介紹金剛石刀具的設(shè)計(jì)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(jià)化發(fā)展趨勢(shì), 同時(shí)就如何發(fā)展諸如模塊化部件、執(zhí)行系統(tǒng)、測(cè)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(diǎn)和方法。
 
摘要
隨著汽車、航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)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(qiáng)塑料、顆粒增強(qiáng)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(qiáng)度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小等特性，這決定了它在機(jī)加工時(shí)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(lái)發(fā)展了一些加工方法，本文對(duì)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(duì)精密超精密零件進(jìn)行切削，始于50年代末期。
 
　　后來(lái)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(jià)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(shì)有所減弱，幾種人造金剛石以其良好的性能價(jià)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(duì)較低的精密加工市場(chǎng)。
 
　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(shí)，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(shí)刃部變形小，對(duì)所切削的有色金屬擠壓變形小，使切削過(guò)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(diǎn)的難加工非金屬材料，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料、填硅材料、硬質(zhì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料時(shí)，材料的硬質(zhì)點(diǎn)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(jī)加工向高精度方向發(fā)展，對(duì)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(duì)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(guò)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(shí)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(qiáng)度，在沉積前需進(jìn)行預(yù)處理以消除Co的影響(一般通過(guò)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(qiáng)下，使碳原子在一定區(qū)域沉積下來(lái)，碳原子在凝聚、沉積過(guò)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(diǎn)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(lái)切削許多非金屬材料，切削時(shí)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(diǎn)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(guò)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(jìn)行鏡面加工)上，在基體的冷卻過(guò)程中，金剛石膜自動(dòng)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(zhǎng)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(jìn)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(diǎn)。
　　
　　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(diǎn)合金所浸潤(rùn)，可焊性極差。目前主要通過(guò)在銅銀合金焊料中添加強(qiáng)碳化物形成元素或通過(guò)對(duì)金剛石表面進(jìn)行金屬化處理來(lái)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(guò)程中與C反映生成TiC，可提高金剛石與焊料的潤(rùn)濕性和粘結(jié)強(qiáng)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(guò)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(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)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(guò)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(wú)化學(xué)冶金。CVD法Ti與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成強(qiáng)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(jī)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的金剛石晶粒或直接利用高溫高壓法制得金剛石晶粒，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(jī)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(wú)機(jī)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(dòng)，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(zhǎng)，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(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)的專家進(jìn)行研究，有些已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，相信不久的將來(lái)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(diǎn)
 
一．金剛石刀具磨削的工藝特點(diǎn)
金剛石刀具的磨削有其自身的工藝特點(diǎn)，比較突出的特點(diǎn)為是材料硬度高，導(dǎo)致砂輪在磨削過(guò)程中損耗過(guò)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(duì)于機(jī)床的位置是不確定的（如刀片厚度的變化），引起磨削點(diǎn)的變化。 其三，磨削抗力大，使砂輪、刀具、卡具和機(jī)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(gè)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)三個(gè)問題。
二．自適應(yīng)控制技術(shù)在粗磨時(shí)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(shí)間；在機(jī)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?。?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);"/>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(duì)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(shí)時(shí)采集這些信息并進(jìn)行分析，使機(jī)床控制系統(tǒng)與之相適應(yīng)，這無(wú)異于給機(jī)床安裝上了一只靈敏的耳朵，使機(jī)床控制器成為一個(gè)更為智能的自適應(yīng)系統(tǒng)。事實(shí)上，該系統(tǒng)的研發(fā)也是受現(xiàn)場(chǎng)工人磨刀的啟發(fā)。
正常磨削的時(shí)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（磨削抗力下降為最小）時(shí)，這很容易理解。前者可以作為快速進(jìn)給結(jié)束，開始磨削進(jìn)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(guò)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(jī)床控制器，調(diào)整伺服的進(jìn)給速度，使磨削在相對(duì)“恒定”的抗力下完成，對(duì)于提高磨削效率，延長(zhǎng)機(jī)床壽命具有很大的意義。
三．“對(duì)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(diǎn)的準(zhǔn)確定位和磨削抗力最終都會(huì)影響加工精度，這些因素與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度無(wú)關(guān)，而是有關(guān)什么時(shí)候開始磨（即對(duì)刀點(diǎn)），磨到什么程度結(jié)束等問題，和磨削狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是密切相關(guān)的。
盡管砂輪磨損量難以測(cè)量，而刀片高度（其影響磨削點(diǎn)位置）在一定范圍內(nèi)也是難以測(cè)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(diǎn)，進(jìn)行相對(duì)進(jìn)給就能準(zhǔn)確地控制尺寸精度，大家把這叫“對(duì)刀磨法”。當(dāng)然，“對(duì)刀磨法”的前提條件是上道工序有準(zhǔn)確的基準(zhǔn)， 或能對(duì)磨削前的尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，這用CCD系統(tǒng)在線測(cè)量系統(tǒng)就能做到。在行業(yè)內(nèi)用手動(dòng)機(jī)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(duì)刀磨法”也是不謀而合的。
在磨削過(guò)程中， 砂輪還在不斷地磨損， 系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種磨損并進(jìn)行補(bǔ)償，將“磨削空氣”的時(shí)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(gè)磨削行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)檫@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。