先进技术创新

1、洛阳理工学院课程创新性报告 课程名称： 先进制造与工程仿真技术 课题报告： 金刚石刀具刃磨技术的创新性报告 系别： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 姓名： 丁军杰 学号： B12023519 日期:2014.02.25摘要先进制造技术是一个国家经济发展的重要手段之一，也是当前世界各国发展国民济的主攻方向和战略决策。精密与超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键。现在，超精密加工技术，特别是单晶金刚石刀具切削技术，已经被国防、航空航天、电子、精密机床和精密仪器等领域广泛应用，单晶金刚石刀具切削及其相关技术也已被更多的学者所重视。本文针对天然单晶金刚石刀具刃磨技术及工艺进行了系统研究，

2、并在研究基础上提出了金刚石刀具刃磨设备的设计方案，提出了切实可行的研究技术途径。从金刚石刀具刃磨技术基础出发，深入剖析了金刚石刀具的刃磨机理、金剐石刀具的设计及制造技术，并对金刚石刀具的刃磨质量检测技术做了深入了解，总结了国内外目前刃磨设备的特点，为开展具有创新性的金刚石刀具刃磨技术与设备研究做好了充分而必要的技术准备。在金刚石刀具刃磨技术实践研究中，课题以生产实际需要为主，在总结、借鉴国内外已有研究成果的基础上，充分结合了金刚石刀具使用现状，选取了适合于已有刃磨设备和金刚石刀具特点的工艺路线，创新性地提出了可行的刀具质量在线检测方法，修磨了两把天然金刚石刀具。经过原子力显微镜(AFM)检测，

3、刀具刃口半径达到了0.6m，基本满足了实际生产的设需要，实现了课题与生产的紧密结合。经过课题的逐步深入研究，对现有刃磨备进行了一些技术改造，安装新的刀具质量检测装置、刀具装夹工装以及其他设备，使之更加适合于刃磨技术研究工作。通过综合现有工艺、设各的优缺点、研究结论和将来研究的需求，提出了刃磨设备设计方案，已初步对设计方案进行改进与优化，使其在功能性、经济性、可靠性等方面更加合理。同时，论文还对将来金刚石刀具刃磨技术及设备研究工作提出了研究设想，通过进一步研究金刚石刀具刃磨工艺及设备，提高金刚石刀具超精密切削质量。关键词：天然金刚石刀具；刃磨；刃口半径1.国内外研究概况及发展趋势天然金刚石刀具刃

4、磨技术一直是超精密加工领域的关键技术。天然金刚石精密与超精密加工实现的条件有：锋利的金刚石刀具，高刚度、高精度的切削机床以及一些其它相关技术的支持。金刚石刀具的刃磨本身就属于精密和超精密加工的范畴。目前在金刚石刀具材料方面主要分为两种：天然金刚石和聚晶金刚石。天然金刚石以其优良的刃磨性能，在超精密加工领域成为首选材料。现在天然金刚石的刃口半径可以刃磨到<0.005m，刀刃得直线度可达0.1O.01m，在400倍显微镜下观察切削刃光滑平整，没有缺口、崩刃等缺陷。据统计，现在世界上比较著名的金刚石刀具制作水平见表11。从表中可以看出，我国的金刚石刀具刃磨水平与国外先进水平还存在很大的差距，我

5、国在这方面具有很大的研究发展空间。表11金刚石刀具刃磨水平对比Tab11Comparisonofthe level of diamond tools grinding国家刃口半径日本、美国35nm乌克兰916nm意大利2030nm瑞士2030nm俄罗斯2050nm英国5nm*国内90100nmHIT50nm*英国的水平只是根据其刀具产品估计金刚石刀具的刃磨工艺属于比较敏感的技术，在公开发表的文献中很少有这方面的具有实用性的工艺技术资料。在金刚石刃磨机理及工艺研究方面，关键在于刀具的最后精密研磨工艺，其主要的方法有：(1)传统机械方法通常采用的方法是采用铸铁或硬钢研磨盘、金刚石砂轮进行刀具刃口研

6、磨，这里用金刚石砂轮主要是利用了物理摩擦作用将金刚石刀具磨到需要的刃口和表面粗糙度，利用铸铁等研磨金刚石刀具主要机理是在一定温度下金刚石的碳原子向研磨盘中扩散，使金刚石的表面组织发生改变，硬度下降易于磨削。但是，由于刀具与刃磨工具存在接触，压力会使刃口受到冲击，导致刀具表面产生微小沟纹以及微细崩刃，并有并有变质层存在，使刀具质量低于其它一些非机械加工方法，但是加工效率比较高，据报道，在珠宝行业有采用不锈钢盘或合金盘进行高速滑动研磨的方法，研磨加工效率达到了h=260mmin。这种方法比较适合金刚石刀具半精密刃磨以及质量要求不高的金刚石刀具加工。(2)真空等离子化学抛光法美国的Edge Tech

