【金剛(gang)石刀(dao)具】金剛(gang)石刀(dao)具的設計要點 金剛(gang)石刀(dao)具設計與應用

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金剛石簡介

金剛石是單一碳原子的結晶體,其晶體結構屬原子密度最高的等軸面心立方晶系。金剛石晶體中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，具有極強的結合力、穩定性和方向性。金剛石獨特的晶體結構使其具有自然界最高的硬度、剛性、折射率和導熱系數，以及極高的抗磨損性、抗腐蝕性及化學穩定性。 單晶金剛石的優良特性可以滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數要求，是理想的精密切削刀具材料。金剛石無內部晶界的均勻晶體結構使刀關鍵字：刀具夾具(ju)切削(xue)銑(xian)削(xue)車削(xue)機床(chuang)測量(liang)

金(jin)(jin)剛(gang)石是單一碳(tan)原子(zi)的(de)結(jie)晶體(ti),其晶體(ti)結(jie)構(gou)屬原子(zi)密度(du)最高(gao)的(de)等軸(zhou)面心立方晶系。金(jin)(jin)剛(gang)石晶體(ti)中碳(tan)原子(zi)間(jian)的(de)連接鍵為sp3雜化共價鍵，具有極(ji)強(qiang)的(de)結(jie)合力(li)、穩(wen)定性(xing)和(he)方向性(xing)。金(jin)(jin)剛(gang)石獨特的(de)晶體(ti)結(jie)構(gou)使其具有自然界最高(gao)的(de)硬度(du)、剛(gang)性(xing)、折(zhe)射(she)率和(he)導(dao)熱(re)系數，以(yi)及極(ji)高(gao)的(de)抗磨(mo)損性(xing)、抗腐蝕(shi)性(xing)及化學穩(wen)定性(xing)。

單晶金剛石的(de)優良(liang)(liang)特(te)性(xing)(xing)可以(yi)滿足精(jing)密及超精(jing)密切(qie)(qie)削(xue)對刀(dao)(dao)具(ju)(ju)材(cai)料的(de)大多(duo)數(shu)要求，是理(li)想的(de)精(jing)密切(qie)(qie)削(xue)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)材(cai)料。金剛石無(wu)內部(bu)晶界(jie)的(de)均勻晶體結構使刀(dao)(dao)具(ju)(ju)刃(ren)口(kou)在理(li)論上可以(yi)達(da)到(dao)原(yuan)子級的(de)平直(zhi)度(du)與鋒利度(du)，切(qie)(qie)削(xue)時(shi)切(qie)(qie)薄能力(li)強、精(jing)度(du)高(gao)、切(qie)(qie)削(xue)力(li)小；其高(gao)硬度(du)及良(liang)(liang)好的(de)抗(kang)磨(mo)損(sun)性(xing)(xing)、抗(kang)腐蝕(shi)性(xing)(xing)和(he)化學穩(wen)定性(xing)(xing)可保(bao)證(zheng)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)具(ju)(ju)有超長壽命，從而(er)能進行長時(shi)間(jian)的(de)持續切(qie)(qie)削(xue)，并可減小因刀(dao)(dao)具(ju)(ju)磨(mo)損(sun)對零件(jian)精(jing)度(du)的(de)影響(xiang)；其高(gao)導熱系(xi)數(shu)可降低切(qie)(qie)削(xue)溫度(du)和(he)零件(jian)的(de)熱變形。

單(dan)(dan)晶金剛(gang)石(shi)刀具在機械加(jia)(jia)工領域具有重要(yao)地位，廣泛(fan)應(ying)用(yong)于諸如反射(she)鏡(jing)、導彈和火箭的(de)導航陀螺、計算(suan)機硬盤基片(pian)、加(jia)(jia)速器電子(zi)槍等(deng)(deng)超(chao)精密(mi)鏡(jing)面零(ling)件的(de)加(jia)(jia)工。單(dan)(dan)晶金剛(gang)石(shi)還(huan)可用(yong)于制(zhi)造(zao)眼科(ke)、腦(nao)外(wai)科(ke)手術刀、超(chao)薄生(sheng)物切片(pian)刀等(deng)(deng)醫(yi)用(yong)刀具。此外(wai)，單(dan)(dan)晶金剛(gang)石(shi)刀具在民用(yong)產品加(jia)(jia)工中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)也日趨廣泛(fan)，從手表(biao)零(ling)件、鋁活塞、首飾等(deng)(deng)的(de)加(jia)(jia)工到制(zhi)筆、高光標牌及(ji)有色(se)金屬鏡(jing)面裝飾零(ling)件的(de)加(jia)(jia)工，其應(ying)用(yong)已進(jin)入機械加(jia)(jia)工的(de)多種領域。

