金刚石刀具

金刚石刀具
金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点。

可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。

金刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。

天然金刚石刀具目前主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属，以及特殊零件的超精密镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。

但其结晶各向异性，刀具价格昂贵。

PCD的性能取决于金刚石晶粒及钴的含量，刀具寿命为硬质合金(WC基体)刀具的10～500倍。

主要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。

切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件材料以及硬度。

人造聚晶金刚石复合片(PDC)性能和应用接近PCD刀具，主要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合材料等切削加工，逐渐替代硬质合金刀具。

由于金刚石颗粒问有部分残余粘结金属和石墨，其中粘结金属以聚结态或呈叶脉状分布会减低刀具耐磨性和寿命。

此外存在溶媒金属残留量，溶媒金属与金刚石表面直接接触。

降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐热温度，故刀具切削性能不够稳定。

金刚石厚膜刀具制备过程复杂，因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。

金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润。

可焊性极差，难以制作复杂几何形状刀具，故TDF焊接刀具不能应用在高速铣削中。

金刚石涂层刀具可以应用于高速加工，原因是除了金刚石涂层刀具具有优良的机械性能外，金刚石涂层工艺能够制备任意复杂形状铣刀，用于高速加工如铝钛合金航空材料和难加工非金属材料如石墨电极等。

显示为纯金刚石。

ND是目前已知矿物中最硬的物质，主要用于制备刀具车刀。

天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01～0.002µm。

其中天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃
光滑。

SCD车削铝制活塞时Ra可达到4µm，而在同样切削条件下用PCD 刀具加工时的表面粗糙时的Ra为15～50µm。

故采用SCD刀具配合精密车床进行精密和超精密加工，可获得镜面表面。

聚晶金刚石(PCD)刀具
PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料，又称烧结金刚石。

聚晶金刚石刀具整体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状态，属各向同性，硬度均匀，石墨化温度为550℃。

刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数。

刀刃非常锋利等特点。

人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具
为提高PCD刀片的韧性和可焊性，常将PCD与硬质合金刀体做成人造聚晶金刚石复合刀片(PDc)。

即在硬质合金基底其表面压制一层0.5～1mm厚的PCD烧结而成。

复合刀片的抗弯强度与硬质合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。

PCD及人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量低于ND。

同时其可加工性很差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形。

目前利用人造聚晶金刚石复合片只能制备车刀，至今还不能制造带断屑槽的可转位刀片和复杂三维曲面几何形状的铣刀。

CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具
金刚石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金刚石厚膜一次焊接至基体(通常为K类硬质合金)上，形成复合片，然后抛光复合片，二次焊接至刀体上，刃磨成需要的形状和刃口。

如图3(a)所示，为CVD金刚石厚膜(金刚石膜厚度达30µm)，具有硬度高、耐磨损、摩擦系数小等特点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。

由于金刚石焊接过程工艺复杂，CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具尚未大批量应用。

金刚石涂层刀具
金刚石涂层刀具是用CVD法直接在硬质合金(K类硬质合金)或陶瓷等基体上沉积一层1～25µm金刚石薄膜，无解理面各向同性。

如图3(b)。

薄膜涂层刀具硬度达9800～10000HV。

热导率高，室温下导热系数高达2000W·m-1·K-1，而硬质合金刀具导热系数仅为80～100m-1·K-1。

CVD方法金刚石可以涂层到任何复杂形状的刀具上，这是聚晶金刚石无法拥有的最显著的优势。

刀具作为直接或间接安装在金刚石机床上，用以完成工件加工任务的金刚石工具，我们必须考虑两个适用性和一个协调性。

即适用于所选用的机床，适用于所选用的工件，以及与加工任务相匹配。

首先是与机床匹配。

各位可能首先想到的，是外形和尺寸的匹配。

的确，外形和尺寸的匹配是金刚石刀具在机床上能够正确安装的基础。

没有这个基础，刀具无法被正确地安装在机床上，因此也就谈不上完成什么加工任务。

但是，仅有这一点是不够的。

金刚石刀具在被安装在机床上之后，是需要完成一定的加工任务的。

在完成这个加工任务的过程中，需要保证加工精度、需要承受和传递切削力和切削扭距、需要完成切削热的承受、传递和导出，需要考虑有可能的切削废弃物（切屑和料头）甚至是工件的传输，以及现代的刀具参数数字化传递等等。