7、nologies公司采用这种真空等离子化学抛光法可以实现原子级学加工，可以对刃口进行原子级去除，刃磨后刃口放大10000倍仍然平滑。这种方法是在真空环境下，将研磨盘分为两个区域沉积区和研磨区，相互隔离，先在一个沉积区真空等离子物理沉积一层细晶氧化硅，转入研磨区之后氧化硅细晶和金刚石表面碳原子发生化学反应而形成磨削，反应产物一氧化碳或二氧化碳被排出真空腔。(3)离子溅蚀法离子溅蚀法是利用高能离子束的轰击作用直接对被加工工件进行物理腐蚀，以实现原子级的微细加工，它最适合于加工关键尺寸小于1m的微小金刚石工具，可达到很高的形状精度和高的表面质量。另外还有一些特种加工方法，如无损伤机械化学抛光法、热化

8、学抛光法等。总的来看，金刚石刀具的刃磨关键在于对金刚石物理化学特性的认识与利用在金刚石刀具的质量检测方面，扫描电子显微镜首先被应用与刃口钝圆半径检测，后来随着扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的研究与应用，并被用于研究材料微观纳米构成的一种新的超高分辨率的测试仪器。1993年美国人D.A.Lucca就进行了用AFM测量金刚石刀具刃口半径的研究。我国的华中理工大学、哈尔滨工业大学等研究国内单位也相继进行了相关研究。在金刚石刀具刃磨设备研究方面，研究的重点在研磨设备主轴上。现在主轴的轴承形式有如下几种：(1)滚动轴承支承形式。(2)双顶尖支承形式。(3)单顶尖滑动轴承支承形式。(4)

9、液体静压轴承支承形式。(5)气体静压轴承支承形式。以后两种形式的主轴研磨质量最好，但是主轴的制造难度大，成本高。在研磨设备的整机研制上，在国外己形成专门化生产，如瑞士的RS 1215、台湾的FC 200D等研磨机床，都具有很好的刚度和研磨精度，英国的Cob0rn公司的研磨机床也具备研磨高质量金刚石刀具的能力。我国的303所和哈尔滨工业大学联合研制的金刚石刀具刃磨设备采用了空气静压轴承主轴，研磨质量比较高。金刚石刀具研磨的发展趋势，主要体现在：金刚石刀具刃磨技术在研磨设备的研究方面，自动化技术将是批量研磨的必然选择，另外，检测设备与研磨设备的集成，形成刀具的在线检测，会有助于减少由于重复装夹带来

10、的误差，保证研磨精度：液体静压轴承和气体静压轴承会在以后的研磨设备中广泛采用，目前气体静压轴承主轴的跳动已经能够控制在0.1m以上精度。在研磨工艺研究方面，多种方法优化复合的复合研磨技术，是制造超精密加工金刚石刀具的必然趋势，目前在日本和英国，刃磨刀具刃口半径精度可达纳米级，而且日本利用金刚石刀具切削出了1nm厚的切屑，从而推断刃口半径在24nm，基本上已达到理论刃口半径水平。在研磨机理研究方面，就目前已经明确的铁基研磨盘研磨的热化学磨损机理的基础上，对于金刚石化学磨损机理的运用还有和好的前景，Edge Technologies公司就是利用的化学磨损去除原子级的金刚石。由于机械研磨方法本身的不

11、足，会造成一些明显或潜在缺陷，这些需要采用非机械的方式来进一步对刃口进行精加工。此外，在研磨机理方面，役有研究人员考虑电因素对研磨效率的影响，因为在研磨的高温作用下，金刚石的活性发生了改变，电场的作用会有助于原子的扩散和化学反应。在研磨机理方面的研究国外也比较深入，其实不管是传统的方法，还是新的方法，我们很多机理仍然不明了，在金刚石刀具中这是基础。加大刀具的磨损机理的研究力度，有助于发展更好的刀具研磨方法，以及针对不同工件材料的减少磨损的方法，从而达到延长刀具寿命的目的。另外，在刀具刃口钝圆半径的检测利用原子力显微镜(AFM)技术需要更加深入。在刀具的应用研究上，采用圆弧刃金刚石刀具会逐渐占据

