4 金刚石刀具切削加工

为什么金刚石刀具中直线刃刀尖精度要高于圆弧刃刀具？ 为什么金刚石刀具中直线刃刀尖精度要高于圆弧刃刀具？ 关于刀尖的精度，一般认为直线刃比圆弧刃优越 ； 原因是刀头加工精度有所不同，直线刃是由平面合成的， 研磨条件好，刀头是在研磨机上涂以金刚石粉末进行研磨，平 面研磨是将被研磨面紧贴在研磨盘上进行；而圆弧面研磨是在 同样的研磨盘上，使圆弧上的一点边接触边移动进行研磨，磨 料游离使研磨条件变坏，造成圆弧面质量下降。另外，从加工 面的粗糙度来说，也是直线刃较好。 当进给量为13m/r时，用圆弧刃可得到Rmax0.01m， 用直线刃可得到Rmax0.004m。
2.金刚石刀具的制造
（1）成形 天然金刚石的标准结晶形是正八面体，但通常多为斜 方十二面体。 由于形状千差万别，金刚石刀头很难加工，天然矿石的 加工成形多采用研磨加工 研磨加工方法，对研磨位置，研磨方向有严 研磨加工 格的限制，刀头通常由于平面组合成形。 近几年来，专用天然金刚石超精密研磨机的发展，使 得加工各种形状的刀形的刀头变得十分简单。
（2）刀具的破损 ）
产生刀具破损的原因： 裂纹 结构缺陷； 切屑流过刀具表面时，循环应力的作用； 刀具表面研磨应力 脆裂 解理 是指矿物被打击时,常沿一定方向有规则地裂开形成光滑平面的性质。 是指矿物被打击时 常沿一定方向有规则地裂开形成光滑平面的性质。 常沿一定方向有规则地裂开形成光滑平面的性质
刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。 刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。
聚晶金刚石刀具
1．聚晶金刚石（PCD）刀具概述 1.1 PCD刀具的发展 金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数 百年历史。 在刀具发展历程中，从十九世纪末到二十世纪中期， 刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬 质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞 典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超 硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代，人们利用高压 合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石 数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩 展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。
κr
（2）金刚石车刀切削部分 前角γ0＝0； 后角α0＝5～8； 主偏角Kr=45。
刃口圆角半径ρ 刃口圆角半径 0和后刀面光洁度对加工质量的影响
研究和试验表明： 刃口圆角半径ρ0和后刀面光洁度是影响工件表面质量的主 要因素。 ρ0＝0.3m，加工铝合金的表面粗糙度Ra达0.025m； ρ0＝0.1m，加工铝合金的表面粗糙度Ra达0.012m；
4. 刀具的耐用度 刀具的耐用度是指刀具由开始切削到磨钝为止的总 切削时间。代表了刀具磨损的快慢程度。 切削时间。代表了刀具磨损的快慢程度。
金刚石刀具用于精密切削加工时， 金刚石刀具用于精密切削加工时，其破损或磨损而不能继续使用的标志是 加工表面粗糙度超过规定值。 加工表面粗糙度超过规定值。 金刚石刀具的耐用度一般用切削路程的长度表示。 金刚石刀具的耐用度一般用切削路程的长度表示。 金刚石刀具拒绝振动和碰撞。 金刚石刀具拒绝振动和碰撞。
刀具磨损对加工质量的影响
刀具的磨损形式在很大程度上取决于工件 工件 材料性质、金刚石特性的利用及其机床的动态 材料性质、金刚石特性的利用 机床的动态 特性。 特性 特别是金刚石的特性和磨损有很大的关系。 合理地使用金刚石刀具，可以在很长的时 间内保持较高的加工质量。
刀具的耐用度
1. 刀具磨损的影响： 刀具磨损到一定程度就不能继续使用， 否则将降低加工零件的尺寸精度和加工表面 质量，同时也增加了刀具的消耗、增加加工 成本。
刀具磨损破损和耐用度
金刚石刀具的磨损、破损 刀具的磨损形式： 机械磨损、粘结磨损、相变磨损、扩散磨损、破损和碳化磨损 机械磨损、粘结磨损、相变磨损、扩散磨损、破损和碳化磨损。 金刚石刀具的磨损形式：机械磨损、破损和碳化磨损。最常见的磨损形式为 机械磨损、破损和碳化磨损 机械磨损 机械磨损、破损 碳化磨损 碳化磨损较少见。 机械磨损、破损，碳化磨损 （1）机械磨损 由于机械摩擦所造成的磨损。 后刀面一般情况是形成阶梯形磨损 阶梯形磨损。 阶梯形磨损 前刀面是由于切屑流过而引起的，产生凹槽形的磨损带 凹槽形的磨损带。 凹槽形的磨损带 金刚石刀具的机械磨损一般很小，磨损后的表面非常平滑，对加工一般不会 显著地影响加工表面质量。 这种机械磨损主要产生在金刚石刀具加工铝、铜尼龙等物质材料。但是在加 工过程中切削过程稳定、没有冲击振动。
