金剛石刀具的應用及制造方法
2016-01-28
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隨著汽車、航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對材料性能及加工技術(shù)的要求日益提高。新型材料如碳纖維增強塑料、顆粒增強金屬基復合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到廣泛應用。這些材料具有強度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小等特性，這決定了對它們進行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、科研院所和企業(yè)研究的課題。
金剛石集力學、光學、熱學、聲學、光學等眾多優(yōu)異性能于一身，具有高的硬度，摩擦系數(shù)小，導熱性高，熱膨脹系數(shù)和化學惰性低，是制造刀具的理想材料。本文對近年來金剛石刀具制造方法的發(fā)展作一概述。
1.金剛石刀具的應用范圍
(1)難加工有色金屬材料的加工
加工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時，材料易粘附刀具，加工困難。利用金剛石摩擦系數(shù)低、與有色金屬親和力小的特點，金剛石刀具可有效防止金屬與刀具發(fā)生粘結(jié)。此外，由于金剛石彈性模量大，切削時刃部變形小，對所切削的有色金屬擠壓變形小，可使切削過程在小變形下完成，從而可以提高加工表面質(zhì)量。
(2)難加工非金屬材料的加工
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)氧樹脂復合材料時，材料的硬質(zhì)點使刀具磨損嚴重，用硬質(zhì)合金刀具難以加工，而金剛石刀具硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。
(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高的要求。由于金剛石摩擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)低、導熱率高，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。
2.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。
2.1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氣相沉積法(CVD)沉積金剛石薄膜制成的刀具。
由于Si3N4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，在沉積前需進行預處理以消除Co的影響(一般通過酸腐蝕去Co)。
化學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)點是可應用于各種幾何形狀復雜的刀具，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。
2.2金剛石厚膜焊接刀具
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。(1)金剛石厚膜的制備與切割
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。
文章整理：金剛石彈性磨塊 http://m.puhuisj.cn/news/