因?yàn)榻饎偸毒呔哂杏捕雀?、耐磨性好、熱?dǎo)率大、沖突系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)慵懶強(qiáng)等特性，以及經(jīng)過仔細(xì)刃磨后能得到十分尖利的刃口，因而能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造范疇中有色金屬和非金屬資料的精細(xì)和超精細(xì)切削加工。彈性磨塊綜述了單晶和聚晶金剛石刀具制造的最要害技能。
一、 前語
跟著我國(guó)汽車、摩托車、航空航天、計(jì)算機(jī)、核工程、IT、醫(yī)療器械、精細(xì)儀器等職業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床和加工基地機(jī)床的遍及運(yùn)用，對(duì)零件的切削加工精度、尺度一致性、切削牢靠性、出產(chǎn)功率和刀具壽數(shù)的請(qǐng)求越來越高。因?yàn)榻饎偸W(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等很多的優(yōu)良功能于一身，具有高的硬度和耐磨性，沖突系數(shù)小、導(dǎo)熱性高、熱膨脹系數(shù)和化學(xué)慵懶低，所以是制造現(xiàn)代高速切削刀具的抱負(fù)資料。因而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造范疇的有色金屬和非金屬資料的精細(xì)和超精細(xì)切削加工。這篇文章對(duì)單晶和聚晶金剛石刀具制造的最要害技能作一概述。
二、 單晶金剛石刀具制造的要害技能
因?yàn)閱尉Ы饎偸飨虍愋?，在不一樣晶面及不一樣方向上功能差異很大，?zhǔn)確的選料和定向不僅可簡(jiǎn)化加工技能，下降制造本錢，而且還可前進(jìn)刀具刃口質(zhì)量和運(yùn)用壽數(shù)，充分發(fā)揮金剛石刀具的優(yōu)良功能。
1.單晶金剛石的選料
依據(jù)金剛石晶體中所含的雜質(zhì)可分為Ia型、Ib型、IIa型和IIb型四類。通常按金剛石晶體的顆粒巨細(xì)（分量）、形狀、完好程度、透明度、裂紋、包裹體的多少、色彩及其均勻程度作為鑒定金剛石品質(zhì)凹凸的依據(jù)。切削刀具用金剛石的質(zhì)量請(qǐng)求為：晶體完好、形狀為十二面體、弧形八面體或過渡形晶體，晶體直徑通常不小于4mm,色彩為無色、淺綠、黃棕色等，不允許有裂紋，晶體外表可允許有不大于0.5mm的包裹體和蝕坑，分量為0.7～3克拉。關(guān)于精度請(qǐng)求高的眼科、腦外科手術(shù)刀、激光反射鏡等超精細(xì)加工刀具，則要從拉絲模I級(jí)乃至寶石級(jí)原石中選料，最后用偏光顯微鏡或更精細(xì)的儀器選出內(nèi)應(yīng)力小的金剛石作為刀具坯料。
人工組成單晶金剛石屬Ib型，因?yàn)槠渚Ц裰械泳鶆蛑脫Q了碳原子，減少了氮原子聚集在刃口構(gòu)成細(xì)小崩口的也許性，而且因?yàn)榫Ц窬鶆蚧?，硬度略高?單晶金剛石。另外因增加了去掉內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)化技能，使之切削功能更為安穩(wěn)、牢靠、離散性更小，出廠時(shí)其晶軸方向已準(zhǔn)確斷定，所以更適宜于切削刀具的制造。缺點(diǎn)是Ib型人工單晶的脆性較大，加工較 單晶更為艱難，需求選用精細(xì)的刃磨辦法才干取得高質(zhì)量的刃口。
2.單晶金剛石的定向