(2).金刚石的晶体结构 (2).金刚石的晶体结构 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、 十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3 十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和 六根2次对称轴（ 六根2次对称轴（图7-20）。 20）
刀具磨损过程曲线
3. 磨钝标准 （1）工艺磨损限度 工 工艺磨损限度 工艺磨损限度 工艺磨损限度是根据工件表面粗糙度及尺寸精度的要 求而制定的，当刀具磨损到一定数值时，工件表面粗糙度 增大、尺寸精度下降，并有可能超出所要求的表面粗糙度 及其公差范围。精密加工都采用这种工艺磨损限度。 （2）合理磨损限度 合 合理磨损限度 合理磨损限度 这是合理使用刀具材料的观点出发而制定的磨损限度。 太大和太小都会浪费刀具材料，只有取正常磨损阶段终 了之前的磨损量作为磨损限度才能最经济地使用刀具。
（2）研磨方法 金刚石刀具刃磨 — 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 — 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 — 圆角半径越小越好（理论可达到1nm） 圆角半径越小越好（理论可达到1nm） 金刚石刀具的研磨，采用普通的顶尖式研磨机很难达到 理想的要求，一般用空气轴承的研磨机 空气轴承的研磨机。研磨盘多采用低压 空气轴承的研磨机 烧结工艺而制成的镶嵌的铸铁研磨盘 铸铁研磨盘。 铸铁研磨盘 由于振动小，可达到很低的粗糙度和极小的刃口半径， （3）特殊刀头的形状 小型刀头和全R刀头是属于特殊形状的刀头。另外，还 有直线拟合曲线形状的特殊用途的刀头，要求复杂形状时， 可采用几个刀片组合而成。
2 刀具磨损过程
正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。 正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。若以后 刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图所示，图中大致分三个阶段。 刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图所示，图中大致分三个阶段。初 期磨损阶段(Ⅰ 、正常磨损阶段(Ⅱ 、急剧磨损阶段(Ⅲ 。 期磨损阶段 Ⅰ段)、正常磨损阶段 Ⅱ段)、急剧磨损阶段 Ⅲ段)。
热膨胀系数和化学惰性低。天然金刚石具有无与伦比的硬
度，是精密和超精密加工的一种最佳的切削刀具材料，现在天
然单晶金刚石已经成为精密超精密切削主要刀具。
1. 金刚石刀具的特性
（1） 金刚石的颜色和硬度 有红色 绿色等多种颜色。 红色和绿色 红色 绿色 硬度随颜色不同而不同。茶色最硬、无色和黄色次之。 金刚石还有很高的韧性（与矿物相比较）：黄色天然金刚 石的韧性更好，不易崩刃。 要选用不易崩刃并且易于使用色泽的金刚石刀具。 结论：在难切削材料镜面加工中，几乎都是采用的茶色 茶色的金刚 茶色 石刀头。
金刚石刀具
加工4.5mm陶瓷球
金刚石车床
金刚石车床及其加工照片
第四章 金刚石刀具切削加工
精密超精密切削加工要求刀具能够均匀地去除不大于工件加 工精度且厚度极薄的金属层或非金属层。 工精度且厚度极薄的金属层或非金属层。其加工工具必须具备超 微量的切削特征， 微量切除是精密加工的重要特征之一。 微量的切削特征，即 ： 微量切除是精密加工的重要特征之一。 是精密加工的重要特征之一 金刚石集力学、光学、热学、声学等众多的优异性能于一 力学、光学、热学、 身，具有极高的硬度和耐磨性，摩擦系数小、导热性高、 硬度和耐磨性，摩擦系数小、导热性高、
劈开面
图4-2 （111）面网C原子分布 和解理劈开面
（3） 硬度高 金刚石结晶原子间的结合力非常牢固，其显微硬度值比其 他物质高许多，耐磨性是刚玉磨料的140倍左右。 金刚石的最强结晶位置是（111）面，抛光后的抗拉强度 为400～1000kg/mm2之间。 制作刀具时，尽可能与（111）面平行研磨并形成前刀面。 但与（111）面成平行的研磨会使加工成本过高，通常是 以3左右的倾角进行研磨以形成前刀面和锋利的切削刃。
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金刚石刀头的形状
——条件是：不产生走刀痕迹的形状直线刃和圆弧刃