12、主要位置。据资料显示，直线刃刀具切削可得到0.004m的表面，用圆弧刃切削可得到Ra O.01m的表面，但是在曲面加工领域具有不可替代的作用。尽管目前人造金刚石刀具得到了更加广泛的应用，但是天然单晶金刚石刀具在精密与超精密加工的一些领域仍旧具有绝对优势。总之，金刚石切削技术的研究将会随着科技的进步与需求更加走向深入，金刚石切削技术将在超精密加工方面发挥更大作用，金刚石刀具刃磨的质量将是实现纳米级加工的关键影响因素。2.金刚石刀具刃磨机理一般认为，用金刚石磨粒研磨金刚石晶体过程中，被研磨的金刚石晶体受剪切应力作用而发生应变、原子位错运动，原子储存变形能。对于易磨方向，变形往往是局部的、以键角变化

13、为主，所以单原子变形能就会超过单原子能障发生sp3碳原子杂化结构向sp2碳原子杂化结构转变；对于难磨方向，变形往往均化而非局部，故均化到单个原子的变形能超不出单原子能障，因此以微小裂纹的脆性断裂为主。金刚石磨粒几何因子:金刚石磨粒顶角: 动态载荷的综合系数；H金刚晶体显微硬度，M Pa；E金刚晶体杨氏模量，M Pa；与金刚晶体表面相关的系数，12；Y金刚石晶体表层萌生裂纹的表面能；与解理角相关的系数，；与研磨方向相关的系数；(110)晶面有2个对称轴：(100)晶面有4个对称轴：(111)晶面有3个对称轴： 经计算，动态脆塑转变临界研磨深度：易磨方向难磨方向从模型的计算结论可以看出，在同一个晶

14、面上，研磨的难以程度存在很大的差别，因此，在研磨时必须准确地找出易磨方向和难磨方向，能够提高研磨效率和质量。2.1金刚石刀具刃磨工艺由于金刚石硬度高，加工困难，刃磨效率，精密加工用金刚石刀具要求有极锋利的刃口，制造金刚石刀具的技术难度很大，特别是刃磨工艺比较复杂。金刚石的粗磨现在通常采取的方法是采用可以采用超细粒度的金刚石砂轮、铸铁盘或高硬度钢盘对其进行研磨，前者可以在专用设备上直接进行，砂轮要专门制作。对结合剂、粒度与金刚石的浓度都有严格要求，而且在研磨过程中对砂轮要不断修整，还要采用切削液。采用铁质研磨盘研磨，在研磨初期金刚石磨损极慢，经过一段时间后金刚石才慢慢开始轻微脱落，经分析，这主要

15、是金刚石表面发生了氧化、石磨化导致表面硬度降低从而使得金刚石被磨去，研磨以热化学去除为主。采用金刚石砂轮主要是机械刻划和划擦作用。金刚石刀具的研磨特别是精研加工是制造精密金刚石刀具的最关键工序，要求精研后的刀具刃口及其锋锐，刀刃无裂纹、缺口或其它缺陷。影响精研金刚石刀具质量的因素主要是：磨料粒度：利用铸铁磨盘研磨时，磨料颗粒应均匀地覆盖在磨盘的表面，并将粒度小的磨料涂抹在盘径小的圆周上，粒度大的磨料分布在盘径大的圆周上，这主要是考虑到磨粒在离心力的作用下要向外扩散，小颗粒由内而外扩散时，并不会给在大盘径上研磨的金刚石表面质量造成不良影响，反之如果是大颗粒分布在小盘径则会造成研磨质量下降等一些问

16、题。关于这一点，XDLu认为是金刚石刀具研磨工艺中的关键因素；研磨盘的质量：研磨盘的质量主要是指表面质量，其质量对被加工金刚石表面影响很大，优质的铸铁或铸钢研磨盘要求表面平整，微孔分布均匀细腻，而且还必须利于修整；精抛：精抛就是利用细磨料进行研磨的同时，让金刚石做垂直于研磨方向的运动，这种方法能够消除被加工表面的磨削痕迹，进一步提高表面质量。这个操作要求有较高的经验，力度和速度需要很好掌握。另外选取磨削方式、定向的精确度、刃磨的力度以及刃磨的速度都对金刚石刀具研磨的质量都有影响。据报道，在珠宝行业有采用不锈钢盘或合金盘进行高速滑动研磨的方法。在高速高压下，对单晶金刚石(06mm)(100)晶面

17、进行研磨，采用SUS304钢盘，加工条件为：滑动速度Vs=4000mmin，压紧力P=1 14Mpa，试样摆动速度VW=200mmmin，加工效率达到了h=260mmin。美国Edge Technologies公司的FMason采用一种叫原子级化学加工工艺，也叫真空等离子化学抛光法，可以对刃口进行原子级去除，刃磨后刃口放大10000倍仍然平滑。这种方法与传统的研磨方法相比，研磨方法只是将金刚石以微晶颗粒的尺寸规模去除而不是原子，而且加工出的切削刃只是沿着晶体的软晶面，而化学方法则可以将晶面的选择更严格，磨出的刃口质量远远超出常规磨削加工的质量。其工艺过程为：金刚石晶体x射线定向，金刚石颗粒钎焊

