天然金剛石刀具技術的發(fā)展概況

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3113


1 前言


金剛石是單一碳原子的結晶體，其晶體結構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雜化共價鍵，因此具有很強的結合力、穩(wěn)定性和方向性。獨特的晶體結構使金剛石具有自然界物質中最高的硬度、剛性、折射率、導熱系數以及優(yōu)良的抗磨損、抗腐蝕性和化學穩(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刀具材料的大多數要求，是理想的精密切削刀具材料。天然金剛石無內部晶界的均勻晶體結構使刀具刃口理論上可達到原子級的平直度與鋒利度，切削時切薄能力強、精度高、切削力��；天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性保證了刀具的超長壽命，能保證持續(xù)長久的正常切削，并減少由于刀具磨損對零件精度的影響；其較高的導熱系數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械加工領域有著重要地位并得到了廣泛應用，尤其在超精密加工領域(如加工用于原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、用于導彈或火箭中的導航陀螺、計算機硬盤基片、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格上還是在精度上都比傳統加工方法具有明顯優(yōu)勢。表1為采用天然金剛石刀具與傳統的研磨、拋光方法加工各種反射鏡的精度、價格比較結果。







































表1 天然金剛石刀具與研磨、拋光方法在加工精度、價格上的比較
加工對象 加工費用(美元)
傳統加工方法 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射線天體望遠鏡 50萬～100 萬(玻璃) 6萬(金屬)
Ø100mm拋物鏡 加工費用 50000 4000
精度(µm) 3 0.6
加工時間 12個月 3周

除高科技領域外，天然金剛石刀具在普通工業(yè)和民用產品加工中的應用也逐年增長，已從傳統的手表零件加工發(fā)展到鋁活塞、首飾、制筆、高光標牌、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械加工各個領域，起著越來越重要的作用。
另一方面，由于天然金剛石的獨特性能，使得對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行研磨，對操作工人的技術也有很高要求；由于天然金剛石具有良好的化學穩(wěn)定性，過去長期無法對其進行焊接，只能采用機械方法夾持大顆粒金剛石，造成金剛石材料的浪費與刀具價格居高不下，同時還影響了刀具和零件的精度。

近百年來，科技人員對金剛石刀具在機械加工中的重要作用、應用前景及實現方法等進行了長期研究及開發(fā)，取得了豐碩成果。下面分階段回顧天然金剛石刀具技術的發(fā)展概況，介紹最新的金剛石刀具尖端技術，并探討今后的發(fā)展趨勢。

2 天然金剛石刀具傳統加工工藝


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，它的發(fā)展帶來了手表及相關制造技術的重大變革。
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的研磨盤上進行研磨。
采用鉆石首飾加工方法研磨天然金剛石刀具時，需完成以下特殊工藝：

  1. 刀刃處理及檢測：刀刃質量將直接影響被加工零件質量。
  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。傳統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。由于當時尚未發(fā)明金剛石釬焊技術，因此只能采用機械夾持。

由于傳統的金剛石刀具加工方法工藝簡單，設備造價低，因此直至今天仍用于金剛石刀具的粗加工。為進一步完善金剛石刀具加工工藝，半個世紀以來科技人員對金剛石晶體的物理、化學性質以及金剛石刀具研磨機理、刀刃形成機理、切削理論、釬焊技術、精密刃磨設備等課題進行了大量研究，為天然金剛石刀具超精密加工技術的開發(fā)打下了堅實基礎，許多研究課題今天仍在繼續(xù)進行。

3 天然金剛石刀具超精密加工技術


二十世紀七十年代后期，在激光核融合技術的研究中，需要大量加工高精度軟質金屬反射鏡，要求軟質金屬表面粗糙度和形狀精度達到超精密水平。如采用傳統的研磨、拋光加工方法，不僅加工時間長、費用高、操作難度大，而且不易達到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現實需求的推動下，天然金剛石超精密鏡面切削技術得以迅速發(fā)展，在已有的金剛石車削技術基礎上，通過提高機床精度與剛性、嚴格控制加工時的振動和溫度漂移、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)展成為一項專門技術。作為超精密鏡面切削的關鍵技術之一，天然金剛石刀具技術在理論及實踐上都取得了顯著的創(chuàng)新與發(fā)展，主要體現在以下幾方面：

  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時無缺陷。
    2. 金剛石刀具關鍵角度的加工精度達到2”。
    3. 車削內曲面所用圓弧刀具的圓弧精度達到微米量級。

  2. 精密刃磨設備的研制
    由于傳統的研磨設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，其刃磨精度可達0.1µm。

  3. 精密定向技術及裝備
    對金剛石刀具定向的目的不僅是要使刀具具有最長壽命，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力達到最小。為此，需要采用更精密的X 射線衍射儀進行定向。

  4. 真空釬焊技術的發(fā)明
    真空釬焊是金剛石刀具制造技術最重要的突破之一。一方面，傳統的機械夾持方法可能導致金剛石刀具在切削中產生微小位移和振動等缺陷，影響加工質量；另一方面，由于金剛石本身具有極高化學穩(wěn)定性，一般條件下很難與其它金屬發(fā)生反應而實現焊接，即金剛石具有不可焊性。為解決這一矛盾，經過長期研究和探索，終于發(fā)現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. 刀具磨損機理的確立
    通過研究發(fā)現，在切削過程中，金剛石刀具的磨損以化學粘結磨損為主，并存在少量機械磨損等其它磨損形式。刀具磨損機理的確立決定了刀具定向原則：將化學穩(wěn)定性最好的晶面置于刀具的后刀面。

