天然金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展概況

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3147


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(jià)鍵，因此具有很強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。獨(dú)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(dǎo)熱系數(shù)以及優(yōu)良的抗磨損、抗腐蝕性和化學(xué)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(duì)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(dá)到原子級(jí)的平直度與鋒利度，切削時(shí)切薄能力強(qiáng)、精度高、切削力�。惶烊唤饎偸挠捕�、抗磨損與抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性保證了刀具的超長(zhǎng)壽命，能保證持續(xù)長(zhǎng)久的正常切削，并減少由于刀具磨損對(duì)零件精度的影響；其較高的導(dǎo)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(jī)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(dǎo)彈或火箭中的導(dǎo)航陀螺、計(jì)算機(jī)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(jià)格上還是在精度上都比傳統(tǒng)加工方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。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(jià)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(jià)格上的比較
加工對(duì)象 加工費(fèi)用(美元)
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(yuǎn)鏡 50萬～100 萬(玻璃) 6萬(金屬)
Ø100mm拋物鏡 加工費(fèi)用 50000 4000
精度(µm) 3 0.6
加工時(shí)間 12個(gè)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(zhǎng)，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(biāo)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(jī)械加工各個(gè)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(dú)特性能，使得對(duì)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(jìn)行研磨，對(duì)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(xué)穩(wěn)定性，過去長(zhǎng)期無法對(duì)其進(jìn)行焊接，只能采用機(jī)械方法夾持大顆粒金剛石，造成金剛石材料的浪費(fèi)與刀具價(jià)格居高不下，同時(shí)還影響了刀具和零件的精度。

近百年來，科技人員對(duì)金剛石刀具在機(jī)械加工中的重要作用、應(yīng)用前景及實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了長(zhǎng)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(shì)。

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(jìn)行研磨。
采用鉆石首飾加工方法研磨天然金剛石刀具時(shí)，需完成以下特殊工藝：

  1. 刀刃處理及檢測(cè)：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(zhǎng)。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(gè)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(dāng)時(shí)尚未發(fā)明金剛石釬焊技術(shù)，因此只能采用機(jī)械夾持。

由于傳統(tǒng)的金剛石刀具加工方法工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備造價(jià)低，因此直至今天仍用于金剛石刀具的粗加工。為進(jìn)一步完善金剛石刀具加工工藝，半個(gè)世紀(jì)以來科技人員對(duì)金剛石晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)以及金剛石刀具研磨機(jī)理、刀刃形成機(jī)理、切削理論、釬焊技術(shù)、精密刃磨設(shè)備等課題進(jìn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，許多研究課題今天仍在繼續(xù)進(jìn)行。

3 天然金剛石刀具超精密加工技術(shù)


二十世紀(jì)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(dá)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(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、操作難度大，而且不易達(dá)到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)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(jī)床精度與剛性、嚴(yán)格控制加工時(shí)的振動(dòng)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(xiàng)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(shí)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：

  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(cè)時(shí)無缺陷。
    2. 金剛石刀具關(guān)鍵角度的加工精度達(dá)到2”。
    3. 車削內(nèi)曲面所用圓弧刀具的圓弧精度達(dá)到微米量級(jí)。

  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(jī)，其刃磨精度可達(dá)0.1µm。

  3. 精密定向技術(shù)及裝備
    對(duì)金剛石刀具定向的目的不僅是要使刀具具有最長(zhǎng)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(dá)到最小。為此，需要采用更精密的X 射線衍射儀進(jìn)行定向。

  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(jī)械夾持方法可能導(dǎo)致金剛石刀具在切削中產(chǎn)生微小位移和振動(dòng)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(xué)穩(wěn)定性，一般條件下很難與其它金屬發(fā)生反應(yīng)而實(shí)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(zhǎng)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)。

  5. 刀具磨損機(jī)理的確立
    通過研究發(fā)現(xiàn)，在切削過程中，金剛石刀具的磨損以化學(xué)粘結(jié)磨損為主，并存在少量機(jī)械磨損等其它磨損形式。刀具磨損機(jī)理的確立決定了刀具定向原則：將化學(xué)穩(wěn)定性最好的晶面置于刀具的后刀面。

