可以说天然金刚石刀具已深入机械加工各个领域

摘要：回首了天然金刚石刀具及其加工技能的成长进程，先容了天然金刚石刀具最新加工技能，切磋了金刚石刀具技能的成长偏向。

　　1 媒介

　　金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体布局属等轴面心立方晶系(一种原子密度最高的晶系)。由于金刚石中碳原子间的毗连键为sp3杂化共价键，因此具有很强的结协力、不变性和偏向性。奇异的晶体布局使金刚石具有自然界物质中最高的硬度、刚性、折射率、导热系数以及优良的抗磨损、抗腐化性和化学不变性等。天然金刚石的优良特性可满意紧密及超紧亲近削对刀具质料的大大都要求，是抱负的紧亲近削刀具质料。天然金刚石无内部晶界的匀称晶体布局使刀具刃口理论上可到达原子级的平直度与尖利度，切削时切薄本领强、精度高、切削力小；天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐化性和化学不变性担保了刀具的超长命命，能担保一连恒久的正常切削，并淘汰由于刀具磨损对零件精度的影响；其较高的导热系数又可低落切削温度和零件的热变形。因此，天然金刚石作为超硬刀具质料在机器加工规模有着重要职位并获得了普及应用，尤其在超紧密加工规模(如加工用于原子核回响堆及其余高技能规模的各类反射镜、用于导弹或火箭中的导航陀螺、计较机硬盘基片、加快器电子枪等超紧密零件)，回收天然金刚石刀具无论在价值上照旧在精度上都比传统加工要领具有明明优势。表1为回收天然金刚石刀具与传统的研磨、抛光要领加工各类反射镜的精度、价值较量成就。

　　表1 天然金刚石刀具与研磨、抛光要领在加工精度、价值上的较量

　　对金刚石刀具定向的目标不只是要使刀具具有最长命命，并且要求刀具后刀面与已加工外貌的摩擦及刀刃四周解理面的应力到达最小。为此，需要回收更紧密的X 射线衍射仪举办定向。

　　除高科技规模外，天然金刚石刀具在平凡家产和民用产物加工中的应用也逐年增长，已从传统的手表零件加工成长到铝活塞、首饰、制笔、高光标牌、有色金属装饰件等的加工，可以说天然金刚石刀具已深入机器加工各个规模，起着越来越重要的浸染。

　　回收钻石首饰加工要领研磨天然金刚石刀具时，需完成以下非凡工艺：

　　近百年来，科技职员对金刚石刀具在机器加工中的重要浸染、应用远景及实现要领等举办了恒久研究及开拓，取得了厚实成就。下面分阶段回首天然金刚石刀具技能的成长轮廓，先容最新的金刚石刀具尖端技能，并切磋此后的成长趋势。

　　2 天然金刚石刀具传统加工工艺

　　天然金刚石刀具是二战后为满意手表紧密零件、光饰件以及首饰雕花等加工需要而成长起来的，其制造工艺发源于钻石首饰的研磨抛光技能，它的成长带来了手表及相关制造技能的重大厘革。

　　钻石首饰的研磨抛光工艺要领为：在铸铁研磨盘的上外貌涂敷金刚石微粉与橄榄油殽杂而成的研磨膏，并使金刚石微粉镶嵌在铸铁外貌的微小孔隙中，牢靠于夹具滑板上的钻石首饰靠夹具的自重压在高速旋转的研磨盘长举办研磨。

　　另一方面，由于天然金刚石的奇异机能，使得对其自己的加工很是坚苦。由于天然金刚石具有极高硬度，必需回收非凡要领举办研磨，对操纵工人的技能也有很高要求；由于天然金刚石具有精采的化学不变性，已往恒久无法对其举办焊接，只能回收机器要领夹持大颗粒金刚石，造成金刚山东锈石料的挥霍与刀具价值居高不下，同时还影响了刀具和零件的精度。

　　纵观金刚石刀具技能的成长进程，其技能成长蹊径为：传统工艺及批量出产→理论研究→超紧密加工技能及批量出产→理论打破→最新尖端刃磨技能。可以预测，金刚石刀具技能此后的成长偏向将是实现最新尖端加工技能的批量化出产以及以这些尖端技能为基本的理论研究。

　　由于传统的金刚石刀具加工要领工艺简朴，装备造价低，因此直至本日仍用于金刚石刀具的粗加工。为进一步完善金刚石刀具加工工艺，半个世纪以来科技职员对金刚石晶体的物理、化学性质以及金刚石刀具研磨机理、刀刃形成机理、切削理论、钎焊技能、紧密刃磨装备等课题举办了大量研究，为天然金刚石刀具超紧密加工技能的开拓打下了坚硬基本，很多研究课题本日仍在继承举办。

