金刚石刀具精密切削加工.ppt

精密加工与特种加工第二章金刚石刀具精密切削加工超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削(SimplePointDiamondTurming，SPDT)。:::超精密切削的历史平面镜的切削玻璃镜的切削钻头和钻削铣刀与铣削铣刀与铣削镗刀与镗削一、切削刀具的种类传统切削加工18世纪后期，碳素工具钢刀具，耐热温度为200℃，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面，需要大约1个月时间。
1861年英国人首先制备出合金工具钢刀具，耐热温度达到300℃左右，切削速度20m/min。
1898年美国人研制成功高速钢刀具，耐热温度达到500℃左右，切削速度30-40m/min。
高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的第一次革命，新型高速机床随之出现。1925年德国人首先发明了硬质合金刀具，耐热温度达到600-800℃左右，切削速度40-200m/min。硬质合金刀具的出现，引起了金属切削加工的又一次革命。
20世纪30年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，50年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到1100-1400℃，切削速度500-1000m/min。
20世纪50年代美国GE公司首先合成人造金刚石和CBN，CBN硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-1500℃。
自20世纪70年代初美国GE公司研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。实例：加工直径为100mm，长度500mm的碳钢棒。
1890年，用碳素工具钢刀具，需要100min。
1910年，用高速钢刀具，需要26min。
现在，用硬质合金刀具，需要1.5min。
现在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。三、超精密切削对刀具的要求刃口半径三、超精密切削对刀具的要求四、金刚石刀具对超精密切削的适应性（1）金刚石的顔色和硬度硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。
优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状.金刚石的晶体结构
规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，不同表面、不同方向的摩擦系数差别明显，不同晶面耐磨性能不同。大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长
而成，并且要求很长的晶体生长时间。
人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。人造金刚石（3）金刚石刀具的性能特点能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径1~5nm。
导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。金刚石是由碳原子的共价结合而成的，其热传导率在矿物中是最大的。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的2-6倍，由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。
不适宜切黑色金属。
很脆，避免振动（高精度的机床设备）。
价格昂贵，刃磨困难。（4）金刚石刀具刃口的锋锐性刀具刃口最小半径观测目前国内外金刚石刀具刀刃钝圆半径可以达到的状况：
美国可磨到5nm
日本可磨到10～20nm，日本大阪大学和美国LLL实验室（LawrenceLivermoreLabor-atory）合作研究超精密切削厚度的最小极限，成功地实现了纳米级切削厚度的稳定切削，使超精密切削水平达到新的高度。
我国可磨到100nm，即0.1μm。
最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、超精密机床的性能状态、环境条件等有关。1986年日本大阪大学和美国LLL实验室开展合作研究。在切削厚度极小时（1nm），仍能得到连续稳定的切屑。天然单晶金刚石具有极高的硬度和耐磨性，摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低等特点。是精密和超精密加工的一种最佳的切削刀具材料。虽然价格昂贵，但仍被一致公认为理想、不可替代的超精密切削刀具。金刚石刀具的种类特性
PCD刀具1．聚晶金刚石（PCD）刀具概述
1.1PCD刀具的发展
二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。
二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。1.2PCD刀具的应用普通刀具前刀面磨损普通刀具前刀面的破损普通刀具后刀面磨损普通刀具粘结磨损PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。
PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。
PCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。
大多数PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7mm厚的PCD，这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体PCD，可焊性好，重磨容易，成本低。1、