东莞市肯维精密工具有限公司 DONGGUAN KENWAY PRECISION TOOLS CO.

1、导言：

跟着现代加工制作业对高速切削加工的要求不断进步，关于各种难切削复合资料、工程陶瓷资料等，传统的切削加工刀具已不能满意高速切削的需求，而超硬切削刀具是处理以上问题的有用手法，其间，金刚石刀具的运用较为广。

金刚石具有极高的硬度、杰出的耐磨性和导热性、低冲突系数和热膨胀系数，在现代切削加工中体现出难以代替的优越性，被誉为今世进步生产率期望的刀具资料之一。

现在，金刚石刀具在机械加工中的运用日渐遍及，已成为现代资料加工中不可或缺的重要东西。

2、金刚石刀具的根本介绍

2.1 天然金刚石(ND)刀具

为天然金刚石拉蔓峰谱，具有以下特征：

(1)1332尖锋处显现存在金刚石。

(2)波型起伏(FWHM)为4.1cm-1显现为纯金刚石。

ND是现在已知矿藏中高硬度的物质，首要用于制备刀具车刀。天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01～0.002µm。其间天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位经高倍扩大1500倍仍然观察到刀刃润滑。SCD车削铝制活塞时Ra可到达4µm，而在相同切削条件下用PCD刀具加工时的外表粗糙时的Ra为15～50µm。故选用SCD刀具配合精细车床进行精细和超精细加工，可获得镜面外表。

2.2 聚晶金刚石(PCD)刀具

PCD是高温超高压条件下经过钴等金属结合剂将金刚石微粉集合烧结组成的多晶体资料，又称烧结金刚石。聚晶金刚石刀具全体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状况，属各向同性，硬度均匀，石墨化温度为550℃。刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低冲突系数。刀刃十分尖利等特色。

2.3 人工聚晶金刚石复合片(PDC)刀具

为进步PCD刀片的耐性和可焊性，常将PCD与硬质合金刀体做成人工聚晶金刚石复合刀片(PDC)。即在硬质合金基底其外表限制一层0.5～1mm厚的PCD烧结而成。复合刀片的抗弯强度与硬质合金根本一同，硬度挨近PCD，故能够代替PCD运用。

PCD及人工聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的刃口尖利性和加工的工件外表质量低于ND。一同其可加工性很差，磨削比小，难以依据刀头的几许形状恣意成形。现在使用人工聚晶金刚石复合片只能制备车刀，至今还不能制作带断屑槽的可转位刀片和杂乱三维曲面几许形状的铣刀。

2.4 CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具

金刚石厚膜焊接刀具是把激光切开好CVD金刚石厚膜一次焊接至基体(一般为K类硬质合金)上，构成复合片，然后抛光复合片，二次焊接至刀体上，刃磨成需求的形状和刃口。      

如图3(a)所示，为CVD金刚石厚膜(金刚石膜厚度达30µm)，具有硬度高、耐磨损、冲突系数小等特色，是制作切削有色金属和非金属资料刀具的抱负资料。因为金刚石焊接进程工艺杂乱，CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具没有大批量运用。

2.5 金刚石涂层刀具

金刚石涂层刀具是用CVD法直接在硬质合金(K类硬质合金)或陶瓷等基体上堆积一层1～25µm金刚石薄膜，无解理面各向同性。如图3(b)。薄膜涂层刀具硬度达9800～10000HV。热导率高，室温下导热系数高达2000W·m-1·K-1，而硬质合金刀具导热系数仅为80～100m-1·K-1。CVD办法金刚石能够涂层到任何杂乱形状的刀具上，这是聚晶金刚石无法拥有明显的优势。

3、金刚石刀具的运用

天然金刚石刀具现在首要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等宝贵有色金属，以及特别零件的超精细镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。但其结晶各向异性，刀具价格昂贵。

PCD的功能取决于金刚石晶粒及钴的含量，刀具寿数为硬质合金(WC基体)刀具的10～500倍。首要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑资料、金属基复合资料、木材等非金属资料。切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件资料以及硬度。

人工聚晶金刚石复合片(PDC)功能和运用挨近PCD刀具，首要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属资料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合资料等切削加工，逐步代替硬质合金刀具。

因为金刚石颗粒间有部分剩余粘结金属和石墨，其间粘结金属以聚结态或呈叶脉状散布会减低刀具耐磨性和寿数。此外存在溶媒金属残留量，溶媒金属与金刚石外表直触摸摸。下降(PDC)的抗氧化才能和刀具耐热温度，故刀具切削功能不够稳定。

