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单晶金刚石刀具刃磨特点的研究

  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。

  表1金刚石的物理性能

  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。

  3.1单晶金刚石刀具的晶面选择

  金刚石晶体属于立方晶系,由于每个晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之间距离的不同,造成天然金刚石晶体的各向异性,因此金刚石不仅各晶面表现的物理机械性能不同、其制造难易程度和使用寿命都不相同,各晶面的微观破损强度也有明显差别。金刚石晶体的微观强度可用Hertz试验法来测定,由于金刚石是典型的脆性材料,其强度数值一般偏差较大,主要依赖于应力分布的形态和分布范围,因此适合用概率论来分析。当作用应力相同时,(110)晶面的破损概率最大,(111)晶面次之,(100)晶面产生破损的概率最小。即在外力作用下,(110)晶面最易破损,(111)晶面次之,(100)最不易破损。尽管(110)晶面的磨削率高于(100)晶面,但实验结果表明,(100)晶面较其它晶面具有更高的抗应力、腐蚀和热退化能力。结合微观强度综合考虑,用(100)面做刀具的前后刀面,容易刃磨出高质量的刀具刃口,不易产生微观崩刃。