金剛石刀具設計與應用

1、單晶金剛石刀具鏡面加工機理

切削(xue)加(jia)工后的殘留面(mian)積(ji)高度(du)(du)h=f/(ctgkr+ctgkr')即為已加(jia)工表(biao)面(mian)的理論粗糙度(du)(du)值，它隨進(jin)給量(liang)f、刀具(ju)主(zhu)(zhu)偏(pian)(pian)角(jiao)(jiao)kr和副偏(pian)(pian)角(jiao)(jiao)kr'的減(jian)小而減(jian)小。由于(yu)主(zhu)(zhu)偏(pian)(pian)角(jiao)(jiao)kr的減(jian)小會使(shi)Fy力(li)迅速增大而引起刀具(ju)振動，減(jian)小進(jin)給量(liang)f則會影響(xiang)切削(xue)效(xiao)率，所以一(yi)般通過減(jian)小副偏(pian)(pian)角(jiao)(jiao)kr'來降(jiang)低表(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)值。

常(chang)(chang)規(gui)切削(xue)用(yong)刀(dao)(dao)具表面(mian)(mian)(mian)較粗糙，刀(dao)(dao)刃平(ping)整性差，若(ruo)選用(yong)的副(fu)偏(pian)角(jiao)過小，一(yi)方(fang)面(mian)(mian)(mian)副(fu)切削(xue)刃的不平(ping)整會復映(ying)到已(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)上(shang)；另一(yi)方(fang)面(mian)(mian)(mian)還會加(jia)劇副(fu)后刀(dao)(dao)面(mian)(mian)(mian)與已(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)的摩擦(ca)，將已(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)“拉毛”。所以(yi)在常(chang)(chang)規(gui)切削(xue)中，副(fu)偏(pian)角(jiao)約為2°時加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)粗糙度值(zhi)最小，進一(yi)步(bu)減小副(fu)偏(pian)角(jiao)則會使已(yi)加(jia)工(gong)表面(mian)(mian)(mian)質量惡化。

單晶金剛石刀(dao)(dao)具的表面粗(cu)糙度(du)值(zhi)(zhi)可(ke)小于Ra0.01μm，刀(dao)(dao)刃質量至少可(ke)達到(dao)在100倍顯微鏡(jing)下觀察無缺陷，加(jia)之摩擦系數(shu)極小，所以其副(fu)偏角極限值(zhi)(zhi)可(ke)減小至0～2'，從而可(ke)使(shi)加(jia)工表面粗(cu)糙度(du)理論值(zhi)(zhi)接(jie)近或(huo)等(deng)于零，實際表面粗(cu)糙度(du)值(zhi)(zhi)可(ke)達到(dao)鏡(jing)面或(huo)超(chao)光滑表面的要(yao)求(qiu)。

由此可見，就刀具本(ben)身而(er)言，單晶金(jin)剛石(shi)刀具的鏡面加工機理是通過(guo)刀具的超(chao)光潔表面和無(wu)缺(que)陷的副切削(xue)刃(修(xiu)光刃)的作用，使加工表面粗糙度理論值(zhi)接近于零來(lai)獲得鏡面加工效果。

2、單晶金剛石刀具的設計

設計單晶(jing)金剛(gang)石刀具時需要(yao)考慮(lv)的主要(yao)因素有：①被加(jia)工零件(jian)精(jing)度(du)要(yao)求；②實(shi)際(ji)加(jia)工條(tiao)件(jian)；③金剛(gang)石材料的特性(xing)。