對(duì) 單晶金剛石定向的意圖不僅是要使刀具具有最長(zhǎng)壽數(shù)，而且請(qǐng)求后刀面與已加工外表的沖突及刃口鄰近解理面的應(yīng)力最小。單晶金剛石刀具定向應(yīng)包括前、后刀面置于的晶面和晶體生長(zhǎng)的晶軸方向二個(gè)方面。研討標(biāo)明，刀具的定向計(jì)劃與其在切削進(jìn)程中的磨損機(jī)理有關(guān)。金剛石刀具的磨損是一個(gè)十分復(fù)雜的物理與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，不一樣加工條件和不一樣加工工件資料，其磨損方法及其所占份額也會(huì)不一樣，磨損速度取決于金剛石在不一樣資猜中的溶解率。磨損方法有機(jī)械磨損、熱化學(xué)磨損和細(xì)小崩口等。通常前、后刀面都定在（110，100）或（100，100）晶面上，（111）晶面的任何方向均不易磨削，應(yīng)予避開。
晶體定向的辦法可分為儀器（例如X射線衍射分析儀）定向和人工目測(cè)定向。儀器定向精度高，但價(jià)格昂貴。人工目測(cè)定向是依據(jù)原子晶面的數(shù)目及相對(duì)方位來斷定晶體的晶軸方位與方向。例如八面體晶體，經(jīng)過三對(duì)對(duì)稱極點(diǎn)銜接而成的三條彼此筆直的直線即為晶體的X、Y、Z軸線。八面體的晶面即為（111）面，筆直于軸線磨去其極點(diǎn)得到八個(gè)正方形即為（100）面；與交成其棱邊的兩個(gè)面等視點(diǎn)地磨去棱邊，即可得（110）面。
3.單晶金剛石的焊接
因?yàn)榻饎偸哂懈叩慕缑婺?，焊接功能極差。用機(jī)械夾持或鑲嵌釬焊的辦法固定金剛石一直是傳統(tǒng)的加工辦法，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)仍有適當(dāng)一有些企業(yè)沿用這種簡(jiǎn)便辦法制造金剛石刀具。因?yàn)檫@種辦法夾持金剛石的結(jié)實(shí)性差，刀刃極簡(jiǎn)略在切削中發(fā)作不易發(fā)覺的細(xì)小位移和振蕩，所以不也許滿意超精細(xì)鏡面切削加工的需求。因而，上世紀(jì)七十年代未發(fā)現(xiàn)釬焊金剛石的特定條件（高真空環(huán)境）和釬焊合金（以鈦為活性元素的銀基合金）是金剛石刀具制造技能最重要的打破之一。相隔10年后面世的慵懶氣體維護(hù)下釬焊技能（德國(guó)Kesel公司Brazing Unit DLA2500）和近年研制的金剛石外表金屬化釬焊技能是這一要害技能前進(jìn)的又一象征。
4.單晶金剛石的刃磨
現(xiàn)在，單晶金剛石刀具的刃磨可分為機(jī)械研磨和非純機(jī)械研磨二種辦法。
單晶金剛石的機(jī)械研磨是在直徑為300mm的鑄鐵研磨盤上進(jìn)行。研磨盤由資料安排中孔隙的形狀、巨細(xì)和份額均經(jīng)過優(yōu)化的高磷鑄鐵制成。研磨盤的外表鑲嵌有金剛石研磨粉，其顆粒直徑可從小于1μm直到40μm。粗顆粒研磨功率高，但研磨質(zhì)量差，只能用于粗磨。精磨則選用尺度小于1μm的微粉。研磨前，首先將金剛石粉與橄欖油或其它相似物質(zhì)混組成研磨膏，然后涂敷在研磨盤外表，再用一較大的金剛石在研磨盤外表上進(jìn)行預(yù)研磨。研討標(biāo)明，研磨粉的粒度、研磨盤外表狀況、研磨的方向視點(diǎn)、研磨盤的端跳和研磨機(jī)床的振蕩等對(duì)研磨刀刃的質(zhì)量有很大影響。機(jī)械研磨因?yàn)榫€速度高、有些壓力大、對(duì)刀具外表及刃口沖擊十分激烈，不可避免地會(huì)致使刀具外表發(fā)作細(xì)小溝紋和較厚的研磨蛻變層，而且刀刃鋸齒度相對(duì)較大，從而不能滿意請(qǐng)求尖利度十分高的超精細(xì)切削刀具的需求。實(shí)踐標(biāo)明，選用機(jī)械研磨得到的金剛石外表粗糙度極限值為10nm，刀刃鋸齒度達(dá)幾十個(gè)nm,外表加工蛻變層厚度約為200nm。
