金刚石刀具

金刚石的刀具发展与技术
侯文文0840202211
摘要：本文主要对金刚石刀具的分类、加工方法、金刚石刀具的发展现状及应用领域作了简单的介绍，对聚晶金刚石刀具的刃磨技术作了详细的研究分析。

1、引言：随着现代加工制造业对高速切削加工的要求不断提高，对于各种难切削复合材料、工程陶瓷材料等，传统的切削加工刀具已不能满足高速切削的需要，而超硬切削刀具是解决以上问题的有效手段，其中，金刚石刀具的应用较为广泛。

金刚石具有极高的硬度、良好的耐磨性和导热性、低摩擦系数和热膨胀系数，在现代切削加工中体现出难以替代的优越性，被誉为当代提高生产率最有希望的刀具材料之一。

目前，金刚石刀具在机械加工中的应用日渐普及，已成为现代材料加工中不可或缺的重要工具。

2、金刚石刀具的基本介绍
2.1 天然金刚石(ND)刀具
为天然金刚石拉蔓峰谱，具有以下特征：
(1)1332尖锋处显示存在金刚石。

(2)波型幅度(FWHM)为4.1cm-1
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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

2.5 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。

3、金刚石刀具的应用
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。

4、金刚石刀具的刃磨技术
刃磨是刀具制造的关键工序之一，先进的刃磨技术可以提高刀具产品质量、降低生产成本。

金刚石刀具硬度极高，导致刀具的刃磨难度较大，对刃磨技术与设备要求较高。

目前，大部分金刚石刀具用户都不具备刀具刃磨能力，使用过的刀具需送回原刀具生产厂家，在以Ewag为代表的进口设备上进行重磨，造成金刚石刀具刃磨价格高、周期长，大大提高了其使用成本。

刃磨技术已成为阻碍金刚石刀具推广应用的主要因素之一。

近年来，国内工程技术人员对金刚石刀具刃磨技术(包括机械刃磨、电火花放电刃磨等)与装备进行了大量研究与开发，取得了一定进展，推动了金刚石刀具刃磨技术的发展。

4.1 金刚石砂轮机械刃磨
金刚石砂轮机械刃磨是目前使用最广泛的PCD刀具刃磨方法，加工的刀具刃口质量好，前、后刀面完整光洁。

这种刃磨方法的作用机理较为复杂，较普遍的观点一J认为，金刚石砂轮机械刃磨是机械和热化学两方面共同作用的结果。

机械作用是金刚石砂轮的磨粒对PCD 材料不断进行冲击，使PCD上的金刚石发生微破碎、磨损、脱落或解理；热化学作用则是磨削过程中产生的高温使金刚石发生氧化或石
墨化。

图2为金刚石机械刃磨原理示意图。

其刃磨过程可分为三个阶段：①接触期：磨削力突然增大，剧烈的机械冲击使PCD表面出现裂纹，产生碎片；②稳定期：砂轮磨粒在PCD表面上进行挤压和摩擦，当压力达到一定程度时，PCD表面形成裂纹；③摩擦期：当摩擦温度达到一定程度时，PCD会发生石墨化和其它化学反应。

在刃磨过程中，需要采用冷却液进行冷却，经过三个阶段的刃磨，可获得完整光洁的刃口。

影响PCD刀具机械刃磨质量的主要因素包括：金刚石砂轮、刃磨工艺与刃磨装备。

金刚石砂轮主要影响刃磨的平稳性；刃磨工艺影响刀具刃磨的质量，良好的刃磨工艺可以降低金刚石砂轮的磨耗比和加工成本；刃磨装备(磨床的可控性、刚性与振动控制)则决定了刃磨工艺的实施质量。

4.2 电火花放电刃磨(EDG)
4.2.1刃磨机理
将电火花放电加工技术用于刃磨PCD刀具，称为放电刃磨
(EDG)[17J。

放电刃磨是一种热蚀加工过程，其刃磨原理是电介质分离的砂轮电极与刀具电极问放电产生瞬时高温，使刀具材料熔化和气化，实现材料的去除。

如图所示，由电动机带动圆盘电极高速转动，圆盘电极连接脉冲电源、电气控制和数控系统，通过电气检测、控制和伺服控制系统，控制PCD刀具作往复运动和伺服进给。

圆盘电极与加工刀具之问放电产生瞬时高温，将刀具材料熔化与气化，以获得所需要的形状。

加工的PCD刀具刃口尺寸精度<0．02ram，表面粗糙度一般可达Ra0．3一O．4tan。

与金刚石砂轮机械刃磨相比，EDG技术是一种成本较低、加工效率较高的刃磨方法。

1．电动机2．脉冲电源3．电气检测、控制和数控系统4．往复运动5．伺服运动6．圆盘电极7．PCD刀具8．工作液
电火花放电刃磨原理示意图
4.2.2 刃磨设备
放电刃磨时，通常采用碳氢化合物（如石蜡）作为砂轮电极与工具电极间的电介质，工作电压一般为直流80～200V，砂轮电极采用
铜、钨、石墨等导电材料。

