie)近于零來(lai)獲(huo)得鏡面加工(gong)效果(guo)。

2、單晶金剛石刀具的設計

設計單晶(jing)金(jin)剛石(shi)刀具時需要(yao)考慮(lv)的主要(yao)因素有：①被加工零件精度要(yao)求；②實(shi)際(ji)加工條件；③金(jin)剛石(shi)材(cai)料的特性。

設計單(dan)(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)(shi)刀(dao)具(ju)時，應遵(zun)循以下原則：①由(you)于單(dan)(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)(shi)硬度(du)高、加(jia)工(gong)困難，因此刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)形狀(zhuang)應盡可能簡單(dan)(dan)；②根據(ju)單(dan)(dan)晶(jing)金(jin)剛石(shi)(shi)脆性大、抗(kang)沖擊能力(li)(li)差的(de)(de)(de)特點，應結合實際加(jia)工(gong)條件(jian)，通過對刀(dao)具(ju)幾何形狀(zhuang)的(de)(de)(de)優化，提高刀(dao)頭(tou)的(de)(de)(de)抗(kang)沖擊能力(li)(li)；③根據(ju)被加(jia)工(gong)零件(jian)的(de)(de)(de)精度(du)要求(qiu)設計修光刃長度(du)，同時應考慮刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)切薄能力(li)(li)。

下面(mian)以幾種(zhong)常用刀具為例，討論(lun)單晶金剛石刀具的設計方案(an)。

計算機硬盤基(ji)片用于信(xin)息(xi)的(de)存儲(chu)，其材料為鋁或鋁合金，基(ji)片表(biao)(biao)面粗糙度(du)值(zhi)越(yue)低(di)(di)，存儲(chu)密度(du)越(yue)大，因(yin)此降低(di)(di)其加工表(biao)(biao)面粗糙度(du)值(zhi)十分關鍵。同時由(you)于基(ji)片厚度(du)小于0.9mm，為防止其變形(xing)，應(ying)盡量減小加工時的(de)切削力和擠(ji)壓。

硬(ying)盤(pan)基(ji)片的切(qie)削(xue)采用具有良好(hao)剛性和(he)穩定(ding)性的超高精度(du)(du)磁(ci)盤(pan)車(che)床。切(qie)削(xue)深度(du)(du)約為0.01～0.02mm,進給量約為0.5mm。

硬盤基片單(dan)晶金剛石(shi)車刀的(de)刀頭(tou)形狀如圖1所示。刀頭(tou)有兩個主切削刃，加(jia)(jia)工時可以(yi)左右進(jin)刀。較長的(de)修(xiu)光刃可保證左右兩個方向加(jia)(jia)工時修(xiu)光刃后(hou)刀面(mian)(mian)的(de)磨損(sun)不會(hui)互相干涉。兩個主前刀面(mian)(mian)在(zai)進(jin)給方向下傾5°，從(cong)而得到約2.5°的(de)負前角，使切屑(xie)流向待加(jia)(jia)工表(biao)面(mian)(mian)，以(yi)避免切屑(xie)劃傷已(yi)加(jia)(jia)工表(biao)面(mian)(mian)。金剛石(shi)車刀非常鋒利，刀刃圓弧(hu)半徑小于100nm，5°的(de)后(hou)角已(yi)可充(chong)分減(jian)小后(hou)刀面(mian)(mian)與已(yi)加(jia)(jia)工表(biao)面(mian)(mian)的(de)擠壓(ya)和(he)摩(mo)擦。

該(gai)刀(dao)具的(de)關鍵質(zhi)量要求是刀(dao)刃(ren)及刀(dao)尖在500倍顯(xian)微鏡下觀察(cha)無缺陷。其(qi)設計原則同樣適用于其(qi)它超(chao)精(jing)密鏡面加(jia)工(gong)刀(dao)具。