關(guān)于加工精度請(qǐng)求十分高的金剛石刀具，傳統(tǒng)機(jī)械研磨的辦法受到了極大的束縛。例如：高精度輪廓儀、隧道掃描顯微鏡和原子力顯微鏡上的金剛石探針的前端球面，其球面半徑僅1～2μm，精度差錯(cuò)請(qǐng)求小于0.1μm；又如加工光通信光柵外表的微細(xì)溝紋的刀具請(qǐng)求刀尖圓弧半徑不大于0.1μm～0.3μm，尺度形狀適當(dāng)高等等。為此，除了在原機(jī)械研磨基礎(chǔ)上選用空氣靜壓軸承的高精度研磨盤外，近年國(guó)內(nèi)外專家研制了各種新的研磨辦法。
離子束濺蝕法是運(yùn)用高能離子的炮擊效果直接對(duì)被加工的金剛石刀具的刃口進(jìn)行物理濺蝕，以完成原子級(jí)的微細(xì)加工。其加工功率及刃口質(zhì)量與離子束能量、刀具外表的電流密度及離子束相關(guān)于刀具外表的夾角有關(guān)。離子束濺蝕法最適用于加工尺度小于1μm的細(xì)小金剛石刀具，并可到達(dá)很高的形狀精度。
?。?）真空等離子化學(xué)拋光法
真空等離子化學(xué)拋光法的加工原理，滾動(dòng)的磨盤被中心的高真空區(qū)分為左、右兩有些。左面為堆積區(qū)，在磨盤外表涂上一層細(xì)晶粒氧化硅；右邊為研磨區(qū)，金剛石外表處于活化狀況的碳原子經(jīng)過與磨盤上的氧化硅發(fā)作分子級(jí)化學(xué)反應(yīng)而起到研磨刀具刃口的效果。反應(yīng)生成的一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w被真空泵抽出。該辦法的研磨速度為1～3000μm3/ｓ，約每秒0.25～750個(gè)原子層，可研磨出高的刃口質(zhì)量。該辦法最早被美國(guó)刀刃技能公司用于研磨超精細(xì)金剛石鏡面切削刀具，廣泛用于加工各種納米級(jí)精度的超精外表。
?。?）無損傷機(jī)械化學(xué)拋光法
該辦法是在溶液中參加適當(dāng)?shù)慕饎偸⒎酆透w細(xì)（達(dá)納米級(jí)）的硅粉，帶強(qiáng)負(fù)靜電的纖細(xì)硅粉會(huì)吸附在粒度大得多的單個(gè)金剛石微粒上構(gòu)成具有硅吸附層的金剛石磨料，然后將其涂敷在多孔的鑄鐵磨盤上對(duì)被加工金剛石進(jìn)行研磨。該辦法的磨削功率十分低，僅為每分鐘一個(gè)原子層，但刃口質(zhì)量十分好。
?。?）熱化學(xué)拋光法
在溫度為800℃時(shí)，若使金剛石外表與鐵觸摸，金剛石晶體中的碳原子能夠脫節(jié)自身晶格的束縛，分散到鐵晶體晶格中去。熱化學(xué)拋光法便是運(yùn)用此機(jī)理對(duì)金剛石外表進(jìn)行研磨加工。該辦法的磨削功率為每秒40～2000個(gè)原子層。
用上述四種新的研磨辦法均可使金剛石外表反常潤(rùn)滑，其外表粗糙度可達(dá)1nm，刀刃十分尖利（ρ≤0.1μm）和金剛石刀具的蛻變層較淺；缺點(diǎn)是研磨功率較低，適宜于精研后的超精研磨加工。
5.單晶金剛石刀具的規(guī)劃
單晶金剛石刀具規(guī)劃時(shí)首要依據(jù)被加工零件的精度請(qǐng)求、實(shí)踐加工條件和金剛石資料的特性來歸納規(guī)劃刀具幾許參數(shù)。規(guī)劃時(shí)應(yīng)遵從下列準(zhǔn)則：①因?yàn)閱尉Ы饎偸捕雀撸庸てD難，刀具幾許形狀盡也許簡(jiǎn)略。②依據(jù)單晶金剛石脆性大、抗沖擊才能差的特色，應(yīng)聯(lián)系加工條件盡量?jī)?yōu)化幾許形狀參數(shù)，前進(jìn)刀頭的抗沖擊才能。③依據(jù)被切削零件的精度請(qǐng)求規(guī)劃合理的修光刃長(zhǎng)度，一起思考刀具刃口的切薄才能，修光刃應(yīng)在≥500倍的高倍顯微鏡下檢測(cè)時(shí)無缺點(diǎn)。
三、 聚晶金剛石刀具制造的要害技能
