介紹金剛石刀具的設(shè)計與制造, 以及金剛石刀具的一些最新成果。從推廣應(yīng)用的角度闡述其模塊化、廉價化發(fā)展趨勢, 同時就如何發(fā)展諸如模塊化部件、執(zhí)行系統(tǒng)、測量控制和環(huán)境控制等超精密加工關(guān)鍵技術(shù)提出一些新的觀點和方法。
 
摘要
隨著汽車、航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對材料的性能及加工技術(shù)要求日益提高。新型材料，如碳纖維增強塑料、顆粒增強金屬基復(fù)合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到廣泛應(yīng)用。這些材料具有強度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小等特性，這決定了它在機加工時刀具的壽命非常短。開發(fā)新型耐磨且穩(wěn)定的超硬切削刀具是許多高校和科研院所研究的課題。
 
金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)等眾多的優(yōu)異性能于一身，具有極高的硬度、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱性高、熱膨脹系數(shù)和化學(xué)惰性低，是制造刀具的理想材料。近年來發(fā)展了一些加工方法，本文對當(dāng)前金剛石刀具的制造方法作了一些概述。
 
1.金剛石刀具的分類
 
　　根據(jù)制造方法的不同，金剛石刀具大致可分為以下幾類：
　　
　　天然單晶金剛石刀具
　　
　　人工合成金剛石刀具
 
2.天然金剛石刀具的發(fā)展與現(xiàn)狀
 
　　天然金剛石具有硬度高、耐磨損、磨擦系數(shù)小、導(dǎo)熱性好等優(yōu)良特性，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料，使用天然單晶金剮石刀具對精密超精密零件進行切削，始于50年代末期。
 
　　后來發(fā)展要求加工非球面曲面反射鏡，再發(fā)展要求加工大型反射鏡。要求很高的形狀精度和很小的表面粗糙度。
　　
　　目前，天然單晶金剛石刀具的使用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是由于其產(chǎn)量低，價格昂貴，加上人造金剛石的出現(xiàn)，天然單晶金剛石刀具在精密加工領(lǐng)域的使用量的增加趨勢有所減弱，幾種人造金剛石以其良好的性能價格比和逐步成熟的使用技術(shù)，已經(jīng)逐步占領(lǐng)了要求相對較低的精密加工市場。
 
　3.金剛石刀具的應(yīng)用
 
　3.1 加工難加工的有色金屬
　　
　　在加工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時，這些材料粘附刀具，不宜加工。利用金剛石的摩擦系數(shù)低、與有色金屬親和力小而制成的金剛石刀具可防止金屬與刀具粘結(jié)在一起。由于金剛石的彈性模量大，在切削時刃部變形小，對所切削的有色金屬擠壓變形小，使切削過程在小變形下完成，可以提高切削的表面質(zhì)量。
　　
　　3.2 加工難加工的非金屬材料
　　
　　加工含有大量高硬度質(zhì)點的難加工非金屬材料，如玻璃纖維增強塑料、填硅材料、硬質(zhì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料時，材料的硬質(zhì)點使刀具的磨損嚴(yán)重，用硬質(zhì)合金刀具難以加工，而金剛石刀具的硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。
　　
　　3.3 超精密加工
　　
　　隨著現(xiàn)代集成技術(shù)的問世，機加工向高精度方向發(fā)展，對刀具性能提出了相當(dāng)高的要求。由于金剛石摩擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高，能切下極薄的切屑，切屑容易流出，與其它物質(zhì)的親和力小，不易產(chǎn)生積屑瘤，發(fā)熱量小，導(dǎo)熱率高，可以避免熱量對刀刃和工件的影響，因此刀刃不易鈍化，切削變形小，可以獲得較高質(zhì)量的表面。
　　
　4.金剛石刀具的制造方法
 
