金刚石切削刀具刃磨技术研究进展

金刚石切削刀具刃磨技术研究进展

作者：王其元

学院：机电工程学院

班级：机械1310班

学号：0801130109

指导老师：吴旺青

完成日期：2019年1月

中南大学

Central South University

摘要：本文主要简述金刚石刀具的材料特性，机加工优势以及金刚石刀具目前的刃磨方法和未来的发展方向与技术。

1 引言

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。十八世纪中叶开启工业文明以来，世界强国的兴衰史和中华民族的奋斗史一再证明，没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。

2015年5月19日，国务院正式印发《中国制造2025》。到２０２５年，我国制造业的主要行业和战略性新兴产业的产品质量标准应接近或达到国际先进水平，涉及民生产品的安全、健康、环保、反欺诈指标达到法律法规和强制性标准要求。[1]而在制造行业中，机加工切削魔削制造成了高质量高精密制造的基础与代表，而能不能加工出高精度，高效率，满足公差等级与质量标准的机加工零件，不仅需要先进的主机设备，则更需要一把寿命长，质量优良的刀具才能完成，金刚石刀具具有高硬度与耐磨性，可用于很多韧性高的有色金属加工，但刀具面临一个不可避免问题，刀具的磨损，磨损需要刃磨技术弥补，而刃磨技术的研究发展，关系着刀具的使用寿命，与机加工的效率与成本，研究金刚石切削刀具的刃磨技术，对于提高机加工零件的加工效率与成本影响巨大，对于实现中国制造2025走向机械制造强国意义深远。

2 金刚石刀具的材料特性

2.1金刚石刀具的分类

对于金刚石刀具分类有不同方法，通常以材料种类，或者成型与涂层方法分类，我们按照传统材料方法分类如下图

2.2 金刚石刀具的特性及应用

金刚石材料可分为天然与人造两种，每种又有单晶体金刚石与多晶体之分，金刚石具有极强强的绝对硬度，是刚玉的4倍，石英的8倍。金刚石是地球上最硬的物质，已知人造金刚石单晶在立方体晶面，其最大显微硬度介于天然金刚石立方体和菱形十二面体晶面数值之间，它的值达到66000MPa。金刚石的莫氏硬度通常达到10.举例如通常切削材料低碳钢Q235B与系列不锈钢SUS304，莫氏硬度在4-5之间，即使高强度合金钢材也只在莫氏硬度6的区间，所以金刚石刀具在机加工切削方面硬度远高于临界硬度要求，且磨损率较其他材质刀具很低。

金刚石刀具化学性质稳定，具有耐酸性，与耐碱性，这对于高精度切削，大量解除切削液的情况而不发生化学反应，保持自己的物理性能。

现今金刚石刀具的加工方法主要为人工法，包括，高温高压法及化学气相沉积法。化学气相沉积法仍主要存在于实验室中。[2]高温高压法技术已非常成熟，并形成产业。国内产量极高，为世界之最。金刚石刀具还具有低摩擦系数，这大大减少了切削过程的径向与轴向阻力引起的力偶矩。

金刚石刀具应用领域及广，如汽车航空高精密工业等，应用适合加工类型为：1 难加工有色金属材料的加工 2 难加工非金属材料加工3 超精密加工。

3 金刚石刀具的刃磨机制

单晶金刚石耐磨性能具有各向异性，Bouwelen[3]等研究了(100)面不同晶向的磨损速率及摩擦系数的变化，分别如图4和图5所示。

发现，金刚石在与较软的材料接触发生高速摩擦滑动过程中更容易被磨损，同时当磨料元素化学活性更强时，金刚石磨损量会更大。基于此，他们认为金刚石研磨过程中的高温会促进碳化反应发生，从而导致金刚石发生磨损，也就是所谓的热磨损机制。根据热磨损机制，研磨速率与磨盘转速应该呈指数关系，而实验中发现这两者之间实际为线性关系，因此磨抛过程中产生的热可能可以促进金刚石的磨损，不是金刚石磨损的主要机制。宗文俊[4]等深入研究了划痕过程中金刚石晶体表面的脆塑性转变过程，认为当金刚石晶体在某一确定的晶面晶向上研磨时，只要金刚石磨粒嵌入金刚石晶体表层动态研磨深度小于该晶面晶向上的动态脆塑性转变临界研磨深度，金刚石晶体表层材料便可实现塑性方式去除。