首飾批花刀

首(shou)飾批(pi)花刀(dao)(dao)(dao)(dao)用于(yu)在金、銀首(shou)飾上銑(xian)削(xue)出(chu)樹葉形(xing)的(de)花紋圖案，實際上是一種(zhong)成型(xing)銑(xian)刀(dao)(dao)(dao)(dao)，其刀(dao)(dao)(dao)(dao)頭形(xing)狀如圖2所(suo)示。刀(dao)(dao)(dao)(dao)尖角在110°～150°之(zhi)間，以適應不同大小及深度(du)的(de)花紋加(jia)(jia)工。由于(yu)批(pi)花機床結構簡單、剛性差、振(zhen)動大，加(jia)(jia)之(zhi)采用斷續干切削(xue)，加(jia)(jia)工條(tiao)件很差，因(yin)此批(pi)花刀(dao)(dao)(dao)(dao)刀(dao)(dao)(dao)(dao)頭需要(yao)具(ju)(ju)有(you)較強的(de)抗沖擊能(neng)力。5°的(de)負前(qian)角和1°～1.5°的(de)后角可有(you)效增加(jia)(jia)刀(dao)(dao)(dao)(dao)刃強度(du)，同時較小的(de)后角還可使刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)與工件之(zhi)間適當擠(ji)靠，使切削(xue)不至(zhi)于(yu)“發虛”，防止切削(xue)振(zhen)動在已加(jia)(jia)工表面形(xing)成“振(zhen)紋”。

首飾(shi)批花刀與加工表殼及(ji)一些高光裝飾(shi)零(ling)件用刀具(ju)的設計(ji)原則大致相同，該類刀具(ju)要求刀刃在200～500倍(bei)顯微鏡下觀察無崩(beng)口。

隱形眼鏡車刀

隱形眼鏡所(suo)用(yong)材料(liao)非常柔軟，且有一定的抗(kang)拉強度，一般材料(liao)刀(dao)具(ju)由于(yu)刀(dao)刃(ren)(ren)圓(yuan)弧過大，很難對其進行切削(xue)(xue)加工(gong)。由于(yu)車削(xue)(xue)加工(gong)后(hou)還有一道(dao)研磨(mo)工(gong)序(xu)，因此車削(xue)(xue)加工(gong)的表面粗糙度只要(yao)(yao)求(qiu)達到Ra0.1μm，車削(xue)(xue)加工(gong)的主要(yao)(yao)目的是(shi)得到具(ju)有一定形狀精度的凹(ao)凸圓(yuan)弧面，對刀(dao)具(ju)的主要(yao)(yao)要(yao)(yao)求(qiu)是(shi)刀(dao)刃(ren)(ren)的鋒利性。隱形眼鏡車刀(dao)的刀(dao)頭形狀如圖3所(suo)示。為滿足切削(xue)(xue)凹(ao)圓(yuan)弧面的需(xu)要(yao)(yao)，采用(yong)15°的后(hou)角，要(yao)(yao)求(qiu)刀(dao)刃(ren)(ren)在100倍顯微鏡下觀(guan)察無崩口。

3、單晶金剛石刀具的使用與維護

單晶(jing)金剛(gang)石刀具(ju)脆性大，加(jia)之刀刃(ren)非(fei)常鋒利，受到沖擊時容易產生崩刃(ren)，因此應盡可能在平穩、無振動的(de)(de)工(gong)作條件下使(shi)用；同時還(huan)應盡可能提高工(gong)件和刀具(ju)的(de)(de)裝卡剛(gang)性及整個系(xi)統(tong)的(de)(de)剛(gang)性，增加(jia)其抗振能力。切削用量以不超過0.1mm為(wei)宜。

較高的切(qie)(qie)(qie)削速(su)(su)(su)度可(ke)減(jian)小切(qie)(qie)(qie)削力，而(er)(er)低速(su)(su)(su)切(qie)(qie)(qie)削則會增(zeng)大切(qie)(qie)(qie)削力，從而(er)(er)加速(su)(su)(su)刀具崩(beng)刃(ren)失效，因此采(cai)用金(jin)剛石刀具加工時切(qie)(qie)(qie)削速(su)(su)(su)度不宜過低。

