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2007-03-31 22:53

天然金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展概況

1 前言

金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體，其晶體結(jié)構(gòu)屬等軸面心立方晶系(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(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。獨特的晶體結(jié)構(gòu)使金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度、剛性、折射率、導熱系數(shù)以及優(yōu)良的抗磨損、抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性等。

天然金剛石的優(yōu)良特性可滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數(shù)要求，是理想的精密切削刀具材料。天然金剛石無內(nèi)部晶界的均勻晶體結(jié)構(gòu)使刀具刃口理論上可達到原子級的平直度與鋒利度，切削時切薄能力強、精度高、切削力小；天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性保證了刀具的超長壽命，能保證持續(xù)長久的正常切削，并減少由于刀具磨損對零件精度的影響；其較高的導熱系數(shù)又可降低切削溫度和零件的熱變形。因此，天然金剛石作為超硬刀具材料在機械加工領(lǐng)域有著重要地位并得到了廣泛應(yīng)用，尤其在超精密加工領(lǐng)域(如加工用于原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡、用于導彈或火箭中的導航陀螺、計算機硬盤基片、加速器電子槍等超精密零件)，采用天然金剛石刀具無論在價格上還是在精度上都比傳統(tǒng)加工方法具有明顯優(yōu)勢。表1為采用天然金剛石刀具與傳統(tǒng)的研磨、拋光方法加工各種反射鏡的精度、價格比較結(jié)果。

表1 天然金剛石刀具與研磨、拋光方法在加工精度、價格上的比較

加工對象		加工費用(美元)
加工對象		傳統(tǒng)加工方法	金剛石車削
紅外非球面鏡		4000	2000
RPVFLIR非球面鏡		1600	900
醫(yī)用特殊FLIR鏡		3500	2000
X射線天體望遠鏡		50萬～100 萬(玻璃)	6萬(金屬)
Ø100mm拋物鏡	加工費用	50000	4000
	精度(µm)	3	0.6
	加工時間	12個月	3周

除高科技領(lǐng)域外，天然金剛石刀具在普通工業(yè)和民用產(chǎn)品加工中的應(yīng)用也逐年增長，已從傳統(tǒng)的手表零件加工發(fā)展到鋁活塞、首飾、制筆、高光標牌、有色金屬裝飾件等的加工，可以說天然金剛石刀具已深入機械加工各個領(lǐng)域，起著越來越重要的作用。

另一方面，由于天然金剛石的獨特性能，使得對其本身的加工非常困難。由于天然金剛石具有極高硬度，必須采用特殊方法進行研磨，對操作工人的技術(shù)也有很高要求；由于天然金剛石具有良好的化學穩(wěn)定性，過去長期無法對其進行焊接，只能采用機械方法夾持大顆粒金剛石，造成金剛石材料的浪費與刀具價格居高不下，同時還影響了刀具和零件的精度。

近百年來，科技人員對金剛石刀具在機械加工中的重要作用、應(yīng)用前景及實現(xiàn)方法等進行了長期研究及開發(fā)，取得了豐碩成果。下面分階段回顧天然金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展概況，介紹最新的金剛石刀具尖端技術(shù)，并探討今后的發(fā)展趨勢。

2 天然金剛石刀具傳統(tǒng)加工工藝

天然金剛石刀具是二戰(zhàn)后為滿足手表精密零件、光飾件以及首飾雕花等加工需要而發(fā)展起來的，其制造工藝起源于鉆石首飾的研磨拋光技術(shù)，它的發(fā)展帶來了手表及相關(guān)制造技術(shù)的重大變革。

鉆石首飾的研磨拋光工藝方法為：在鑄鐵研磨盤的上表面涂敷金剛石微粉與橄欖油混合而成的研磨膏，并使金剛石微粉鑲嵌在鑄鐵表面的微小孔隙中，固定于夾具滑板上的鉆石首飾靠夾具的自重壓在高速旋轉(zhuǎn)的研磨盤上進行研磨。