　　目前金剛石的主要加工方法有以下四種：薄膜涂層刀具、厚膜金剛石焊接刀具、金剛石燒結(jié)體刀具和單晶金剛石刀具。
　　
　　4.1 薄膜涂層刀具
　　
　　薄膜涂層刀具是在剛性及高溫特性好的集體材料上通過化學(xué)氣相沉積法(CVD)沉積金剛石薄膜制成的刀具。由于SiN4系陶瓷、WC+Co系硬質(zhì)合金以及金屬W的熱膨脹系與金剛石接近，制膜時產(chǎn)生的熱應(yīng)力小，因此可作為刀體的基體材料。WC+Co系硬質(zhì)合金中，粘結(jié)相Co的存在易使金剛石薄膜與基體之間形成石墨而降低附著強度，在沉積前需進行預(yù)處理以消除Co的影響(一般通過酸腐蝕去Co)。
　　
　　化學(xué)氣相沉積法是采用一定的方法把含有C源的氣體激活，在極低的氣體壓強下，使碳原子在一定區(qū)域沉積下來，碳原子在凝聚、沉積過程中形成金剛石相。目前用于沉積金剛石的CVD法主要包括：微波、熱燈絲、直流電弧噴射法等。
　　
　　金剛石薄膜的優(yōu)點是可應(yīng)用于各種幾何形狀復(fù)雜的刀具，如帶有切屑的刀片、端銑刀、鉸刀及鉆頭；可以用來切削許多非金屬材料，切削時切削力小、變形小、工作平穩(wěn)、磨損慢、工件不易變形，適用于工件材質(zhì)好、公差小的精加工。主要缺點是金剛石薄膜與基體的粘接力較差，金剛石薄膜刀具不具有重磨性。
　　
　　4.2 厚膜金剛石焊接刀具
　　
　　金剛石厚膜焊接刀具的制作過程一般包括：大面積的金剛石膜的制備；將金剛石膜切成刀具需要的形狀尺寸；金剛石厚膜與刀具基體材料的焊接；金剛石厚膜刀具切削刃的研磨與拋光。
　　
　　常用的制備金剛石厚膜的工藝方法是直流等離子體射流CVD法。將金剛石沉積到WC+Co合金(表面進行鏡面加工)上，在基體的冷卻過程中，金剛石膜自動脫落。此方法沉積速度快(最高可達(dá)930μm/h)，晶格之間結(jié)合比較緊密，但是生長表面比較粗糙。金剛石膜硬度高、耐磨、不導(dǎo)電決定了它的切割方法是激光切割(切割可在空氣、氧氣和氬氣的環(huán)境中進行)。采用激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸，還可以切出刀具的后角，具有切縫窄、高效等優(yōu)點。
　　
　　金剛石與一般的金屬及其合金之間具有很高的界面能，致使金剛石不能被一般的低熔點合金所浸潤，可焊性極差。目前主要通過在銅銀合金焊料中添加強碳化物形成元素或通過對金剛石表面進行金屬化處理來提高金剛石與金屬之間的可焊性。
　　
　　焊料一般用含Ti的銅銀合金，不加助熔劑在惰性氣體或真空中焊接。常用的釬料成分Ag=68.8wt%，Cu=26.7wt%，Ti=4.5wt%，常用的制備方法是電弧熔煉法和粉末冶金法。Ti作為活性元素在焊接過程中與C反映生成TiC，可提高金剛石與焊料的潤濕性和粘結(jié)強度。加熱溫度一般為850℃，保溫10分鐘，緩冷以減小內(nèi)應(yīng)力。
　　
　　金剛石表面的金屬化是通過表面處理技術(shù)在金剛石表面鍍覆金屬，使其表面具有金屬或類金屬的性能。一般是在金剛石的表面鍍Ti，Ti與C反應(yīng)生成TiC，TiC 與Ag-Cu合金釬料有較好的潤濕性和結(jié)合強度。目前常用的鍍鈦方法有：真空物理氣相沉積(PVD，主要包括真空蒸發(fā)鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍等)，化學(xué)氣相鍍和粉末覆蓋燒結(jié)。PVD法單次鍍覆量低，鍍覆過程中金剛石的溫度低于500℃，鍍層與金剛石之間是物理附著、無化學(xué)冶金。CVD法Ti與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成強力冶金結(jié)合，反應(yīng)溫度高，損害金剛石。
　　
　　厚膜金剛石刀具的刃磨金剛石厚膜刀具的加工方法有：機械磨削，熱金屬盤研磨，離子束、激光束和等離子體刻蝕等。
　　
　　4.3 金剛石燒結(jié)體刀具
　　
　　將金剛石厚膜用滾壓研磨破壞的方法加工成平均粒度為32～37μm的金剛石晶?；蛑苯永酶邷馗邏悍ㄖ频媒饎偸Я?，把晶粒粉末堆放到WC-16wt%Co 合金上，然后用Ta箔將其隔離，在5.5GPa、1500℃條件下燒結(jié)60分鐘，制成金剛石燒結(jié)體，用此燒結(jié)體制成的車刀具有很高的耐磨性。
　　
　　4.4 單晶金剛石刀具
　　
　　單晶金剛石刀具通常是將金剛石單晶固定在小刀頭上，小刀頭用螺釘或壓板固定在車刀刀桿上。金剛石在小刀頭上的固定方法主要有：機械加固法(將金剛石底面和加壓面磨平，用壓板加壓固定在小刀頭上)；粉末冶金法(將金剛石放在合金粉末中，經(jīng)加壓在真空中燒結(jié)，使金剛石固定在小刀頭上)；粘結(jié)和釬焊法(使用無機粘結(jié)劑或其它粘結(jié)劑固定金剛石)。由于金剛石與基體的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，金剛石易松動，脫落?！　?br style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(68, 68, 68); font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: 12px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);"/> 
5.總結(jié)
 
