單晶金剛石刀具刃磨特點的研究

　　 1 引言

    在超精密加工中，保證加工表面質量的主要因素除了高精度的機床、超穩定的加工環境外，高質量的刀具也是很重要的一個方面。天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、強度高、導熱性好、與有色金屬摩擦系數低、抗黏結性好以及優良的抗腐蝕性和化學穩定性，可以刃磨出極其鋒利的刀刃，被認為是最理想的超精密切削用刀具材料，在機械加工領域尤其是超精密加工領域有著重要地位并得到廣泛應用。


    2 單晶金剛石的物理特性

     金剛石是單一碳原子的結晶體，其晶體結構屬于等軸面心立方晶系（一種原子密度最高的晶系）。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，因此具有很強的結合力、穩定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物質，其顯微硬度可達10000HV，其它物理特性見表。

    表1 金剛石的物理性能
    物理性能－數值
    硬度－60000～100000MPa，隨晶體方向和溫度而定
    抗彎強度－210～490MPa
    抗壓強度－1500～2500MPa
    彈性模量－(9～10.5)×10的12次方MPa
    熱導率－8.4～16.7J/cm?s?℃
    質量熱容－0.156J/(g?℃)(常溫)
    開始氧化溫度－900～1000K
    開始石墨化溫度－1800K(在惰性氣體中)
    和鋁合金、黃銅間的摩擦系數－0.05～0.07(在常溫下)

     二十世紀七十年代后期，在激光核融合技術的研究中，需要大量加工高精度軟質金屬反射鏡，要求軟質金屬表面粗糙度和形狀精度達到超精密水平。如采用傳統的研磨、拋光加工方法，不僅加工時間長、費用高、操作難度大，而且不易達到要求的精度。因此，亟需開發新的加工方法。在現實需求的推動下，單晶金剛石超精密切削技術得以迅速發展。由于單晶金剛石本身的物理特性，切削時不易黏刀及產生積屑瘤，加工表面質量好，加工有色金屬時，表面粗糙度可達 Rz0.1～0.05μm。金剛石還能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結硬質合金、各種纖維和顆粒加強復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材（尤其是實心木和膠合板、MDF等復合材料）。


     3 天然單晶金剛石刀具的刃磨特點

     超精密加工中，單晶金剛石刀具的兩個基本精度是刀刃輪廓精度和刃口的鈍圓半徑。要求加工非球面透鏡用的圓弧刀具刃口的圓度為0.05μm以下,加工多面體反射鏡用的刀刃直線度為0.02μm；刀具刃口的鈍圓半徑(ρ值)表示了刀具刃口的鋒利程度，為了適應各種加工要求，刀刃刃口半徑范圍從 20nm～1μm。


    3.1 單晶金剛石刀具的晶面選擇

    金剛石晶體屬于立方晶系，由于每個晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之間距離的不同，造成天然金剛石晶體的各向異性，因此金剛石不僅各晶面表現的物理機械性能不同、其制造難易程度和使用壽命都不相同，各晶面的微觀破損強度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強度可用Hertz試驗法來測定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強度數值一般偏差較大，主要依賴于應力分布的形態和分布范圍，因此適合用概率論來分析。當作用應力相同時，（110）晶面的破損概率最大，（111）晶面次之，（100）晶面產生破損的概率最小。即在外力作用下，（110）晶面最易破損，（111）晶面次之，（100）最不易破損。盡管（110）晶面的磨削率高于（100）晶面，但實驗結果表明，（100）晶面較其它晶面具有更高的抗應力、腐蝕和熱退化能力。結合微觀強度綜合考慮，用（100）面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高質量的刀具刃口，不易產生微觀崩刃。


    通常應根據刀具的要求來進行單晶金剛石刀具的晶面選擇。一般來說，如果要求金剛石刀具獲得最高的強度，應選用（100）晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗機械磨損，則選用（110）晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗化學磨損，則宜采用（110）晶面作刀具的前刀面，（100）晶面作后刀面，或者前、后刀面都采用（100）晶面。這些要求都需要借助晶體定向技術來實現。


    3.2 金剛石刀具的定向方法

    目前，晶體定向主要有三種方法：人工目測晶體定向、激光晶體定向和X射線晶體定向。


    （1）人工目測晶體定向

     該方法是根據天然晶體外部幾何形狀、表面生長、腐蝕特征及各晶面之間的幾何角度關系，憑借操作者長期的工作經驗，通過觀察和試驗所做的粗略晶體定向。該方法簡單、易行、不需要借助設備，但定向結果準確性差，對操作者經驗要求高，且對于經過加工、失去了天然單晶晶體特征的刀具就無法再進行人工目測定向。


    （2）激光晶體定向

     激光晶體定向是用相干性較好的激光照射到金剛石晶體表面上，在不同結晶方向上表面存在的在生長過程中形成的形狀規則的晶面晶紋和微觀凹坑被反射到屏幕上形成特征衍射光圖像。但實際上因受到外界干擾因素，自然形成的規則晶面晶紋和微觀凹坑往往不明顯或根本無法觀察到。因此這種晶體在定向之前，要經過適當的人工腐蝕，以形成特征形貌。