这些任务些虽然不是常见，确也是刀具可能承担的任务。

如果我们能够在选择金刚石刀具，考虑刀具与机床的匹配性方面一并考虑，会增加我们解决加工问题的思路。

保证加工精度、传递切削力和力矩、提供切削液的通道是我们目前在保证外形和尺寸的匹配后，经常会遇到的问题。

例如在加工中心上，我们经常使用圆柱形（通常称为直柄）作为夹持方式。

那么就圆柱形的刀柄，除典型的完整的圆柱形外，还有一些在圆柱形上增加一些其它要素的变化，如削平型直柄（铣刀按直径分为单削平面和双削平面两种，钻削常见全削平面，都被称为侧压式），带2°倾斜的斜削平式，带扁尾的直柄(常用于钻头)，带方身的直柄(常用于丝锥和铰刀)等多种方式。

就这类刀柄与机床的联结方式来说，只用圆柱部分定位、夹紧的也不在少数。

各种压力角的弹簧套系统，强力夹头系统，液压锁紧系统、热膨胀装夹系统、力变形锁紧系统等都是用于锁紧圆柱刀柄的。

但各种夹持方式各有优点和缺点。

就拿最常见
的弹簧套系统来说，大的压力角（此处将压力角定义为锥面锁紧的正压力与圆柱轴线的夹角），即大的锥角代表锁紧行程较短，有利于快速地锁紧与松开，但在相同的锁紧力矩下分解到圆柱面上的正压力较小，由此产生的金刚石摩擦力距小，能够抵抗的切削力距也相应比较小，刀具易在刀柄中产生打滑的现象，影响加工过程的平稳性和加工表面质量；同时此类夹头可夹持的刀柄直径变化范围较大，有利于减少弹簧套的库存，优化管理。

而小的压力角就相反。

小的压力角的弹簧套可夹持的刀柄直径范围较小，夹紧时的锁紧行程较长，不利于快速夹紧与松开，但其夹持精度稍高，夹紧力大，能承受更大的切削载荷。

液压锁紧系统是一种新兴的夹持系统，它利用高粘度液压油的不可压缩性使刀具夹持腔的内壁发生弹性变形，从而锁紧刀具。

液压锁紧系统的精度高，锁紧与松开不需要专门的器械从而显得比较方便，锁紧力矩通常也优于弹簧套系统，但其内壁只能在弹性变形的范围内工作。

一旦超出此范围，内壁就会出现不可逆转的塑性变形，就会造成该刀柄装夹腔的永久性失效。

因此，削平型刀柄，尤其是钻削刀具常用的全削平型刀柄是不能在液压锁紧系统中使用的。

空腔施压、刀柄未插到容腔底部等，也是会导致该系统损坏失效的常见原因。

热膨胀装夹系统则通常需要专用设备，这样的设备以能控制加热、冷却按多种预定模式进行的为佳。

非专业的加热设备（甚至火焰加热）也许可以使用，但常常由于温度和加热曲线不能得到良好的控制而对刀柄的其它部分受到影响，甚至改变其金相组织，从而使系统很快失效。

另外就是热膨胀装夹系统的刀具长度难以调整，需要专门的辅助工具，这给在需要多刀具同步工作的场合增添了一些麻烦。

在另一方面，刀具夹持方式也可能决定着生产效率的可能值。

圆柱刀柄和液压、热膨胀都是可以适应较高转速的平衡设计，而削平型的装夹却是一种典型的非平衡设计，刀具厂商都将其列入不推荐用于高速切削的行列。

就刀柄本身而言，在被铣（或磨）去一部分材料形成压力面时，刀柄部分的重心即与刀具的回转中心不重合了。

在刀具夹紧的过程中，削平柄被锁紧螺钉推向已经偏离中心的那一侧，金刚石刀具的重心将进一步偏离刀具在机床上的回转中心，这些都增加了刀具的不平衡。

加上一些使用者在原始的锁紧螺钉损坏或遗失后随意配上一个螺钉，长度等往往没有在意，这样的行为也给刀具的平衡性能增加了不确定性。

因此，金刚石削平型（包括斜削平）都不建议在高速下使用。

精密加工之金刚石刀具080101020057 王智才
08模具。