設計(ji)(ji)單晶(jing)金(jin)剛石(shi)(shi)(shi)刀(dao)(dao)具(ju)時，應(ying)遵(zun)循以下原(yuan)則：①由(you)于單晶(jing)金(jin)剛石(shi)(shi)(shi)硬度(du)(du)高(gao)、加工困難，因此刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)形狀應(ying)盡可能(neng)簡(jian)單；②根據(ju)(ju)單晶(jing)金(jin)剛石(shi)(shi)(shi)脆性(xing)大、抗沖擊能(neng)力差(cha)的(de)(de)特點，應(ying)結合實際(ji)加工條件，通過對(dui)刀(dao)(dao)具(ju)幾何形狀的(de)(de)優(you)化(hua)，提高(gao)刀(dao)(dao)頭(tou)的(de)(de)抗沖擊能(neng)力；③根據(ju)(ju)被加工零件的(de)(de)精度(du)(du)要求設計(ji)(ji)修光刃長度(du)(du)，同(tong)時應(ying)考慮刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)切(qie)薄能(neng)力。

下面以幾種常(chang)用(yong)刀具為例，討(tao)論(lun)單晶(jing)金剛(gang)石刀具的(de)設計方案。

計算(suan)機硬盤(pan)基片用(yong)于信息的存儲，其(qi)(qi)材料為鋁或鋁合金，基片表(biao)面粗(cu)糙(cao)度值越(yue)低(di)，存儲密(mi)度越(yue)大，因此(ci)降(jiang)低(di)其(qi)(qi)加工(gong)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度值十分關鍵(jian)。同時(shi)由(you)于基片厚度小于0.9mm，為防止其(qi)(qi)變(bian)形(xing)，應(ying)盡量減小加工(gong)時(shi)的切削力和擠壓(ya)。

硬盤基片的切削采(cai)用具有良好剛性和穩定(ding)性的超高精(jing)度(du)磁盤車床(chuang)。切削深度(du)約為(wei)0.01～0.02mm,進(jin)給量約為(wei)0.5mm。

硬盤基片單晶金剛(gang)石(shi)車(che)(che)刀(dao)(dao)(dao)的(de)刀(dao)(dao)(dao)頭(tou)形狀如圖(tu)1所示。刀(dao)(dao)(dao)頭(tou)有兩(liang)個(ge)主(zhu)切削(xue)刃(ren)，加(jia)工(gong)(gong)時可(ke)以左(zuo)右進刀(dao)(dao)(dao)。較長的(de)修光(guang)刃(ren)可(ke)保證(zheng)左(zuo)右兩(liang)個(ge)方向(xiang)加(jia)工(gong)(gong)時修光(guang)刃(ren)后(hou)刀(dao)(dao)(dao)面的(de)磨(mo)損不會互(hu)相(xiang)干涉。兩(liang)個(ge)主(zhu)前刀(dao)(dao)(dao)面在進給方向(xiang)下傾5°，從而得到約(yue)2.5°的(de)負前角，使切屑流向(xiang)待(dai)加(jia)工(gong)(gong)表(biao)面，以避(bi)免切屑劃傷已(yi)加(jia)工(gong)(gong)表(biao)面。金剛(gang)石(shi)車(che)(che)刀(dao)(dao)(dao)非常鋒利，刀(dao)(dao)(dao)刃(ren)圓弧半徑小于100nm，5°的(de)后(hou)角已(yi)可(ke)充(chong)分減小后(hou)刀(dao)(dao)(dao)面與已(yi)加(jia)工(gong)(gong)表(biao)面的(de)擠壓(ya)和摩(mo)擦。

該刀(dao)具的關鍵(jian)質量要求是刀(dao)刃(ren)及刀(dao)尖在500倍顯微鏡(jing)(jing)下觀(guan)察無缺陷。其(qi)設計原則同樣適(shi)用于其(qi)它超精(jing)密鏡(jing)(jing)面加工刀(dao)具。