    （3）X射線晶體定向

    由于X射線的波長接近晶體的晶格常數，當X射線透過晶體或從晶體表面反射回來時，會發生衍射。利用這個原理已開發有專用的X射線晶體定向儀。這種晶體定向方法精度高，但是因X射線對人體有一定的危害，在使用時需注重對操作人員的保護。


    3.3 金剛石刀具的晶向選擇

     金剛石各向異性，因此不但各晶面的硬度、耐磨性不同，就是同一晶面不同方向的耐磨性也不同。如果晶向選擇不當，即使晶面選擇正確，刃磨效率也會大大降低。同時由于金剛石晶體的抗壓強度比抗拉強度大5～7倍，所以在刃磨過程中要選擇晶面的易磨方向，同時刃口要迎著刃磨砂輪線速度的正方向（即采取逆磨），以保證刃磨效率并減小刃口的微觀解理程度。


    3.4 金剛石刀具的磨、破損

    金剛石刀具的磨損機理比較復雜，可分為宏觀磨損和微觀磨損，前者以機械磨損為主，后者以熱化學磨損為主。常見的金剛石刀具磨破損形態為前刀面磨損、后刀面磨損和刃口崩裂。在單晶金剛石刀具刃磨過程中，需要其磨損以刃磨出滿足要求的刀具，但若產生了不需要的磨損就可能損傷已經刃磨好的前、后刀面。而刃口崩裂(即崩刃)是在刃口上的應力超過金剛石刀具的局部承受能力時發生的，一般是由金剛石晶體沿（111）晶面的微觀解理破損造成的。在超精密加工中，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑比較小，其本身又屬于硬脆材料，同時由于其各向異性且（111）面易發生解理，隨著振動和砂輪砂粒對刀具刃口的沖擊作用，故常常會伴隨產生崩刃現象。


    4 刃磨試驗

     試驗在EWAG RS-12磨刀機上進行。試驗中，由于缺乏有效的晶體定向手段，只有通過對報廢刀具的結構分析，大致判定刀具的晶面方向，然后通過刃磨過程中刀具與砂輪表面的接觸力、接觸聲音等信息，兼顧砂輪速度、主軸往復運動速度和擺幅等參數，仔細尋找刀具合適的刃磨角度。當刃磨的聲音比較沉悶吃力、手感機床有較大振動時，應立即退出刀具，避免刀體損傷砂輪，并重新調整角度。調節適當后，刃磨的聲音比較輕快柔軟，手感機床振動微小，并且連續上刀0.05mm，機床不會出現振動波動。


    通過各次刃磨情況的比對，確定主切削刃和副切削刃較為合理的刃磨選向為砂輪旋轉方向應指向刃口受壓方向，并與之形成 15～30º角。根據機床資料并綜合考慮材料去除率和磨削比率，推薦采用的砂輪速度為8～65m/s。通過試驗發現，砂輪速度在22～28m/s時，研磨效果最好；速度在15 m/s時刃口的Rt值最小。因此，在實際的刃磨過程中，將刀頭放置在研磨盤φ140左右的區域內，粗磨時選擇砂輪轉速為2100rev/min，精磨時選擇砂輪轉速為1000rev/min，保證粗磨時的砂輪速度為23m/s左右，精磨時為15 m/s左右。主軸往復擺動幅度不宜過大，一般比刃磨刀口寬度略寬即可，擺動頻率也不宜過快。


    為得到經濟性的刃磨效果，磨削接觸壓力需隨著刃長的增加而增加。在粗磨時，隨著接觸壓力的升高，會出現材料去除率的正向突變。在超精磨時，材料去除率隨接觸壓力的增加先是逐漸升高，當接觸壓力增加到 180N時，材料去除率轉而逐漸降低。精拋時刀具與研磨盤之間的接觸壓力在12～14N時最有利于保證刃磨面的表面光潔度。因此刃磨時刀具與砂輪表面應有適當的接觸力。粗磨時，盡量采用機床的壓力控制，在對刀之后應盡快上刀，并且按住機床變位操縱拉桿（該拉桿用于操縱工作臺在工作位與測量位之間進行轉換），以保證所需較大接觸力，避免引起機床振動導致崩刃。


    5 結語

    針對金剛石晶體各向異性的特點，在刃磨前需要進行準確的晶體定向。同時在刃磨過程中應嚴格控制溫度、機床振動、砂輪粒度、轉速和往復運動速度，選擇回轉精度高的研磨設備和平面精度高的研磨盤，避免由于金剛石晶體的硬脆性和較差的熱穩定性而出現不必要的磨、破損。另外，應解決人工手動加壓而無法保證壓力穩定性的問題，同時配套與刃磨過程相匹配的檢測方法和檢測儀器，以保證刃磨的質量穩定性。

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