金刚石厚膜刀具制备进程杂乱，因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所滋润。可焊性极差，难以制作杂乱几许形状刀具，故TDF焊接刀具不能运用在高速铣削中。

金刚石涂层刀具能够运用于高速加工，原因是除了金刚石涂层刀具具有卓越的机械功能外，金刚石涂层工艺能够制备恣意杂乱形状铣刀，用于高速加工如铝钛合金航空资料和难加工非金属资料如石墨电极等。

4、金刚石刀具的刃磨技能

刃磨是刀具制作的要害工序之一，先进的刃磨技能能够进步刀具产品质量、下降生产本钱。

金刚石刀具硬度极高，导致刀具的刃磨难度较大，对刃磨技能与设备要求较高。现在，大部分金刚石刀具用户都不具有刀具刃磨才能，运用过的刀具需送回原刀具生产厂家，在以Ewag为代表的进口设备上进行重磨，构成金刚石刀具刃磨价格高、周期长，大大进步了其运用本钱。刃磨技能已成为阻止金刚石刀具推广运用的首要因素之一。

近年来，国内工程技能人员对金刚石刀具刃磨技能(包含机械刃磨、电火花放电刃磨等)与配备进行了很多研讨与开发，取得了必定开展，推动了金刚石刀具刃磨技能的开展。

4.1 金刚石砂轮机械刃磨

金刚石砂轮机械刃磨是现在运用的PCD刀具刃磨办法，加工的刀具刃口质量好，前、后刀面完好光亮。这种刃磨办法的作用机理较为杂乱，较遍及的观念一J以为，金刚石砂轮机械刃磨是机械和热化学两方面一同作用的成果。

机械作用是金刚石砂轮的磨粒对PCD资料不断进行冲击，使PCD上的金刚石发作微破碎、磨损、掉落或解理；热化学作用则是磨削进程中发作的高温使金刚石发作氧化或石

墨化。

图2为金刚石机械刃磨原理示意图。

其刃磨进程可分为三个阶段：

① 触摸期：磨削力俄然增大，剧烈的机械冲击使PCD外表呈现裂纹，发作碎片；

② 稳定期：砂轮磨粒在PCD外表上进行揉捏和冲突，当压力到达必定程度时，PCD外表构成裂纹；

③ 冲突期：当冲突温度到达必定程度时，PCD会发作石墨化和其它化学反应。在刃磨进程中，需求选用冷却液进行冷却，经过三个阶段的刃磨，可获得完好光亮的刃口。

影响PCD刀具机械刃磨质量的首要因素包含：金刚石砂轮、刃磨工艺与刃磨配备。金刚石砂轮首要影响刃磨的平稳性；刃磨工艺影响刀具刃磨的质量，杰出的刃磨工艺能够下降金刚石砂轮的磨耗比和加工本钱；刃磨配备(磨床的可控性、刚性与振荡操控)则决议了刃磨工艺的施行质量。

4.2 电火花放电刃磨(EDG)

4.2.1刃磨机理将电火花放电加工技能用于刃磨PCD刀具，称为放电刃磨(EDG)[17J。放电刃磨是一种热蚀加工进程，其刃磨原理是电介质别离的砂轮电极与刀具电极问放电发作瞬时高温，使刀具资料熔化和气化，完结资料的去除。

如图所示，由电动机带动圆盘电极高速滚动，圆盘电极衔接脉冲电源、电气操控和数控系统，经过电气检测、操控和伺服操控系统，操控PCD刀具作往复运动和伺服进给。圆盘电极与加工刀具之问放电发作瞬时高温，将刀具资料熔化与气化，以获得所需求的形状。加工的PCD刀具刃口尺寸精度<0．02ram，外表粗糙度一般可达Ra0．3一O．4tan。与金刚石砂轮机械刃磨比较，EDG技能是一种本钱较低、加工功率较高的刃磨办法。

1．电动机2．脉冲电源3．电气检测、操控和数控系统4．往复运动

5．伺服运动6．圆盘电极7．PCD刀具8．作业液

电火花放电刃磨原理示意图

4.2.2 刃磨设备

放电刃磨时，一般选用碳氢化合物（如白腊）作为砂轮电极与东西电极间的电介质，作业电压一般为直流80～200V，砂轮电极选用铜、钨、石墨等导电资料。依据刀具刃磨时的方位，放电刃磨可分为圆周放电刃磨和端面放电刃磨。

刃磨进程中，砂轮作旋转运动，使其能均匀磨损。在端面放电刃磨中，砂轮还需左右摇摆。脉冲电源是影响刃磨功率和刃磨质量的要害设备，因而脉冲电源的规划已成为放电刃磨的研讨热点。