　　3 天然金刚石刀具超紧密加工技能

　　二十世纪七十年月后期，在激光核融合技能的研究中，需要大量加工高精度软质金属反射镜，要求软质金属外貌粗拙度和形状精度到达超紧密程度。如回收传统的研磨、抛光加工要领，不只加工时间长、用度高、操纵难度大，并且不易到达要求的精度。因此，亟需开拓新的加工要领。在现实需求的敦促下，天然金刚石超紧密镜面切削技能得以迅速成长，在已有的金刚石车削技能基本上，通过提高机床精度与刚性、严格节制加工时的振动和温度漂移、研制超紧密天然金刚石刀具等，形成了镜面切削工艺，并成长成为一项专门技能。作为超紧密镜面切削的要害技能之一，天然金刚石刀具技能在理论及实践上都取得了显著的创新与成长，主要表此刻以下几方面：

　　1.超紧密金刚石刀具的开拓

　　通过研究发现，在切削进程中，金刚石刀具的磨损以化学粘结磨损为主，并存在少量机器磨损等其余磨损形式。刀具磨损机理简直立抉择了刀具定向原则：将化学不变性最好的晶面置于刀具的后刀面。

　　2.紧密刃磨装备的研制 
　　由于传统的研磨装备已无法满意超紧密金刚石刀具的加工要求，因此开拓了回收空气轴承的圆弧与刀刃研磨机，其刃磨精度可达0.1µm。

　　3.紧密定向技能及装备

　　3.无损伤机器化学抛光法

　　在NaOH 溶液中插手必然量的细金刚石粉和更细(纳米级)的硅粉，带强负静电的硅粉会吸附在比其大得多的单个金刚石微粒上，形成具有硅吸附层的金刚石研磨粉，然后将其涂敷在多孔的铸铁研磨盘上。研磨金刚石时，吸附在金刚石研磨粉上的硅粉一方面阻止金刚石粉对被加工金刚石外貌的直接攻击，掩护被加工金刚石外貌不被深度损伤，另一方面与被加工金刚石外貌发生回响并通过微弱的磨削浸染将回响层去除。该要领的磨削速度很是低，仅为每分钟1个原子层。

　　5.刀具磨损机理简直立

　　(1)在主切削刃与副切削刃之间引入修光刃，使已加工外貌的理论粗拙度靠近于零且修光刃在500× 或更高倍显微镜下检测时无缺陷。 
　　(2)金刚石刀具要害角度的加工精度到达2”。 
　　(3)车削内曲面所用圆弧刀具的圆弧精度到达微米量级。

　　6.机器磨削要领的系统研究

　　7.金刚石理论研究的希望

　　通过对金刚石理论的深入研究，发现了金刚石的宏观塑性变形(已往以为金刚石只有少量弹性变形而无塑性变形)；研究了金刚石晶体中的微量杂质，按照杂质的差异将金刚石分为四类，从而可按照差异用途选择差异种类的金刚石；另外，通过对金刚石的断裂特性、解理特性、外貌形成机理等举办系统的理论研究，获得了大量数据，形成了各类理论，对金刚石有了更为科学、更为深刻的熟悉。

　　这一阶段金刚石刀具技能的成长特点是：由于金刚石刀具被应用于国防、高科技等规模，因此获得大量资金投入，在研究中利用了尖端装备、仪器和最新科学要领，取得了奔腾性成长。

　　4 天然金刚石刀具最新加工技能

　　二十世纪八十年月末期，微型机器作为一个新的研究规模获得快速成长。回收机器要领加工用于制造微型呆板人的微型零部件(如Ø0.1mm微型紧密齿轮、0.3mm微型电机等)时，要求刀具的刀尖圆弧半径为3～5µm，且圆弧精度可以或许节制，并可到达相当长的刀具利用寿命。

　　上述三种要领具有以下配合特点：①制止了机器加工要领所固有的外貌攻击沟痕，被加工金刚石外貌无攻击，外貌异常光洁，外貌粗拙度可达Ra1nm(机器加工要领只能到达100nm量级)。②金刚石与研磨盘之间的打仗力极小，可很轻易地磨出高质量刀刃。③金刚石外貌的损伤与变质层很浅，从而提高了刀具寿命。④磨削速度很低，只能用于精磨后的超紧密抛光。

　　另外，对付金刚石的机器、物理、化学机能，大多缺乏准确的数据。怎样准确测定金刚石的硬度(今朝只能确定0.4～1.3GPa规模)也是未来需要进一步研究的课题。www.world-stone.com