應避免在(zai)靜止(zhi)(zhi)狀態下使金(jin)剛石刀(dao)(dao)具與工件或(huo)其它(ta)硬物(wu)接觸，以防止(zhi)(zhi)碰傷(shang)刀(dao)(dao)具刃口。操(cao)作人員的(de)指(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)甲(jia)和(he)指(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)紋中容易夾帶砂粒等硬質物(wu)，用(yong)指(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)甲(jia)或(huo)手指(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)直接刮擦(ca)刀(dao)(dao)刃也(ye)可能損壞金(jin)剛石刀(dao)(dao)刃。金(jin)剛石刀(dao)(dao)具的(de)檢測(ce)和(he)調(diao)刀(dao)(dao)應采(cai)用(yong)光學儀器等非接觸式測(ce)量方法。

應采用(yong)脫脂(zhi)棉加適量(liang)酒(jiu)精或(huo)丙酮清(qing)洗金剛石刀(dao)具(ju)。刀(dao)具(ju)不使(shi)用(yong)時(shi)應套上(shang)橡膠或(huo)塑料保護(hu)套，并放置于(yu)單(dan)獨的刀(dao)盒中。

使(shi)用直線修光(guang)刃(ren)金剛石刀(dao)(dao)(dao)具(ju)進(jin)行(xing)鏡面(mian)(mian)切(qie)削時，要求副偏角小(xiao)(xiao)于幾分，而刀(dao)(dao)(dao)具(ju)在安裝(zhuang)過程中可(ke)能產(chan)生達1°的安裝(zhuang)誤差，所以加工(gong)前(qian)需要對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)進(jin)行(xing)對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)，通過調(diao)(diao)整(zheng)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)修光(guang)刃(ren)與進(jin)給方(fang)向的平行(xing)度，以獲得最佳的加工(gong)表面(mian)(mian)粗糙度。對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)方(fang)法如下(xia)：首先在工(gong)件上加工(gong)出一小(xiao)(xiao)段表面(mian)(mian)，然后(hou)在10～30倍顯微鏡下(xia)調(diao)(diao)整(zheng)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)，使(shi)修光(guang)刃(ren)與其在新(xin)加工(gong)表面(mian)(mian)中的鏡像平行(xing)。由于平行(xing)度要求較高，因(yin)此必須進(jin)行(xing)耐(nai)心而精細的反(fan)復(fu)調(diao)(diao)整(zheng)。應注意：擰動刀(dao)(dao)(dao)桿夾緊螺釘時可(ke)能使(shi)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)產(chan)生微小(xiao)(xiao)轉(zhuan)動而導致對(dui)(dui)刀(dao)(dao)(dao)失敗。

由于直(zhi)線修光刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)對刀(dao)(dao)過程費(fei)時費(fei)力，因此對于一(yi)些精度要(yao)求稍(shao)低的(de)(de)(de)鏡面切削可(ke)(ke)采用半(ban)徑(jing)為10～30mm的(de)(de)(de)圓弧(hu)刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)代(dai)替(ti)直(zhi)線修光刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)。這(zhe)種(zhong)圓弧(hu)刃(ren)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)形(xing)狀與(yu)隱(yin)形(xing)眼鏡車(che)刀(dao)(dao)類似(si)，只是減(jian)小了(le)后(hou)角(jiao)，增大了(le)刀(dao)(dao)尖圓弧(hu)半(ban)徑(jing)。使(shi)(shi)用這(zhe)種(zhong)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)不但可(ke)(ke)簡化對刀(dao)(dao)過程，而且當一(yi)段圓弧(hu)磨(mo)損后(hou)，稍(shao)微轉動刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)后(hou)還可(ke)(ke)使(shi)(shi)用另一(yi)段新圓弧(hu)，從而增加(jia)(jia)了(le)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)壽命(ming)。高精度的(de)(de)(de)單晶金剛石圓弧(hu)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)也是加(jia)(jia)工凹面反射鏡的(de)(de)(de)必備刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)