  6. 機械磨削方法的系統研究
  7. 金剛石理論研究的進展
    通過對金剛石理論的深入研究，發(fā)現了金剛石的宏觀塑性變形(過去認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，根據雜質的不同將金剛石分為四類，從而可根據不同用途選擇不同種類的金剛石；此外，通過對金剛石的斷裂特性、解理特性、表面形成機理等進行系統的理論研究，獲得了大量數據，形成了各種理論，對金剛石有了更為科學、更為深刻的認識。
    這一階段金剛石刀具技術的發(fā)展特點是：由于金剛石刀具被應用于國防、高科技等領域，因此得到大量資金投入，在研究中使用了尖端設備、儀器和最新科學方法，取得了飛躍性發(fā)展。

4 天然金剛石刀具最新加工技術


二十世紀八十年代末期，微型機械作為一個新的研究領域得到快速發(fā)展。采用機械方法加工用于制造微型機器人的微型零部件(如Ø0.1mm微型精密齒輪、0.3mm微型電機等)時，要求刀具的刀尖圓弧半徑為3～5µm，且圓弧精度能夠控制，并可達到相當長的刀具使用壽命。
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，經過近十年的高速發(fā)展，金剛石刀具理論與技術已經有了豐富積累，基本具備了研制開發(fā)上述高精度刀具的能力。但是，運用前述金剛石刀具超精密加工技術加工出的金剛石刀具與微型機械加工刀具的要求仍有距離，需要進一步研制開發(fā)更先進的加工方法。近年來開發(fā)了采用各種化學機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到原子級加工水平。

  1. 熱化學方法
    熱化學方法的機理為：在溫度為800℃時，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，擴散到鐵晶體晶格中去。
    運用熱化學方法的研磨過程為：在氫氣氣氛中將鐵質研磨盤加熱到800℃，使金剛石與研磨盤接觸并相對滑動，金剛石晶格中的碳原子會擴散到鐵晶體晶格中，達到磨削金剛石的目的；進入鐵晶格中的碳原子與氫氣反應生成甲烷并隨氣流散發(fā)到空氣中。采用熱化學方法的磨削速度為每秒40～2000個原子層。

  2. 真空等離子化學拋光
    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晶粒氧化硅，然后在高真空中活化金剛石表面，同時使之與轉動中的研磨盤相接觸，金剛石表面處于活化狀態(tài)的碳原子會與研磨盤上的氧化硅發(fā)生反應，從而對金剛石形成磨削；反應生成的一氧化碳或二氧化碳氣體被真空泵抽出反應室。這種方法的反應速度為1～3000µm3/s(約每秒0.25～750個原子層)。

  3. 無損傷機械化學拋光法
    在NaOH 溶液中加入一定量的細金剛石粉和更細(納米級)的硅粉，帶強負靜電的硅粉會吸附在比其大得多的單個金剛石微粒上，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，吸附在金剛石研磨粉上的硅粉一方面阻止金剛石粉對被加工金剛石表面的直接沖擊，保護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)生反應并通過微弱的磨削作用將反應層去除。該方法的磨削速度非常低，僅為每分鐘1個原子層。

上述三種方法具有以下共同特點：①避免了機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Ra1nm(機械加工方法只能達到100nm量級)。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量刀刃。③金剛石表面的損傷與變質層很淺，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、眼科手術刀等小楔角金剛石刀具的制造過程變得簡易。

5 金剛石刀具技術發(fā)展方向


縱觀金剛石刀具技術的發(fā)展歷程，其技術發(fā)展路線為：傳統工藝及批量生產→理論研究→超精密加工技術及批量生產→理論突破→最新尖端刃磨技術。可以預測，金剛石刀具技術今后的發(fā)展方向將是實現最新尖端加工技術的批量化生產以及以這些尖端技術為基礎的理論研究。

一項新的加工技術，從研制成功到實現批量化生產需要解決的主要問題是降低生產成本、提高工藝效率和簡化操作過程。金剛石釬焊技術批量化生產的實現就是一個典型實例：七十年代末期發(fā)明的金剛石真空釬焊技術需要一整套昂貴的真空設備和較長的抽真空時間，加工成本高，效率低，操作過程復雜。十年后出現的保護氣氛釬焊技術有效解決了這些問題，基本滿足了批量化生產的要求，設備成本降至真空釬焊的1/5，焊接時間從真空釬焊的2小時縮短至20分鐘，所采用的半開放焊接室大大簡化了操作過程。

最新的化學機械拋光方法同樣存在成本高、效率低、操作過程復雜等問題，需要系統研究其磨削機理、各種加工參數對加工效率和質量的影響，并在此基礎上提出新的實現方案，經過試驗、改進，最終達到批量生產的要求。

除化學機械拋光方法的研究外，機械研磨方法的磨削機理也是一個古老而富有挑戰(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，但卻缺乏嚴謹、完整的理論體系和具有說服力的實驗證明，其原因是金剛石表面異常光潔，需要采用原子級的表面狀態(tài)、微應力與微裂紋觀測手段對其進行分析。隨著科學技術的不斷發(fā)展，這些觀測手段正逐漸成為可能。

此外，對于金剛石的機械、物理、化學性能，大多缺乏精確的數據。如何精確測定金剛石的硬度(目前只能確定0.4～1.3GPa范圍)也是將來需要進一步研究的課題。

更多相關信息