目前在金剛石的產(chǎn)業(yè)化中還存在一些關(guān)鍵問題函待解決，如高速大面積的金剛石厚膜沉積工藝、控制金剛石膜的晶界密度和缺陷密度、金剛石膜的低溫生長，金剛石薄膜與基體結(jié)合力弱等。金剛石刀具優(yōu)異的性能和廣泛的發(fā)展前途吸引國內(nèi)外無數(shù)的專家進行研究，有些已經(jīng)取得了突破性進展，相信不久的將來金剛石刀具將廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代加工中。
6.金剛石刀具的磨削工藝特點
 
一．金剛石刀具磨削的工藝特點
金剛石刀具的磨削有其自身的工藝特點，比較突出的特點為是材料硬度高，導(dǎo)致砂輪在磨削過程中損耗過快，尺寸不穩(wěn)定；其二，金剛石刀具多數(shù)為車刀或刀片， 其磨削部位相對于機床的位置是不確定的（如刀片厚度的變化），引起磨削點的變化。 其三，磨削抗力大，使砂輪、刀具、卡具和機床組成的工藝系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的彈性變形，從而產(chǎn)生比較大的“讓刀”現(xiàn)象。
這三個特點是實現(xiàn)自動化磨削的三只“擋路虎”，直接影響刀具的模削后的尺寸精度。如果不妥善解決，必然引起磨削尺寸精度和粗糙度一致性差，磨削效率低，不適合大批量生產(chǎn)。 聲控技術(shù)在金剛石工具磨床上的使用，能有效地解決這個三個問題。
二．自適應(yīng)控制技術(shù)在粗磨時的應(yīng)用
粗磨金剛石的主要任務(wù)是：提高磨削效率，也就是盡量少地設(shè)定安全距離，減少“磨削”空氣的時間；在機床剛性能承受的范圍內(nèi)， 盡快地去除磨削余量；盡早地發(fā)現(xiàn)磨削余量已經(jīng)去除（標(biāo)志是磨削抗力減少到最小）。
砂輪與金剛石刀具摩擦產(chǎn)生劇烈的聲波在工藝裝備上傳播，對聲波的監(jiān)控能準(zhǔn)確地反映出磨削狀況，如刀具與砂輪是否接觸，刀具與砂輪之間的壓力（即磨削抗力）是否消除等。如果控制系統(tǒng)能實時采集這些信息并進行分析，使機床控制系統(tǒng)與之相適應(yīng)，這無異于給機床安裝上了一只靈敏的耳朵，使機床控制器成為一個更為智能的自適應(yīng)系統(tǒng)。事實上，該系統(tǒng)的研發(fā)也是受現(xiàn)場工人磨刀的啟發(fā)。
正常磨削的時候，有兩種情況聲波頻率是有明顯特征，一是刀具和砂輪接觸的瞬間，二是磨削達(dá)到最終尺寸（磨削抗力下降為最?。r，這很容易理解。前者可以作為快速進給結(jié)束，開始磨削進給的分界線；后者則可以作為磨削完成的標(biāo)志。
即便是在刀具與砂輪“緊密接觸”的過程中，聲波頻率的變化也能反映出刀具與砂輪之間的抗力，將這“信息”反饋給機床控制器，調(diào)整伺服的進給速度，使磨削在相對“恒定”的抗力下完成，對于提高磨削效率，延長機床壽命具有很大的意義。
 
三．“對刀磨法”在精磨上的應(yīng)用
金剛石精磨的主要任務(wù)是：準(zhǔn)確而穩(wěn)定地控制磨削的最終尺寸精度。砂輪磨損，刃尖磨削點的準(zhǔn)確定位和磨削抗力最終都會影響加工精度，這些因素與機床的運動精度無關(guān)，而是有關(guān)什么時候開始磨（即對刀點），磨到什么程度結(jié)束等問題，和磨削狀態(tài)的監(jiān)測是密切相關(guān)的。
盡管砂輪磨損量難以測量，而刀片高度（其影響磨削點位置）在一定范圍內(nèi)也是難以測量的，帶有聲控裝置的控制系統(tǒng)總能輕易地記錄下刀尖和砂輪面接觸瞬間的準(zhǔn)確位置。以此作為起點，進行相對進給就能準(zhǔn)確地控制尺寸精度，大家把這叫“對刀磨法”。當(dāng)然，“對刀磨法”的前提條件是上道工序有準(zhǔn)確的基準(zhǔn)， 或能對磨削前的尺寸進行準(zhǔn)確測量，這用CCD系統(tǒng)在線測量系統(tǒng)就能做到。在行業(yè)內(nèi)用手動機床磨刀，PCD刀具的第一后角（也就修光刃）的磨削工藝為：在粗磨的尺寸基礎(chǔ)上再往下磨0.02~0.03mm，以形成0.05~0.1mm的刃帶。 這和“對刀磨法”也是不謀而合的。
在磨削過程中， 砂輪還在不斷地磨損， 系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)這種磨損并進行補償，將“磨削空氣”的時間壓縮為接近為零，大大地提高了磨削效率。
聲控技術(shù)在整個磨削行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，是因為這種技術(shù)能化解磨削中普遍存在的矛盾。這種矛盾在金剛石的磨削中是尤為突出的。