金刚石切削

金刚石刀具的刀具角度
前角 0~5°,主要考虑到金刚石的脆性，加强刃口强度 后角 增加后角可减少后面和加工表面的摩擦，降低表 面 粗糙度，但是刀具的刃口强度下降，一般 5~10° 主偏角 30~90°，多用45°
传统车削和金刚石刀具切削过程积削瘤影响 积削瘤成型的机理
“冷焊”现象
积削瘤对传统车削的影响（粗加工、精加工） 1.增加刀具前角2.增加切削厚度、
3.加工表面粗糙度增加4.刀具耐用度提高(不绝对)
积削瘤对超精密车削的影响
1.不使用切削液极易产生积削瘤 2.积削瘤产生使得切削力增加 3.积削瘤产生加工表面粗糙度增加 4.积削瘤产生引起工艺系统振动
一般，金刚石切削 过程离不开切削液
刀具寿命和金刚石刀具寿命 刀具寿命
由刃磨后开始切削，一直到磨损 量达到刀具磨钝标准所经历的总 切削时间
化学式 碳 - C 分子量 12.01 u 晶系 等轴晶系 晶体惯态 八面体 颜色 黄、褐、灰至无色，少见蓝、绿、黑、紫、橘、红色等 光泽 金刚石光泽 折射率 2.4175–2.4178 双折射 无 色散率 0.044 多色性 无 透明性 透明至微透明 物理性质 硬度 HV10GPa左右 解理 {111}完全解理 断口 贝壳状 条痕 白色 比重 3.52 (+/- .01)[1] 密度 3.5 - 3.53 g/cm³
普通车刀角度标注
金刚石车刀刀头形式 修光：金刚石刀具切削和传 统刀具切削的区别之一
金刚石刀具切削属于超精密切削又属于高速切削 切削条件
刀具角度 切削刃磨工艺 切削参数 切削液的使用
切削过程
切削力 切削温度、切削热 刀具磨损、破损 切屑形成机理 积屑瘤
加工质量
加工精度 表面质量
金刚石刀具作为切削刀具的一般性：
什么是超精密加工
从加工的精度理解（十年前的定义）
Ra<0.01µm、尺寸精度<0.1µm 金刚石刀具切 削，扮演重要 角色
从超精密加工的特点理解
恒温，净化，弹性
超精密加工的应用范围
超精密加工加工领域包括：超精密切削，超精密磨削， 超精密特种加工。 超精密金刚石加工各种镜面、反射镜、透镜等大型器件 超精密磨削加工光盘、光学镜头、晶体等硬脆材料 激光、超声波及电子束、离子束加工、电火花加工、电 化学加工、复合加工都属于超精密特种加工
晶面的定向
由于单晶金刚石是各项异性的其不同方 向的性能相差很大，因此一颗单晶金刚 石毛坯要支撑精密金刚石刀具首先要经 过精确地晶体定向以确定所制成刀具的 前后刀面的空间位置以及需要磨去的部 分。目前晶体定向方法有人工目测定向 、x射线晶体定向和激光定向等
刀具刃口的刃磨方法
亦可以在此基础上采用空气静压轴承高精度研磨盘
金刚石产地
目前在世界各地都发现了金刚石矿。其中 ，澳大利亚、刚果、俄罗斯、博茨瓦纳和南非 是著名的五大金刚石产地。 中国主要金刚石成矿区有：①辽东—吉南成矿 区，有中生代和中古生代两期金伯利岩。②鲁 西、苏北、皖北成矿区，下古生代可能有多期 金伯利岩。③晋、豫、冀成矿区，已在太行山 、嵩山、五台山等地发现金伯利岩。④湘、黔 、鄂、川成矿区，已在湖南沅水流域发现了4个 具工业价值的金刚石砂矿。 湖南金刚石，产于湖南省常德丁家港、桃 源、黔阳等地。湖南金刚石以砂矿为主，主要 分布在沅水流域，分布零散，品位低，但质量 好，宝石级金刚石约占40%。
金刚石刀具的寿命
1.金刚石刀具破损或磨损而不能 继续使用的标志为加工表面粗糙 度超过规定值 2.实际的金刚石刀具由于切削刃 产生的微小崩刃而不能继续使用 通常就是金刚石（111）面的解理
刀具刃磨
--金刚石刀具刃磨是超精密切削的重要内容
定向 检验 粗研 精研 检验