  6. 機(jī)械磨削方法的系統(tǒng)研究
  7. 金剛石理論研究的進(jìn)展
    通過對(duì)金剛石理論的深入研究，發(fā)現(xiàn)了金剛石的宏觀塑性變形(過去認(rèn)為金剛石只有少量彈性變形而無塑性變形)；研究了金剛石晶體中的微量雜質(zhì)，根據(jù)雜質(zhì)的不同將金剛石分為四類，從而可根據(jù)不同用途選擇不同種類的金剛石；此外，通過對(duì)金剛石的斷裂特性、解理特性、表面形成機(jī)理等進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究，獲得了大量數(shù)據(jù)，形成了各種理論，對(duì)金剛石有了更為科學(xué)、更為深刻的認(rèn)識(shí)。
    這一階段金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)是：由于金剛石刀具被應(yīng)用于國(guó)防、高科技等領(lǐng)域，因此得到大量資金投入，在研究中使用了尖端設(shè)備、儀器和最新科學(xué)方法，取得了飛躍性發(fā)展。

4 天然金剛石刀具最新加工技術(shù)


二十世紀(jì)八十年代末期，微型機(jī)械作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域得到快速發(fā)展。采用機(jī)械方法加工用于制造微型機(jī)器人的微型零部件(如Ø0.1mm微型精密齒輪、0.3mm微型電機(jī)等)時(shí)，要求刀具的刀尖圓弧半徑為3～5µm，且圓弧精度能夠控制，并可達(dá)到相當(dāng)長(zhǎng)的刀具使用壽命。
從刀具材料分析，只有單晶天然金剛石能滿足上述要求。同時(shí)，經(jīng)過近十年的高速發(fā)展，金剛石刀具理論與技術(shù)已經(jīng)有了豐富積累，基本具備了研制開發(fā)上述高精度刀具的能力。但是，運(yùn)用前述金剛石刀具超精密加工技術(shù)加工出的金剛石刀具與微型機(jī)械加工刀具的要求仍有距離，需要進(jìn)一步研制開發(fā)更先進(jìn)的加工方法。近年來開發(fā)了采用各種化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法，以下介紹的三種加工方法均可達(dá)到原子級(jí)加工水平。

  1. 熱化學(xué)方法
    熱化學(xué)方法的機(jī)理為：在溫度為800℃時(shí)，若金剛石表面與鐵接觸，金剛石晶體中的碳原子能夠擺脫自身晶格的約束，擴(kuò)散到鐵晶體晶格中去。
    運(yùn)用熱化學(xué)方法的研磨過程為：在氫氣氣氛中將鐵質(zhì)研磨盤加熱到800℃，使金剛石與研磨盤接觸并相對(duì)滑動(dòng)，金剛石晶格中的碳原子會(huì)擴(kuò)散到鐵晶體晶格中，達(dá)到磨削金剛石的目的；進(jìn)入鐵晶格中的碳原子與氫氣反應(yīng)生成甲烷并隨氣流散發(fā)到空氣中。采用熱化學(xué)方法的磨削速度為每秒40～2000個(gè)原子層。

  2. 真空等離子化學(xué)拋光
    首先用真空等離子物理氣相沉積法在研磨盤表面鍍上一層細(xì)晶粒氧化硅，然后在高真空中活化金剛石表面，同時(shí)使之與轉(zhuǎn)動(dòng)中的研磨盤相接觸，金剛石表面處于活化狀態(tài)的碳原子會(huì)與研磨盤上的氧化硅發(fā)生反應(yīng)，從而對(duì)金剛石形成磨削；反應(yīng)生成的一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w被真空泵抽出反應(yīng)室。這種方法的反應(yīng)速度為1～3000µm3/s(約每秒0.25～750個(gè)原子層)。