①直线刃刀头 安装很难，需要有高超的安装技术，有10角度误差就会影响精加工表面的质量， 但是这种刀头的加工表面精度最好。 ②圆弧刃刀头 安装容易，但加工表面精度稍差一点， 因此最好采用能微调安装角度的直线刃刀刀头。 但是加工曲率半径小的聚光反射镜等则必须采用四圆弧刃刀头。
L4 （100） ） L2 L3 （111） ）
（110） ） a）4 次对称轴 和（100）晶面 b）2 次对称轴 和（110）晶面 图4-1 八面体的晶轴和镜晶面 c）3 次对称轴 和（111）晶面
金刚石晶体的面网距和解理现象 ◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。 ◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网 的面间距一宽一窄（图4-21） ◎ 在 距 离 大 的 （ 111 ） 面之间，只需击破一个 共价键就可以劈开，而 在 距 离 小 的 （ 111 ） 面 之间，则需击破三个共 价键才能劈开。 ◎在两个相邻的加强 （111）面之间劈开， 可得到很平的劈开面， 称之为“解理”。
1.2 PCD刀具的性能特点
金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导 热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中 获得很高的加工精度和加工效率。 由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不 一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结 合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。 但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此 不易沿单一解理面裂开。
裂纹
破损
当垂直于金刚石（111）晶面的拉力超过某特定值时，两相邻的（111）晶面分 离、产生解理劈开 解理劈开。 解理劈开 如果金刚石晶面方向选择不当，切削力容易引起金刚石的解理，使刀具寿命急 剧下降，尤其是在有冲击振动、切削不稳定的条件下，更容易产生解理。 最新研究表明，为了增加刀刃的微观强度，减小破损几率，应选用微观强度最 高的（110）晶面 （ ）晶面作为金刚石刀具的前后刀面。 制作刀具时，尽可能与（111）面平行研磨并形成前刀面。 但与（111）面成平行的研磨会使加工成本过高，通常是以3左右的倾角进行 研磨以形成前刀面和锋利的切削刃。
（3） 热传导率大 金刚石是由碳原子的共价结合而成的，其热传导率在矿物 中是最大的。 由于前刀面及刃口十分光滑，其摩擦系数比其他刀具材料 小，切屑脱落较好，所以切削加工时发热量非常小。且所产生 的热量能被金刚石迅速地导入刀体材料中 。
金刚石刀具必须解决的两个重要问题： 金刚石刀具必须解决的两个重要问题
PCD刀具材料的主要性能指标：
①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍； ②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚 至高于铜，因此PCD刀具热量传递迅速； ③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数 为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力； ④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6～1.18×10 -6，仅相当 于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高； ⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加 工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。
一是金刚石晶体的晶面选择 晶面选择。 晶面选择 选择正确与否直接影响着各向异性的单晶金刚石刀具的使用寿命 二是金刚石刀具的刃口的锋利性，即刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径 影响切削加工的最小切削深度 最小切削深度 影响到微量切除能力和加工质量。
单晶金刚石刀具的刀刃钝圆半径可小到1nm（1nm＝ mm） 目前国内外金刚石刀具刀刃钝圆半径可以达到的状况： 美国可磨到5nm， 【日本可磨到10～20nm，日本大阪大学和美国LLL实验 室（Lawrence Livermore Labor-atory）合作研究超精密 切削厚度的最小极限，成功地实现了纳米级切削厚度 纳米级切削厚度的 纳米级切削厚度 稳定切削，使超精密切削水平达到新的高度。】 我国可磨到100nm，即0.1m。