4 金刚石切削刀具的机械刃磨方法

金刚石切削刀具刃磨技术关系着，金刚石刀具的使用寿命，机加工的效率，与成本控制。刃磨工艺方法对控制金刚石刀具的表面粗糙度、刃口完整性及钝圆半径等具有重要意义。[5]目前金刚石刀具最主要的刃磨方法是机械刃磨法，采用涂覆1—50斗m金刚石磨粒研磨膏、直径为300—400mm的铸铁研磨盘，首先对其进行预研使得金刚石磨粒嵌入铸铁研磨盘面内微孔，然后再用于对金刚石刀具进行刃磨，其本质就是金刚石与金刚石的对研磨。

机械研磨过程中，刀具质量主要由两个因素决定，一是研磨设备本身的静态和动态精度，二是研磨工艺的合理性，包括刀具研磨面组合、

研磨速率和压力等[6]。雷大江[7]等发现机床本身及刃磨装夹系统的振动干扰会影响到刀具的锋锐度和表面粗糙度，他们通过对刃磨过程中振动信号的分析提出改善装夹系统中装夹联结处刚度可以减小磨

床振动。李增强[8]等根据周期键链模型对金刚石不同晶面的耐磨性能进行了定量描述，并指出由于刃磨过程中的刀尖圆弧主要考虑后刀面的耐磨性能，而车削过程中切屑沿前刀面流动，流动方向垂直于切削平面，会磨损前刀面，因此圆弧刃刀具的前后刀面推荐使用前刀面后刀面组合。其它用于金刚石表面精细抛光的方法还包括有离子束溅蚀法、化学辅助机械抛光、热化学抛光、激光熔融抛光、催化剂化学反应抛光、稀土元素熔融抛光法以及氧化刻蚀法等，但这些方法均具有抛光速率低、不易控制等缺点，目前还不常用于金刚石刀具刃磨工艺。

5 结语

金刚石切削刀具是目前金属切削加工超级精密零件中最重要的工具

之一，而所有刀具都会面临磨损问题，尽管金刚石刀具硬度大，磨损期低，但磨损后，修复，刀补，刃磨技术直接决定了，能不能刃磨后的刀具能不能加工超精密刀具。目前关于刀具刃磨研究主要集中点在刃磨机理及刃磨工艺两方面单晶金刚石由于具有明显的各向异性，其不同方向存在完全不同的刃磨机理，在较硬方向主要是脆性解理断裂机制，而在较软方向则以结构相变机制为主。[9]但目前关于金刚石研磨机理的研究主要是从实验室的摩擦实验中得到，与实际工程中研磨过程存在一定差异，同时实际研磨过程中由于会产生大量的热使得材料性能发生改变，这些研磨条件的差异性及过程中的热对研磨性能及

机理的影响需要进一步研究。

目前金刚石刀具刃磨方法以机械刃磨法为主，此方法具有工艺简单成本低，加工效率高等特点，研磨机床振动特性及精度，研磨线速率和研磨压力等是影响研磨速率及研磨精度的主要因素。如何将机械研磨法和特种研磨工艺结合起来应用到工程实际中，以同时获得研磨效率及研磨精度将是以后研磨工艺方法研究的热点。[10]刀具刃磨的发展在于提高机床精度，与刀具辅助装置，刀具夹具等的研发。如果这些方面取得进步，则金刚石切削刀具将向进一步高质量，低成本发展。

参考文献

[1]林忠钦.中国制造2025与提升制造业质量品牌战略[ J] .国家行政学院学报2016，（4）.

[2]程引正．精密加工和超精密加工的研究与对策[J]．机械研究与应用，20ll(’3’)：16一18.

[3]s E Griuo，J E Field，F M Van Bouwelen．Di砌ond polis—hing：the dependency of friction and wear on load and crytalorientation[J]．Joumal of Physics D：ApPlied Physics，2000,33：985—990.

[4]宗文俊，李旦，孙涛，等．机床振动对高精度金刚石刀具研磨质量的影响[J]．航空学报，2005，26：367—370.

[5]孙涛，宗文俊，李增强．天然金刚石刀具制造技术［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２０１３：７－８．

[6]张思．金刚石工具磨床关键部件的设计与研究［Ｄ］．大连：大

连理工大学，２０１４．

[7]雷大江，夏志辉，何建国．高精度金刚石刀具研磨关键技术研究[J]．制造技术与机床，20ll(11)：139—141.

[8]李增强，韩杰才，孙涛，等．评价金刚石刀具各向异性的周期键链模型[J]．纳米技术与精密工程，201l，9：174一179.

[9]刘志平，董丽华，韩毅松，等．超精密金刚石刀具研磨技术的研究［Ｊ］．人工晶体学报，２００１，３０（４）：４１３－４１８.

[10]李强，金洙吉，苑泽伟，等．单晶金刚石机械研磨结合化

学辅助机械抛光组合加工工艺［Ｊ］．纳米技术与精密工程，２０１３，１１（４）：３６９－３７４．

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