  3. 無損傷機(jī)械化學(xué)拋光法
    在NaOH 溶液中加入一定量的細(xì)金剛石粉和更細(xì)(納米級(jí))的硅粉，帶強(qiáng)負(fù)靜電的硅粉會(huì)吸附在比其大得多的單個(gè)金剛石微粒上，形成具有硅吸附層的金剛石研磨粉，然后將其涂敷在多孔的鑄鐵研磨盤上。研磨金剛石時(shí)，吸附在金剛石研磨粉上的硅粉一方面阻止金剛石粉對(duì)被加工金剛石表面的直接沖擊，保護(hù)被加工金剛石表面不被深度損傷，另一方面與被加工金剛石表面發(fā)生反應(yīng)并通過微弱的磨削作用將反應(yīng)層去除。該方法的磨削速度非常低，僅為每分鐘1個(gè)原子層。

上述三種方法具有以下共同特點(diǎn)：①避免了機(jī)械加工方法所固有的表面沖擊溝痕，被加工金剛石表面無沖擊，表面異常光潔，表面粗糙度可達(dá)Ra1nm(機(jī)械加工方法只能達(dá)到100nm量級(jí))。②金剛石與研磨盤之間的接觸力極小，可很容易地磨出高質(zhì)量刀刃。③金剛石表面的損傷與變質(zhì)層很淺，從而提高了刀具壽命。④磨削速度很低，只能用于精磨后的超精密拋光。
采用上述方法不但可滿足加工微型機(jī)械用金剛石刀具的加工要求，還使超薄生物切片刀、眼科手術(shù)刀等小楔角金剛石刀具的制造過程變得簡(jiǎn)易。

5 金剛石刀具技術(shù)發(fā)展方向


縱觀金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展歷程，其技術(shù)發(fā)展路線為：傳統(tǒng)工藝及批量生產(chǎn)→理論研究→超精密加工技術(shù)及批量生產(chǎn)→理論突破→最新尖端刃磨技術(shù)。可以預(yù)測(cè)，金剛石刀具技術(shù)今后的發(fā)展方向?qū)⑹菍?shí)現(xiàn)最新尖端加工技術(shù)的批量化生產(chǎn)以及以這些尖端技術(shù)為基礎(chǔ)的理論研究。

一項(xiàng)新的加工技術(shù)，從研制成功到實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)需要解決的主要問題是降低生產(chǎn)成本、提高工藝效率和簡(jiǎn)化操作過程。金剛石釬焊技術(shù)批量化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)就是一個(gè)典型實(shí)例：七十年代末期發(fā)明的金剛石真空釬焊技術(shù)需要一整套昂貴的真空設(shè)備和較長(zhǎng)的抽真空時(shí)間，加工成本高，效率低，操作過程復(fù)雜。十年后出現(xiàn)的保護(hù)氣氛釬焊技術(shù)有效解決了這些問題，基本滿足了批量化生產(chǎn)的要求，設(shè)備成本降至真空釬焊的1/5，焊接時(shí)間從真空釬焊的2小時(shí)縮短至20分鐘，所采用的半開放焊接室大大簡(jiǎn)化了操作過程。

最新的化學(xué)機(jī)械拋光方法同樣存在成本高、效率低、操作過程復(fù)雜等問題，需要系統(tǒng)研究其磨削機(jī)理、各種加工參數(shù)對(duì)加工效率和質(zhì)量的影響，并在此基礎(chǔ)上提出新的實(shí)現(xiàn)方案，經(jīng)過試驗(yàn)、改進(jìn)，最終達(dá)到批量生產(chǎn)的要求。

除化學(xué)機(jī)械拋光方法的研究外，機(jī)械研磨方法的磨削機(jī)理也是一個(gè)古老而富有挑戰(zhàn)性的研究課題。從五十年代的碳化與解理之爭(zhēng)到九十年代的解理與塑性變形理論，雖然都能解釋金剛石磨削硬度的各向異性，但卻缺乏嚴(yán)謹(jǐn)、完整的理論體系和具有說服力的實(shí)驗(yàn)證明，其原因是金剛石表面異常光潔，需要采用原子級(jí)的表面狀態(tài)、微應(yīng)力與微裂紋觀測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行分析。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些觀測(cè)手段正逐漸成為可能。

此外，對(duì)于金剛石的機(jī)械、物理、化學(xué)性能，大多缺乏精確的數(shù)據(jù)。如何精確測(cè)定金剛石的硬度(目前只能確定0.4～1.3GPa范圍)也是將來需要進(jìn)一步研究的課題。

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