在超精密加工中,保證加工表面質(zhì)量的主要因素除了高精度的機(jī)床从媚、超穩(wěn)定的加工環(huán)境外,高質(zhì)量的刀具也是很重要的一個(gè)方面沮汇。天然金剛石具有硬度高、耐磨性好熄晕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好便透、與有色金屬摩擦系數(shù)低尔网、抗黏結(jié)性好以及優(yōu)良的抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性,可以刃磨出極其鋒利的刀刃,被認(rèn)為是最理想的超精密切削用刀具材料,在機(jī)械加工領(lǐng)域尤其是超精密加工領(lǐng)域有著重要地位并得到廣泛應(yīng)用。

1單晶金剛石的物理特性

金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體,其晶體結(jié)構(gòu)屬于等軸面心立方晶系(一種原子密度最高的晶系)航厚。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)合力顷歌、穩(wěn)定性和方向性锰蓬。它是目前自然界已知的最硬物質(zhì),其顯微硬度可達(dá)10000HV,其它物理特性見表。

表1金剛石的物理性能

物理性能-數(shù)值

硬度-60000～100000MPa,隨晶體方向和溫度而定

抗彎強(qiáng)度-210～490MPa

抗壓強(qiáng)度-1500～2500MPa

彈性模量-(9～10.5)×10的12次方MPa

熱導(dǎo)率-8.4～16.7J/cm·s·℃

質(zhì)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)

和鋁合金眯漩、黃銅間的摩擦系數(shù)-0.05～0.07(在常溫下)

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)到超精密水平芹扭。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法,不僅加工時(shí)間長(zhǎng)赦抖、費(fèi)用高舱卡、操作難度大,而且不易達(dá)到要求的精度。因此,亟需開發(fā)新的加工方法队萤。在現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)下,單晶金剛石超精密切削技術(shù)得以迅速發(fā)展轮锥。由于單晶金剛石本身的物理特性,切削時(shí)不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤,加工表面質(zhì)量好,加工有色金屬時(shí),表面粗糙度可達(dá)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,如銅要尔、鋁等有色金屬及其合金舍杜、陶瓷、未燒結(jié)硬質(zhì)合金赵辕、各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料既绩、塑料、橡膠膘掀、石墨殿腺、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實(shí)心木和膠合板、MDF等復(fù)合材料)榨狐。

2天然單晶金剛石刀具的刃磨特點(diǎn)

超精密加工中,單晶金剛石刀具的兩個(gè)基本精度是刀刃輪廓精度和刃口的鈍圓半徑暇创。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(yīng)各種加工要求,刀刃刃口半徑范圍從20nm～1μm咱漱。

2.1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(gè)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(xiàn)的物理機(jī)械性能不同屈腻、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(qiáng)度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強(qiáng)度可用Hertz試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定,由于金剛石是典型的脆性材料,其強(qiáng)度數(shù)值一般偏差較大,主要依賴于應(yīng)力分布的形態(tài)和分布范圍,因此適合用概率論來(lái)分析温履。當(dāng)作用應(yīng)力相同時(shí),(110)晶面的破損概率最大,(111)晶面次之,(100)晶面產(chǎn)生破損的概率最小姑王。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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,(100)晶面較其它晶面具有更高的抗應(yīng)力亥护、腐蝕和熱退化能力盆战。結(jié)合微觀強(qiáng)度綜合考慮,用(100)面做刀具的前后刀面,容易刃磨出高質(zhì)量的刀具刃口,不易產(chǎn)生微觀崩刃。

通常應(yīng)根據(jù)刀具的要求來(lái)進(jìn)行單晶金剛石刀具的晶面選擇绎彪。一般來(lái)說(shuō),如果要求金剛石刀具獲得最高的強(qiáng)度,應(yīng)選用(100)晶面作為刀具的前诈火、后刀面；如果要求金剛石刀具抗機(jī)械磨損,則選用(110)晶面作為刀具的前状答、后刀面冷守；如果要求金剛石刀具抗化學(xué)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)晶面惊科。這些要求都需要借助晶體定向技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)拍摇。

(責(zé)編:阿 杰)

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