刀具刃磨主要包括两个方面的内容 1.晶面的选择 2.刀具刃口的刃磨方法 晶面的选择-刀具前刀面 ①主张用（110）面（国外） ②主张用（100）面（国内）
为什么金刚石是超精密切削刀具材料 超精密切削刀具的要求VS金刚石材料的特点
金刚石具有极高的硬度和耐磨 性，是世界上已发现最硬的物 质显微硬度可达HV10GPa 左右 金刚石的切削刃可以磨得非常 锋利，切削刃钝圆半径一般可 达1~0.5um 与非铁金属亲和力小，低摩擦 系数、高热导、低热膨胀系数
天然金刚石（钻石）
天然金刚石仅产出于金伯利岩筒中。金 伯利岩是它们的原生地岩石，其他地方的金 刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。金刚 石一般为粒状。 上个世纪50年代，美国通用电气公司 （GE公司）以石墨为原料，在高温高压下成 功制造出人造金刚石。现在人造金刚石已经 广泛用于生产和生活中，虽然造出大颗粒的 金刚石还很困难（所以大颗粒的天然金刚石 仍然价值连城），但是已经可以制成了金刚 石的薄膜。
周 峰 / 郝 清 龙
金 刚 石 材 料 及 刀 具 切 削 分 析
目录
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超精密切削与金刚石刀具 金刚石刀具材料分析 金刚石刀具及其应用于切削 金刚石刀具的刃磨
金刚石
中文名称：金刚石 英文名称：diamond 定义：碳的同素异形体，是已知的最硬 的物质，有天然和人造两类。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
人造金刚石
刀具刃磨新方法
等离子化学抛光法 无损伤化学抛光法 热化学抛光法
•单晶：晶胞在三维方向上是整齐重复排列
单晶、多晶 各向异性
•多晶：晶胞不是有规律的整齐排列 • 晶面和晶轴不同 • 面网密度和面网间距不同 •（111）面网之间间距大
解理现象 耐磨机理
•（111）相邻面网之间只有一个共价键
•（111）面硬度和耐磨性最高 • 硬度和耐磨性对应于面网密度
晶体受到定向的机械力作用，可以沿平行于某个平面平整的劈开的现象
金刚石的材料分析 ——金刚石的晶体结构
立方晶体：8面体、6面体、12面体
结构决定性质
金刚石的材料分析 --金刚石的晶面和晶轴
立方晶体：8面体、12面体、6面体 以正六面体为例：
金刚石的面网和面网密度
立方晶体：8面体、12面体、6面体
面网密度大小对应于与晶体耐磨性、硬度大小
从金刚石材料微观的分析到其宏观的性质
极高的硬度、极高的耐磨性和 极高的弹性模量，保证刀具有 很长的寿命和很高的尺寸耐用 度 切削刃钝圆半径要极小才能实 现超薄切削厚度，切削刃无缺 陷 和工件材料的抗粘结性好、化 学亲和性小、摩擦因数低
总结：由于金刚石的这些特点，金刚石被公认 为理想的超精密切削刀具材料
金刚石刀具加工范围
金刚石刀具可以加工有色金属及其合金以及非金 属材料进行高速精细车削及镗孔。 但金刚石也有其本身的缺点 （1）耐热性低，当切削温度超过700-800℃时金 刚石就会石墨化失去硬度 （2）强度低脆性大，对振动敏感只适合于（超）精 密加工，切削厚度不能太大，对机床要求高 （3）与铁有很强的化学亲和力，一般不适于加工黑 色金属（因此利用与铁的亲和性进行金刚石刃磨 ）
金刚石刀具PK传统刀具
单晶金刚石刀具 为何优于聚晶？
用化学气相沉积法在异 质基体上合成的金刚石 膜
聚晶金 刚石
结论：越好的材料越难加工。
金刚石刀具两个重要的问题： ①晶面的选择②切削刃钝圆半径
r:0.1-0.3/<0.1 最小切削厚度
易崩刃 易磨损 直线修光 刃 0.1~0.2
圆弧修光刃 R：0.5~1.5