單晶金剛石刀具的裝卡與焊接

將單晶金剛石刀頭牢固、可靠地裝卡在刀桿上，是制造金剛石刀具的關(guān)鍵步驟，其裝卡質(zhì)量直接影響金剛石刀具的使用性能。目前常用的裝卡方法主要有三種，即粘結(jié)法、鑲嵌法和釬焊法。

1．粘結(jié)法

　　粘結(jié)法是采用環(huán)氧樹脂或502膠等有機粘結(jié)劑，將金剛石刀頭粘結(jié)在刀桿上與金剛石刀頭大小相匹配的凹槽中。這種方法操作簡便，不需要專用設(shè)備與夾具，可獲得一定的粘結(jié)強度。但由于有機粘結(jié)劑的耐溫性一般不超過200℃，研磨刀頭時或采用較大切削用量進行切削加工時產(chǎn)生的高溫均可能使粘結(jié)劑失效，所以粘結(jié)式金剛石刀具只適用于切削用量較小的超精密加工，且不能在刀桿上直接研磨金剛石刀頭。當(dāng)?shù)毒咝枰�修磨時，需要用丙酮等溶劑先將粘結(jié)膠化開，對金剛石刀頭進行修磨后再重新粘結(jié)到刀桿上。此外，粘結(jié)過程中金剛石刀頭的位置精度較難保證。

2．鑲嵌法

　　鑲嵌法是首先將金剛石刀頭與金屬粉末一起燒結(jié)，再通過壓板將金剛石刀頭機械地固定在刀桿上。鑲嵌法是目前應(yīng)用最為廣泛的金剛石刀具裝卡方法，其工藝過程如下：

　�。�1）將金剛石粗磨成上大下小的形狀，并確定刀刃及后刀面的位置。

　�。�2）將金剛石大面朝下放置在如圖1所示的鑄鐵模具中，在其周圍填充適量的銅基金屬粉末（如663銅粉），然后插入上柱塞，稍加壓力壓實金屬粉末。

圖1　鑲嵌模具

　　（3）采用高頻感應(yīng)裝置緩慢加熱模具的同時，不斷增加上下兩柱塞之間的壓力，直至溫度與壓力分別達到750℃和5.5kg/mm²。冷卻后取出燒結(jié)塊及其中的金剛石刀頭，在燒結(jié)塊上即可得到與金剛石刀頭形狀和大小相一致的窩孔。

　�。�4）根據(jù)設(shè)計的刀刃與刀桿的相對位置，去除燒結(jié)塊上的多余部分。然后將加工好的燒結(jié)塊用較低溫度的銅釬料釬焊在刀桿的正確位置上，并精確修磨刀桿的后角及其它部分。

　�。�5）將精磨好的金剛石刀頭放入燒結(jié)塊的窩孔中并加蓋合適的壓板，即完成了金剛石刀具的裝卡。裝卡好的金剛石刀頭（如圖2所示）只露出刀具的后刀面和1mm左右的前刀面。

圖2　裝夾好的金剛石刀具

　　鑲嵌法可以牢靠地固定金剛石刀頭，耐高溫性也較好，可以在裝卡后直接研磨刀頭的后刀面，從而達到較高的角度精度。修磨時只需打開壓板，取出金剛石刀頭，修磨合格后再重新裝配，十分方便。

　　鑲嵌法的缺點是工藝過程較復(fù)雜，同時金剛石刀頭只能露出少部分前刀面，其后部的壓板會妨礙切屑流出，容易使切屑堵塞在刀刃附近而破壞已加工表面。由于鑲嵌法裝卡的金剛石與燒結(jié)塊窩孔面之間無化學(xué)鍵連接，僅靠壓力壓緊，在加工中有可能產(chǎn)生微小位移，因此不太適合超精加工刀具的要求。此外，鑲嵌法要求金剛石具有較大體積，這一方面導(dǎo)致金剛石的利用率較低，另一方面難以制作用于小孔加工的小直徑刀具。

3．釬焊法

　　用釬焊法直接焊接金剛石刀具一直是一個頗受關(guān)注的問題。由于金剛石具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，很難與其它金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而實現(xiàn)焊接，因此，如何可靠地實現(xiàn)金剛石與金屬的牢固連接，成為金剛石工具制造業(yè)的技術(shù)難點和亟待解決的研究課題。

　　實現(xiàn)金剛石刀具的釬焊需要解決以下問題：

　　（1）潤濕性能：釬焊時，釬料必須潤濕被焊材料才能保證焊接部位無缺陷。由于金剛石的表面能很高，潤濕性差，因此找到對于金剛石和金屬基體表面均具有良好潤濕性的釬料是釬焊成功的關(guān)鍵。

　�。�2）粘結(jié)性能：釬料不僅應(yīng)具有良好的潤濕性，還要能與被焊材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵連接，才能實現(xiàn)具有足夠粘結(jié)力的焊接。

　�。�3）殘余應(yīng)力：金剛石與金屬的熱膨脹系數(shù)相差近十倍，在焊接后的冷卻過程中會形成很大的殘余應(yīng)力，從而影響焊接強度甚至損壞金剛石。

　　（4）金剛石的腐蝕：金剛石在高溫下會氧化或石墨化，某些金屬對金剛石還具有侵蝕作用，因此必須選擇合適的工作環(huán)境與釬料，將金剛石的腐蝕現(xiàn)象減小到最低程度。

　　大量研究發(fā)現(xiàn)，含有鈦、鋯、鈮、鉭等活性元素的釬料在真空中可以直接潤濕金剛石表面，這些活性元素還能與金剛石表面的碳原子反應(yīng)生成穩(wěn)定的碳化物，形成化學(xué)鍵連接。金屬鉬或鈷基硬質(zhì)合金與金剛石有較為相近的熱膨脹系數(shù)，用作焊接基體既可以不損壞金剛石又能保證釬焊強度。在此研究基礎(chǔ)上開發(fā)了真空條件下的金剛石釬焊技術(shù)。近年來又進一步開發(fā)了在保護氣體氛圍中釬焊金剛石的新技術(shù)。與真空釬焊技術(shù)相比，保護氣體釬焊技術(shù)具有設(shè)備成本低，操作簡便，工藝周期短等優(yōu)點，并保持了與真空釬焊相當(dāng)?shù)暮附訌姸�。這一技術(shù)的出現(xiàn)較圓滿地解決了長期存在的金剛石釬焊技術(shù)難題。

　　保護氣體釬焊金剛石所用釬料為銀銅鈦合金，合金中銀、銅、鈦的成份比例分別為

68.8%、26.7%和4.5%。保護氣體為氬（95％）與氫（5％）的混合氣體。焊接在如圖3所示的半開放式腔體中進行。釬焊工藝過程如下：

　�。�1）充分清除金剛石和金屬基體表面上的氧化物；

　�。�2）在保護氣氛中加熱基體及釬料，直至釬料熔化并均勻散布于基體的指定位置，然后冷卻；

　　（3）在基體的正確部位放置需焊接的金剛石，充入保護氣體后重新加熱至釬料熔化溫度，再緩慢冷卻至室溫。

圖3　釬焊裝置示意圖

　　采用釬焊法裝卡金剛石刀頭具有以下優(yōu)點：焊接強度高，焊接面的剪切強度可達340MPa，可將重量僅為0.02克拉的金剛石刀頭牢固地焊接在刀桿上；可在釬焊后對金剛石刀頭再進行精磨，以保證刀具幾何角度的加工精度；可使刀具前刀面高于刀桿，從而保證切屑排出順暢，使切削過程及工件表面質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠；可大幅度提高金剛石刀具的系統(tǒng)剛性。