18、，然后在金刚石砂轮磨床上粗磨、半精磨，此时的刃口质量已经达到放大1000倍检查无缺口，然后在化学加工设备上的真空环境中进行精加工，其研磨盘上是沉积的粉末，在加工，金刚石刀具与研磨盘上的发生分子量级化学反应，金刚石碳原子便从切削刃上被去掉。加工的效率一般为。 目前国外高精度圆弧刃金刚石刀具刃磨水平已能使120。圆弧范围内的圆轮廓度不大于0.1m，而圆弧范围内的圆轮廓度不大于0.05m，如英国Contour公司生产的金刚石刀具轮廓度可以小于50nm；刀具表面粗糙度已达到纳米量级。2.2刀具刃磨质量检测技术衡量金刚石刀具质量好坏的主要指标是：切削刃直线度；圆弧刃轮廓度；刃口半径：刀具表面质量。金刚石

19、刀具刃口半径、直线度或轮廓度是影响超精密加工表面质量特别是表面微观几何形貌的重要因素。目前，金刚石刀具刃口的缺陷主要采用400以上的显微镜观察，但是对刃口钝圆半径的检查按照技术的发展可以分为常规方法和改进方法：(1)常规方法目前国际上通用的测量金刚石刀具刃口半径的方法是扫描电子显微镜SElV0法。用该方法测量时，首先对刀具表面进行仔细清洗，并用真空镀膜法在金刚石表面镀上一层很薄的导电金膜，之后利用扫描电子显微镜在放大2000030000倍时，通过观察刀刃的侧投影来测得刃口钝圆半径值。由于金刚石刀具的前、后刀面都研磨得极为平滑，表面粗糙度已研磨得很小，扫描电子显微镜景深比较大，故用此方法测量的结

20、果虽然分辨率低，但结果还是比较可靠的。当刃口半径<O.1m(100nm)时，用SEM观察分辨率不够，图象边缘较模糊，要实现100nm以内的精确测量比较困难。而且所镀金膜厚度不能确定，影响测量结果的准确性。(2)改进方法日本的中山一雄等提出电子显微镜(SEM)对刀刃在细金线上的压痕进行测量的方法，这种通过对比坐标来计算的方法能得到O05tin(50n m)的最小刃121钝圆半径测量结果。但由于金线的弹性变形及计算误差，精度也不是很高。后来随着扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的研究与应用，并被用于研究材料微观纳米构成的一种新的超高分辨率的测试仪器。1993年美国人DALucc

21、a就进行了用AFM测量金刚石刀具刃口半径的研究。国内华中理工大学的研究人员于1997年在其研制的AFM上设计了一套检测刃口钝圆半径的实验装置。是将金刚石刀具垂直安放在AFM探头下面的二维工作台上，用显微镜或放大镜观察并微调工作台，使刀刃位于探针尖的正下方，刀具预先用酒精清洗并用洁净的空气吹干。用AFM上的探针垂直于刀刃扫描，得到一族曲线，将这些刀刃的扫描点值对比探针运动的标准坐标值，就可以得到刀刃半径。但直接应用AFM测量还存在一些闯题，一是由于AFM扫描范围小，且扫描陶管下的探针作摆动扫描时只能获取局部的相对值，而不能获取刃口的全部几何信息与特征；二是由于AFM还只是一种定性的分析仪器，而不

22、是具有精确测量单位的测量仪器，只能做定性描述，不能做定量评定；第三是在扫描过程中，没有直线参考基准，所测数据是一组没有确切参考基准的相对峰高值。所以，在将来测量刚石刀具刃半径的方法需要对AFM进行改进。结论本文针对天然金刚石刀具刃磨技术及工艺进行了系统研究，并在研究基础上提出了刃磨设备的设计方案，为进一步研究奠定了基础。从金刚石刃磨技术基础出发，深入剖析了金刚石刀具的刃磨机理、金刚石刀具的设计及制造技术，并对金刚石刀具的刃磨质量检测技术做了深入了解，总结了国内外目前刃磨设备的特点，为开展具有创新性的金刚石刀具刃磨技术与设备研究做好了充分而必要的准备。在金刚石刀具刃磨技术实践研究中，课题以生产实际需要为主，在总结、借鉴国内外已有研究成果的基础上，选取了适合于已有刃磨设备和金刚石刀具特点的工艺路线，修磨了两把天然金刚石刀具，满足了实