4.3 其它刃磨技能

近年来，还有不少将各种特种加工技能(如超声波磨削、激光加工、电化学磨削等)运用于刀具刃磨的研讨119J。

超声波磨削是使用磨料在超声波作用下发作的机械振荡与冲击，对刀具进行机械磨削。激光加工则是使用激光的瞬时高温对刀具进行热蚀加工。电化学磨削是使用金属的溶解(占95％一98％)和机械磨削(占2％一5％)的归纳作用来完结刀具刃磨。

现在，超声波磨削、激光加工、电化学磨削等加工办法首要运用于陶瓷刀具、硬质合金刀具的刃磨和金刚石刀具的切开，也可用于刀具的粗磨加工，在刀具精磨上的运用仍需进一步研讨。

选用特种加工与传统机械磨削相结合的复合刃磨技能是一种较有潜力的技能。特种加工磨削率较高，而机械刃磨精度较高，二者相结合可有用缩短金刚石精细刃磨的时问。

例如，Walter公司开发的He—litronic Power+Diamond多功能机床可在传统磨"N JJH工与放电磨"N JJH工之问彼此转化，经过一次装置，即可完结PCD刀具的刃磨。

Ewag公司的ewamatic多功能磨床将机械磨削加工与放电腐蚀加工结合到一同，选用星形磨，一次装夹即可完结对刀具外圆面、切削角、切削刃的磨削加工。该机床可加工直径0．1—35ram、具有直齿(或螺旋齿)的圆柱形(或圆锥形)PCD刀具。可是，现在这些刃磨设备价格昂贵，必须大幅下降本钱，才有或许广运用。

5、金刚石刀具的开展现状

跟着金刚石刀具在加工范畴的运用逐步增多，金刚石刀具技能也在不断的改善和开展。当时，金刚石刀具首要朝着三个方向开展：

产品系列化、晶粒细化、质量优化、功能均一化；刀坯尺寸不断增大，形状结构多样。CVD金刚石膜由研制阶段进入商业化供货阶段(如美国Kenametal公司、英国De Beers和国内的北京天地金刚石公司等)。

国际闻名的人工金刚石刀具生产商首要有英国De Beers公司、美国GE公司、El本住友电工株式会社等。

国内金刚石刀具生产厂家首要散布在上海、北京、深圳、西安、郑州、长沙、廊坊等地，这些厂家大多经过购进GE公司、De Beers公司的原资料进行加工。

现在，国内对金刚石刀具资料的自主开发才能还比较薄弱。在金刚石的运用支撑技能上，国内的金刚石刀具刃磨技能与配备在精度、功率和外表质量上与国外还存在不小差距，运用于实践生产的金刚石刀具刃磨机床仍被以瑞士Ewag为代表的进口设备所独占。

近年来，PCD刀具在国内的推广运用对金刚石刀具规划、制作与刃磨技能的研讨起到了活跃的推动作用。清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等高校都在活跃开展这方面的研讨，许多企业如成都东西研讨所、上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜等也在从事PCD刀具的运用研制。

尽管现在国内CVD薄膜涂层刀具的运用尚处于萌芽状况，但跟着CVD金刚石成长技能的进步，CVD金刚石基团颗粒的巨细现已由40～50µm缩小到十几甚至几个纳米，从而呈现了纳米金刚石。

如美国阿贡实验室(Argonne Nat. Lab)的Dr. Gruen D.M现已成长出质量杰出、外表为镜面(外表高峰与低峰距离为15nm)、恣意厚度的纳米金刚石膜，并且其涂层的附着力满足。信任其对涂层刀具的运用有所促进。

6、结语：  

现在在金刚石的产业化中还存在一些要害问题函待处理，如高速大面积的金刚石厚膜堆积工艺、操控金刚石膜的晶界密度和缺点密度、金刚石膜的低温成长，金刚石薄膜与基体结合力弱等。

金刚石刀具优异的功能和运用广的开展前途招引国内外很多的专家进行研讨，有些现已取得了突破性开展，信任不久的将来金刚石刀具将运用到现代加工中。

而跟着金刚石刀具的运用，对刃磨技能的要求必定会越来越高。现在运用较多的机械刃磨技能尽管能够获得较好的刃磨作用，但加工功率不高。

选用特种加工技能进行刃磨，尽管功率较高，但刃磨质量欠安。假如选用特种加工办法进行刀具刃口粗磨，然后选用机械刃磨办法进行精磨，既能进步加工功率，又能够保证刃口质量，因而，多功能复合刃磨技能及配备是金刚石刀具刃磨的一个开展方向。