聚晶金剛石刀具的要害制造技能是刃磨技能，因?yàn)榫劬Ы饎偸≒CD）具有挨近單晶金剛石的硬度與耐磨性，使刀具的刃磨適當(dāng)艱難，首要體現(xiàn)在資料磨除率小，砂輪損耗大，刃磨功率低與刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨技能艱難性已成為其推廣應(yīng)用的妨礙之一，為了打破這一瓶頸，國(guó)內(nèi)外專家作了很多研討開發(fā)作業(yè)?？墒瞧駷橹梗魏蜳CD刀具的刃磨技能都無法加工出ρ≤1μm的鋒銳刃口，因而難以到達(dá)超精細(xì)鏡面切削加工的請(qǐng)求。長(zhǎng)處是制造本錢可大大低于單晶金剛石刀具。
PCD刀具的首要刃磨辦法現(xiàn)在用得最多的是放電刃磨(EDG)和金剛石砂輪機(jī)械刃磨。
1.放電刃磨
?。?）放電刃磨的機(jī)理
放電刃磨是經(jīng)過在電介質(zhì)別離的砂輪電極與刀具電極間放電發(fā)作瞬時(shí)高溫，將PCD資猜中的金屬相熔化和氣化，一起也可將有些金剛石晶體中的碳原子從晶格中轟逸。刃磨PCD刀具時(shí)，因?yàn)榻饎偸粚?dǎo)電，所以刀具電極即為PCD中的金屬相構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由此可見放電刃磨本質(zhì)是熱蝕加工進(jìn)程。因?yàn)榉烹娙心サ臏囟人矔r(shí)可高達(dá)8000～12000℃，因而PCD刀具刃磨時(shí)也許致使金剛石周邊晶體的熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質(zhì)合金基體的界面處腐蝕速度更快，這是放電刃磨的首要缺點(diǎn)。因?yàn)榉烹娙心ナ且环N非觸摸刃磨進(jìn)程，磨削力小到可忽略不計(jì)，故刃磨功率很高。
（2）放電刃磨的設(shè)備
放電刃磨時(shí)，通常選用碳?xì)浠衔镒鳛樯拜嗠姌O與刀具電極間的電介質(zhì)，作業(yè)電壓通常為直流80～200V，砂輪電極選用銅、鎢、石墨等導(dǎo)電資料。依據(jù)刃磨時(shí)的方位，放電刃磨可分為圓周（線）放電刃磨和端面（輪）放電刃磨。在端面放電刃磨中，砂輪旋轉(zhuǎn)還需擺布搖擺。脈沖電源是影響刃磨功率和刃磨質(zhì)量的要害設(shè)備。德國(guó)Vollmer公司的七軸數(shù)控六軸聯(lián)動(dòng)的QWD760即是圓周放電刃磨機(jī)床，能夠加工各種形狀曲面的PCD刀刃；QM110則是端面放電刃磨機(jī)床。
國(guó)外專家對(duì)PCD放電刃磨技能作了很多的實(shí)驗(yàn)研討，英國(guó)專家T.B.Thoe等人得到下列定論：
?、?、 關(guān)于細(xì)晶粒PCD刀具，端面放電刃磨可取得較好刃口質(zhì)量；關(guān)于粗晶粒PCD刀具，圓周放電刃磨可取得較好刃口質(zhì)量。
②、 增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，但一起會(huì)致使PCD刀具外表發(fā)作更深更寬的裂紋。
?、?、 細(xì)晶粒PCD簡(jiǎn)略放電，砂輪電極磨損量小，放電中掉落的晶粒均勻尺度等于晶粒尺度，故刃口質(zhì)量較好。
?、?、 粗晶粒PCD與硬質(zhì)合金接壤面的腐蝕程度較大。
另外，德國(guó)專家E.Beck等人認(rèn)為：脈沖電源及刃磨技能進(jìn)程對(duì)放電刃磨的質(zhì)量有較大影響。
2.金剛石砂輪機(jī)械刃磨
金剛石砂輪機(jī)械刃磨是現(xiàn)在運(yùn)用最廣泛的PCD刀具刃磨辦法，與放電刃磨比較，其刃磨功率較低（磨除率約為1.5mm3/mｉｎ），加工本錢較高，但可取得良好的刃口質(zhì)量和完好光亮的刀面。
?。?）刃磨機(jī)理