根据刀具刃磨时的位置，放电刃磨可分为圆周放电刃磨和端面放电刃磨。

刃磨过程中，砂轮作旋转运动，使其能均匀磨损。

在端面放电刃磨中，砂轮还需左右摆动。

脉冲电源是影响刃磨效率和刃磨质量的关键设备，因此脉冲电源的设计已成为放电刃磨的研究热点。

4.3 其它刃磨技术
近年来，还有不少将各种特种加工技术(如超声波磨削、激光加工、电化学磨削等)应用于刀具刃磨的研究119J。

超声波磨削是利用磨料在超声波作用下产生的机械振动与冲击，对刀具进行机械磨削。

激光加工则是利用激光的瞬时高温对刀具进行热蚀加工。

电化学磨削是利用金属的溶解(占95％一98％)和机械磨削(占2％一5％)的综合作用来实现刀具刃磨。

目前，超声波磨削、激光加工、电化学磨削等加工方法主要应用于陶瓷刀具、硬质合金刀具的刃磨和金刚石刀具的切割，也可用于刀具的粗磨加工，在刀具精磨上的应用仍需进一步研究。

采用特种加工与传统机械磨削相结合的复合刃磨技术是一种较有潜力的技术。

特种加工磨削率较高，而机械刃磨精度较高，二者相结合可有效缩短金刚石精密刃磨的时问。

例如，Walter公司开发的He—litronic Power+Diamond多功能机床可在传统磨"N JJH工与放电磨"N JJH工之问相互转换，通过一次安装，即可完成PCD刀具的刃磨。

Ewag公司的ewamatic多功能磨床将机械磨削加工与放电腐蚀加工结合到一起，采用星形磨，一次装夹即可完成对刀具外圆面、切
削角、切削刃的磨削加工。

该机床可加工直径0．1—35ram、具有直齿(或螺旋齿)的圆柱形(或圆锥形)PCD刀具。

但是，目前这些刃磨设备价格昂贵，必须大幅降低成本，才有可能广泛应用。

5、金刚石刀具的发展现状
随着金刚石刀具在加工领域的应用逐渐增多，金刚石刀具技术也在不断的改进和发展。

当前，金刚石刀具主要朝着三个方向发展：①产品系列化、晶粒细化、质量优化、性能均一化；②刀坯尺寸不断增大，形状结构多样化蚓6；③CVD金刚石膜由研制阶段进入商业化供货阶段(如美国Kenametal公司、英国De Beers和国内的北京天地金刚石公司等)。

世界著名的人造金刚石刀具生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、El本住友电工株式会社等。

国内金刚石刀具生产厂家主要分布在上海、北京、深圳、西安、郑州、长沙、廊坊等地，这些厂家大多通过购进GE公司、De Beers公司的原材料进行加工。

目前，国内对金刚石刀具材料的自主开发能力还比较薄弱。

在金刚石的应用支持技术上，国内的金刚石刀具刃磨技术与装备在精度、效率和表面质量上与国外还存在不小差距，应用于实际生产的金刚石刀具刃磨机床仍被以瑞士Ewag为代表的进口设备所垄断。

近年来，PCD刀具在国内的推广应用对金刚石刀具设计、制造与刃磨技术的研究起到了积极的推动作用。

清华大学、大连理工大学、华中理
工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等高校都在积极开展这方面的研究，许多企业如成都工具研究所、上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜等也在从事PCD刀具的应用研发。

尽管目前国内CVD薄膜涂层刀具的应用尚处于萌芽状态，但随着CVD金刚石生长技术的提高，CVD金刚石基团颗粒的大小已经由40～50µm缩小到十几甚至几个纳米，从而出现了纳米金刚石。

如美国阿贡国家实验室(Argonne Nat. Lab)的Dr. Gruen D.M已经生长出质量良好、表面为镜面(表面最高峰与最低峰间距为15nm)、任意厚度的纳米金刚石膜，而且其涂层的附着力足够。

相信其对涂层刀具的应用有所促进。

6、结语：
目前在金刚石的产业化中还存在一些关键问题函待解决，如高速大面积的金刚石厚膜沉积工艺、控制金刚石膜的晶界密度和缺陷密度、金刚石膜的低温生长，金刚石薄膜与基体结合力弱等。

金刚石刀具优异的性能和广泛的发展前途吸引国内外无数的专家进行研究，有些已经取得了突破性进展，相信不久的将来金刚石刀具将广泛应用到现代加工中。

而随着金刚石刀具的广泛应用，对刃磨技术的要求必定会越来越高。

目前应用较多的机械刃磨技术虽然可以获得较好的刃磨效果，但加工效率不高。

采用特种加工技术进行刃磨，虽然效率较高，但刃磨质量不佳。

如果采用特种加工方法进行刀具刃口粗磨，然后采用机械刃磨方法进行精磨，既能提高加工效率，又可以保证刃口质量，因此，多功能复合刃磨技术及装备是金刚石刀具刃磨的一个发展方向。

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