首飾批花刀

首(shou)飾(shi)批(pi)(pi)花(hua)(hua)刀(dao)用于在金、銀(yin)首(shou)飾(shi)上銑削出樹葉形(xing)(xing)的花(hua)(hua)紋(wen)圖案，實(shi)際上是一種成型(xing)銑刀(dao)，其刀(dao)頭形(xing)(xing)狀如圖2所示(shi)。刀(dao)尖角在110°～150°之(zhi)間(jian)，以適應(ying)不同(tong)大小(xiao)及深度的花(hua)(hua)紋(wen)加(jia)(jia)工。由于批(pi)(pi)花(hua)(hua)機床結構(gou)簡單、剛性(xing)差(cha)、振動大，加(jia)(jia)之(zhi)采用斷(duan)續干切(qie)削，加(jia)(jia)工條(tiao)件很差(cha)，因此批(pi)(pi)花(hua)(hua)刀(dao)刀(dao)頭需要具(ju)有較強(qiang)的抗沖擊(ji)能(neng)力。5°的負(fu)前(qian)角和1°～1.5°的后(hou)角可有效(xiao)增加(jia)(jia)刀(dao)刃強(qiang)度，同(tong)時較小(xiao)的后(hou)角還可使刀(dao)具(ju)與(yu)工件之(zhi)間(jian)適當(dang)擠(ji)靠，使切(qie)削不至(zhi)于“發虛”，防止切(qie)削振動在已加(jia)(jia)工表面形(xing)(xing)成“振紋(wen)”。

首飾(shi)批花刀與(yu)加工(gong)表殼及一些高光裝飾(shi)零件用刀具的設計(ji)原則大致相同，該類刀具要求刀刃(ren)在200～500倍(bei)顯微(wei)鏡下(xia)觀察無崩口。

隱形眼鏡車刀

隱形(xing)眼鏡所用材料非常(chang)柔軟(ruan)，且有一(yi)定(ding)的(de)(de)抗拉強(qiang)度(du)(du)，一(yi)般材料刀(dao)具(ju)(ju)由于刀(dao)刃(ren)(ren)圓弧(hu)過大，很難對其進(jin)行切削(xue)加(jia)工。由于車(che)(che)削(xue)加(jia)工后(hou)還有一(yi)道研磨工序，因此車(che)(che)削(xue)加(jia)工的(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)只要(yao)求(qiu)達到(dao)Ra0.1μm，車(che)(che)削(xue)加(jia)工的(de)(de)主要(yao)目的(de)(de)是(shi)得到(dao)具(ju)(ju)有一(yi)定(ding)形(xing)狀精度(du)(du)的(de)(de)凹凸(tu)圓弧(hu)面(mian)，對刀(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)主要(yao)要(yao)求(qiu)是(shi)刀(dao)刃(ren)(ren)的(de)(de)鋒(feng)利性。隱形(xing)眼鏡車(che)(che)刀(dao)的(de)(de)刀(dao)頭形(xing)狀如圖3所示(shi)。為(wei)滿足(zu)切削(xue)凹圓弧(hu)面(mian)的(de)(de)需(xu)要(yao)，采(cai)用15°的(de)(de)后(hou)角，要(yao)求(qiu)刀(dao)刃(ren)(ren)在100倍顯微鏡下觀察無崩口(kou)。

3、單晶金剛石刀具的使用與維護

單晶金剛(gang)(gang)石刀(dao)(dao)具脆性(xing)大，加之刀(dao)(dao)刃(ren)非常(chang)鋒利，受(shou)到沖擊(ji)時容易產生崩刃(ren)，因此應盡可能(neng)在平穩、無振(zhen)動的(de)(de)工作條件(jian)下使(shi)用；同時還應盡可能(neng)提高(gao)工件(jian)和刀(dao)(dao)具的(de)(de)裝卡(ka)剛(gang)(gang)性(xing)及整個(ge)系統的(de)(de)剛(gang)(gang)性(xing)，增加其抗振(zhen)能(neng)力(li)。切削用量(liang)以不超過0.1mm為宜。