金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD刀具的機(jī)理比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)此進(jìn)行了很多研討。經(jīng)過對(duì)刃磨后的PCD刀具用掃描電子顯微鏡（SEM）調(diào)查其外表的微觀形貌后得出定論：金剛石砂輪在磨削PCD刀具的進(jìn)程中發(fā)作了刻劃和滑動(dòng)、沖突和揉捏、化學(xué)反應(yīng)和細(xì)小散裂。當(dāng)砂輪與PCD觸摸的剎那間，磨削力俄然增大，劇烈的機(jī)械沖擊易使外表發(fā)作細(xì)小裂紋，只有當(dāng)磨削深度和磨削壓力較大時(shí)才會(huì)發(fā)作PCD碎片脫落。當(dāng)進(jìn)入安穩(wěn)磨削期間，因?yàn)樯拜喌慕饎偸チ２粩嘣赑CD外表上進(jìn)行刻劃、揉捏和沖突，當(dāng)壓力到達(dá)定程度時(shí)，PCD外表上的前期細(xì)小裂紋越來越大，直至脫落。當(dāng)磨削繼續(xù)進(jìn)行，磨粒鈍化使磨削溫度到達(dá)金剛石石墨化臨界值時(shí)，PCD會(huì)發(fā)作石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。因而，機(jī)械刃磨PCD刀具的去掉資料方法首要是刻劃、沖突、化學(xué)反應(yīng)和細(xì)小片狀脫落。
（2）機(jī)械刃磨設(shè)備
PCD資料的特性決議了對(duì)PCD刀具刃磨機(jī)床的請(qǐng)求不一樣于一般東西磨床，即請(qǐng)求：①砂輪主軸和反轉(zhuǎn)作業(yè)臺(tái)以及機(jī)床全體具有很高的剛性和安穩(wěn)性，以堅(jiān)持刃磨時(shí)砂輪對(duì)PCD資料的穩(wěn)定壓力，彈性變形減小到起碼；②砂輪架可作橫向搖擺，以保證砂輪端面磨損均勻，砂輪架的搖擺頻率和搖擺幅度可調(diào)；③機(jī)床上應(yīng)配置光學(xué)投影裝置和高精度反轉(zhuǎn)作業(yè)臺(tái)，完成在機(jī)測(cè)量刀尖圓弧R和視點(diǎn)；④機(jī)床作業(yè)臺(tái)面和反轉(zhuǎn)作業(yè)臺(tái)直線進(jìn)給數(shù)值由光柵顯示，示值精度達(dá)1μm；⑤選用特別的專用金剛石砂輪。瑞士EWAG-RS系列和臺(tái)灣遠(yuǎn)山機(jī)械出產(chǎn)的FC-200D/500D能根本滿意PCD刀具機(jī)械刃磨的需求。
3.PCD刀具的規(guī)劃
PCD刀具的規(guī)劃應(yīng)遵從下列準(zhǔn)則：①前角巨細(xì)應(yīng)依據(jù)工件資料的物理力學(xué)特性和刀具制造技能的難易程度來合理挑選；②后角依據(jù)已加工外表質(zhì)量請(qǐng)求的凹凸，特別是外表粗糙度、微觀形狀精度和彈性變形量的巨細(xì)來巧妙合理組合；③刀尖R的巨細(xì)應(yīng)依據(jù)不一樣工件原料、切削加工余量、外表光亮度、切削力巨細(xì)和技能體系剛性來準(zhǔn)確選用；④主偏角應(yīng)依據(jù)技能剛性、切削力巨細(xì)、切削溫度凹凸歸納挑選；⑤刃傾角應(yīng)依據(jù)刀尖強(qiáng)度、排屑方向、刀刃尖利度等準(zhǔn)確規(guī)劃。總歸，PCD刀具幾許參數(shù)的規(guī)劃應(yīng)依據(jù)切削加工請(qǐng)求、工件資料、切削條件和切削用量、制造設(shè)備的精度等歸納思考，終究應(yīng)體現(xiàn)在刀具的刃口既尖利又強(qiáng)固；加工質(zhì)量要好，刀具壽數(shù)要長(zhǎng)。
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