采用鉆石首飾加工方法研磨天然金剛石刀具時，需完成以下特殊工藝：

1) 刀刃處理及檢測：刀刃質(zhì)量將直接影響被加工零件質(zhì)量。
2) 定向：將刀具最劇烈磨損面置于金剛石最硬晶面上，使刀具使用壽命最長。傳統(tǒng)的定向方法一般采用肉眼定向。
3) 裝卡：在切削過程中，天然金剛石刀具要承受來自各個方向的切削力，為保證連續(xù)、穩(wěn)定的切削，必須將金剛石刀具牢固安裝在刀桿上。由于當時尚未發(fā)明金剛石釬焊技術(shù)，因此只能采用機械夾持。

由于傳統(tǒng)的金剛石刀具加工方法工藝簡單，設(shè)備造價低，因此直至今天仍用于金剛石刀具的粗加工。為進一步完善金剛石刀具加工工藝，半個世紀以來科技人員對金剛石晶體的物理、化學性質(zhì)以及金剛石刀具研磨機理、刀刃形成機理、切削理論、釬焊技術(shù)、精密刃磨設(shè)備等課題進行了大量研究，為天然金剛石刀具超精密加工技術(shù)的開發(fā)打下了堅實基礎(chǔ)，許多研究課題今天仍在繼續(xù)進行。

3 天然金剛石刀具超精密加工技術(shù)

二十世紀七十年代后期，在激光核融合技術(shù)的研究中，需要大量加工高精度軟質(zhì)金屬反射鏡，要求軟質(zhì)金屬表面粗糙度和形狀精度達到超精密水平。如采用傳統(tǒng)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(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實需求的推動下，天然金剛石超精密鏡面切削技術(shù)得以迅速發(fā)展，在已有的金剛石車削技術(shù)基礎(chǔ)上，通過提高機床精度與剛性、嚴格控制加工時的振動和溫度漂移、研制超精密天然金剛石刀具等，形成了鏡面切削工藝，并發(fā)展成為一項專門技術(shù)。作為超精密鏡面切削的關(guān)鍵技術(shù)之一，天然金剛石刀具技術(shù)在理論及實踐上都取得了顯著的創(chuàng)新與發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

3.1 超精密金剛石刀具的開發(fā)

1) 在主切削刃與副切削刃之間引入修光刃，使已加工表面的理論粗糙度接近于零且修光刃在500× 或更高倍顯微鏡下檢測時無缺陷。
2) 金剛石刀具關(guān)鍵角度的加工精度達到2”。
3) 車削內(nèi)曲面所用圓弧刀具的圓弧精度達到微米量級。

3.2 精密刃磨設(shè)備的研制

由于傳統(tǒng)的研磨設(shè)備已無法滿足超精密金剛石刀具的加工要求，因此開發(fā)了采用空氣軸承的圓弧與刀刃研磨機，其刃磨精度可達0.1µm。

3.3 精密定向技術(shù)及裝備

對金剛石刀具定向的目的不僅是要使刀具具有最長壽命，而且要求刀具后刀面與已加工表面的摩擦及刀刃附近解理面的應(yīng)力達到最小。為此，需要采用更精密的X 射線衍射儀進行定向。

3.4 真空釬焊技術(shù)的發(fā)明

真空釬焊是金剛石刀具制造技術(shù)最重要的突破之一。一方面，傳統(tǒng)的機械夾持方法可能導致金剛石刀具在切削中產(chǎn)生微小位移和振動等缺陷，影響加工質(zhì)量；另一方面，由于金剛石本身具有極高化學穩(wěn)定性，一般條件下很難與其它金屬發(fā)生反應(yīng)而實現(xiàn)焊接，即金剛石具有不可焊性。為解決這一矛盾，經(jīng)過長期研究和探索，終于發(fā)現(xiàn)了釬焊金剛石的特定條件(高真空環(huán)境)和釬焊合金(以鈦為活性元素的銀基合金)。