　　热化学要领的机理为：在温度为800℃时，若金刚石外貌与铁打仗，金刚石晶体中的碳原子可以或许挣脱自身晶格的约束，扩散到铁晶体晶格中去。

　　一项新的加工技能，从研制乐成到实现批量化出产需要办理的主要问题是低落出产本钱、提高工艺效率和简化操纵进程。金刚石钎焊技能批量化出产的实现就是一个典范实例：七十年月末期发现的金刚石真空钎焊技能需要一整套昂贵的真空装备和较长的抽真空时间，加工本钱高，效率低，操纵进程巨大。十年后呈现的掩护空气钎焊技能有效办理了这些问题，根基满意了批量化出产的要求，装备本钱降至真空钎焊的1/5，焊接时间从真空钎焊的2小时缩短至20分钟，所回收的半开放焊接室大大简化了操纵进程。

　　2.真空等离子化学抛光

　　回收上述要领不单可满意加工微型机器用金刚石刀具的加工要求，还使超薄生物切片刀、眼科手术刀等小楔角金刚石刀具的制造进程变得浅显。

　　4.真空钎焊技能的发现

　　真空钎焊是金刚石刀具制造技能最重要的打破之一。一方面，传统的机器夹持要领大概导致金刚石刀具在切削中发生微小位移和振动等缺陷，影响加工质量；另一方面，由于金刚石自己具有极高化学不变性，一般前提下很难与其余金属发生回响而实现焊接，即金刚石具有不行焊性。为办理这一抵牾，颠末恒久研究和摸索，终于发现了钎焊金刚石的特定前提(高真空情形)和钎焊合金(以钛为活性元素的银基合金)。

　　从刀具质料阐明，只有单晶天然金刚石能满意上述要求。同时，颠末近十年的高速成长，金刚石刀具理论与技能已经有了富厚积聚，根基具备了研制开拓上述高精度刀具的本领。可是，运用前述金刚石刀具超紧密加工技能加工出的金刚石刀具与微型机器加工刀具的要求仍有间隔，需要进一步研制开拓更先进的加工要领。连年来开拓了回收各类化学机理研磨金刚石刀具的要领，以下先容的三种加工要领均可到达原子级加工程度。

　　首先用真空等离子物理气相沉积法在研磨盘外貌镀上一层细晶粒氧化硅，然后在高真空中活化金刚石外貌，同时使之与动弹中的研磨盘相打仗，金刚石外貌处于活化状态的碳原子会与研磨盘上的氧化硅发生回响，从而对金刚石形成磨削；回响生成的一氧化碳或二氧化碳气体被真空泵抽出回响室。这种要领的回响速度为1～3000µm3/s(约每秒0.25～750个原子层)。

　　最新的化学机器抛光要领同样存在本钱高、效率低、操纵进程巨大等问题，需要系统研究其磨削机理、各类加工参数对加工效率和质量的影响，并在此基本上提出新的实现方案，颠末试验、改造，最终到达批量出产的要求。

　　1.刀刃处理赏罚及检测：刀刃质量将直接影响被加工零件质量。 
　　2.定向：将刀具最强烈磨损面置于金刚石最硬晶面上，使刀具利用寿命最长。传统的定向要领一般回收肉眼定向。 
　　3.装卡：在切削进程中，天然金刚石刀具要遭受来自各个偏向的切削力，为担保一连、不变的切削，必需将金刚石刀具平稳安装在刀杆上。由于其时尚未发现金刚石钎焊技能，因此只能回收机器夹持。

　　运用热化学要领的研磨进程为：在氢气空气中将铁质研磨盘加热到800℃，使金刚石与研磨盘打仗并相对滑动，金刚石晶格中的碳原子会扩散到铁晶体晶格中，到达磨削金刚石的目标；进入铁晶格中的碳原子与氢气回响生成甲烷并随气流披发到空气中。回收热化学要领的磨削速度为每秒40～2000个原子层。

　　5 金刚石刀具技能成长偏向

　　除化学机器抛光要领的研究外，机器研磨要领的磨削机理也是一个陈腐而富有挑战性的研究课题。从五十年月的碳化与解理之争到九十年月的解理与塑性变形理论，固然都能表明金刚石磨削硬度的各向异性，但却缺乏严谨、完整的理论体系和具有说服力的尝试证明，其原因是金刚石外貌异常光洁，需要回收原子级的外貌状态、微应力与微裂纹视察手段对其举办阐明。跟着科学技能的不绝成长，这些视察手段正逐渐成为大概。

　　1.热化学要领