較高的(de)切(qie)削(xue)(xue)速(su)度可減(jian)小切(qie)削(xue)(xue)力(li)，而(er)低速(su)切(qie)削(xue)(xue)則(ze)會(hui)增大(da)切(qie)削(xue)(xue)力(li)，從而(er)加速(su)刀(dao)具崩(beng)刃(ren)失效，因此(ci)采用(yong)金剛石刀(dao)具加工時切(qie)削(xue)(xue)速(su)度不宜過低。

應(ying)(ying)避免在(zai)靜(jing)止狀態下(xia)使金(jin)剛(gang)(gang)石刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)與(yu)工件或(huo)其它硬物接觸，以(yi)防(fang)止碰(peng)傷(shang)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)刃口(kou)。操(cao)作(zuo)人(ren)員的指(zhi)甲和指(zhi)紋中容易夾帶砂粒等硬質物，用指(zhi)甲或(huo)手(shou)指(zhi)直(zhi)接刮(gua)擦刀(dao)(dao)刃也可能(neng)損壞金(jin)剛(gang)(gang)石刀(dao)(dao)刃。金(jin)剛(gang)(gang)石刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)的檢測和調刀(dao)(dao)應(ying)(ying)采用光學儀器等非接觸式(shi)測量(liang)方法。

應采用脫脂棉(mian)加適量酒精或丙酮清洗金剛石刀具。刀具不使用時應套上橡(xiang)膠或塑(su)料保護套，并放(fang)置于單獨的刀盒中。

使(shi)用直線修光(guang)刃金(jin)剛石刀(dao)(dao)(dao)(dao)具進(jin)行鏡面切削時(shi)，要(yao)求副偏角(jiao)小于幾分(fen)，而刀(dao)(dao)(dao)(dao)具在(zai)(zai)安裝過(guo)程中(zhong)可能(neng)產生達1°的安裝誤差，所以(yi)加(jia)工前(qian)需要(yao)對(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具進(jin)行對(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)，通過(guo)調(diao)整(zheng)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具修光(guang)刃與進(jin)給方向的平(ping)行度，以(yi)獲得最佳(jia)的加(jia)工表(biao)面粗糙(cao)度。對(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)方法如下：首先在(zai)(zai)工件(jian)上加(jia)工出一(yi)小段表(biao)面，然后在(zai)(zai)10～30倍顯(xian)微鏡下調(diao)整(zheng)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具，使(shi)修光(guang)刃與其在(zai)(zai)新加(jia)工表(biao)面中(zhong)的鏡像平(ping)行。由于平(ping)行度要(yao)求較高，因此必(bi)須進(jin)行耐心(xin)而精細的反復調(diao)整(zheng)。應注(zhu)意：擰動刀(dao)(dao)(dao)(dao)桿(gan)夾緊螺釘(ding)時(shi)可能(neng)使(shi)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具產生微小轉動而導致對(dui)刀(dao)(dao)(dao)(dao)失敗。

由(you)于直(zhi)線修光(guang)刃刀具(ju)的(de)(de)對刀過程費時費力，因此對于一(yi)些(xie)精度(du)要求稍(shao)低的(de)(de)鏡面切(qie)削可(ke)采用半徑(jing)為10～30mm的(de)(de)圓(yuan)弧刃刀具(ju)代替直(zhi)線修光(guang)刃刀具(ju)。這種圓(yuan)弧刃刀具(ju)的(de)(de)形狀與隱形眼鏡車刀類似(si)，只(zhi)是減(jian)小了后角(jiao)，增(zeng)大了刀尖(jian)圓(yuan)弧半徑(jing)。使用這種刀具(ju)不但可(ke)簡化對刀過程，而且當一(yi)段圓(yuan)弧磨損后，稍(shao)微(wei)轉動刀具(ju)后還可(ke)使用另一(yi)段新圓(yuan)弧，從(cong)而增(zeng)加(jia)了刀具(ju)壽(shou)命。高(gao)精度(du)的(de)(de)單(dan)晶金剛石圓(yuan)弧刀具(ju)也(ye)是加(jia)工(gong)凹面反射(she)鏡的(de)(de)必備刀具(ju)