金刚石单晶刀具的设计及制备

1、摘 要本文首先结合一定的理论知识，设计并优化刀具的工艺参数，其中主要包括刀具的基本组成、刀具的切削角度、刀具几何参数的合理选择和单晶金刚石的晶形及特点，为刀具的制备奠定了理论基础。然后根据学校和企业现有的条件，设计出金刚石单晶刀具的工艺流程，从而制备出所需的刀具。其主要制作工序分为五部分：选料，定向，刀杆的线切割与粗磨，钎焊，刀具的粗磨、精磨和检验。而在刀具的制备过程中，对钎焊温度和恒温时间这两个工艺参数进行了探索研究，确定了钎焊时的最佳工艺为钎焊温度850，恒温时间为15 min。为了研究金刚石单晶刀具切削镁铝合金后刀具的磨损机理，本文设计了三因素三水平的正交实验，其中三因素分别是指刀具前角

2、、主轴转速和进给量。根据设计的正交实验表，制作了九把刀，进行了九次实验。每次切削后通过立式显微镜对切削前后的金刚石单晶刀具进行了检测，获得了刀具前刀面磨损的形貌图，并测得被加工材料的表面粗糙度和刀具前刀面的磨损带宽度值。对正交实验结果进行了极差分析，可得知在金刚石单晶刀具切削镁铝合金时，对被加工材料的表面粗糙度有显著影响的是转速。表面粗糙度随刀具前角和进给量的增加而增大，而转速在3000 r /min以上时，表面粗糙度也呈上升趋势。而对刀具磨损影响最主要的因素是刀具前角，其次是转速，最后是进给量。在金刚石刀具的切削过程中，刀具的磨损量当然是越小越好，所以获得了金刚石单晶刀具车削镁铝合金时刀具磨

3、损量较小的最优工艺参数组合：前角10°、转速3900 r /min、进给量0.1 mm/r。金刚石单晶刀具在最优工艺参数组合下车削镁铝合金，通过对磨损后刀具前刀面形貌特征的分析，发现刀具的刃口发生了轻微磨损，并伴有崩刃和断裂迹象，刀具的前刀面出现了磨损划痕，形成了微沟槽，并发生了缺口破损。这说明刀具的主要磨损形式是机械摩擦磨损。关键词： 金刚石单晶刀具；几何参数；镁铝合金；钎焊；磨损机理IAbstractFirst, this paper combines with the certain theoretical knowledge, designs and optimizes th

4、e process parameters of the cutter, which mainly includes the basic parts of the cutting tool, the selection of proper cutting angle of the cutter, the reasonable choice of geometry parameters of the cutting tool and the crystal shape and characteristics of single crystal diamond. It laid a theoreti

5、cal basis for the preparation of cutting tool. Then, according to the existing condition of the school and the enterprise, the process of single crystal diamond cutter is designed and the cutting tool is prepared. The main production process is divided into five parts: choosing material, directional

6、, the cutting and coarse grinding of tool rod, brazing, the coarse grinding, fine grinding and inspection of the cutting tool. And in the process of preparing tools, the brazing temperature and constant temperature time were studied, which determines the best technology of the brazing for brazing te

7、mperature 850, constant temperature time of 15 min.In order to study the wear mechanism of the single crystal diamond cutter after cutting magnesium alloy, this paper designs orthogonal experiment including three factors and three levels. The three factors respectively is refers to the rake angle of

8、 cutting tool, spindle speed, and feed. According to orthogonal experiment table, nine experiments were carried out. After each cutting, single crystal diamond cutting tools were detected before and after cutting through vertical microscope. The topography figures of cutter surface wear were gained,

9、 and the surface roughness of the processed material and the width values of cutter surface wear were measured. The result of the orthogonal experiment can be made range analysis, which can learn in the single crystal diamond cutter cutting magnesium alloy, the spindle speed has a significant effect

10、 on the surface roughness of the processed material. Surface roughness increases significantly with the increase of the cutting tool rake angle and feed, and at the time of the more than 3000 r /min speed, the surface roughness is also on the rise. And the main influencing factors on tool wear is ra

11、ke angle of cutting tool, the second is spindle speed, the last is feeding. In the cutting process of diamond tool, tool wear volume is as small as possible, so when the single crystal diamond tool cuts magnesium alloy, the optimal process parameters combination of the smallest tool wear is rake ang

12、le 10°、spindle speed 3900 r /min、feeding 0.1 mm/r。When the single crystal diamond tool cuts magnesium alloy in the optimal process parameters combination, through analyzing the wear morphology characteristics of the cutter blade surface, it is found that cutting tool has a mild wear and accompa

13、nies by signs of the dissociation and fracture wear. The tool rake face has wear scratches, and form the micro grooves and the gap of damage. This shows that the main wear form of cutting tool is mechanical friction wear.Key words: Single crystal diamond cutting tool; Geometry parameters; Magnesium-

14、 aluminum alloy; Brazing; Wear mechanismIII河南工业大学硕士学位论文1 绪论1.1引言随着二十一世纪新科技发展和工业技术的进步，我们对机械零件加工精度、表面切削的完整性要求越发的严格。超精密机械零件加工工艺技术的工艺精度也要求的越来越高，目前的加工精度能高达几十纳米，与此同时表面加工粗糙度也达到了几个纳米，这些高达纳米级别的工艺在国防和航天及其新型装备等高尖端产品制造领域得到广泛的应用。金刚石单晶刀具加工的工件光洁度非常高，几乎能达到镜面效果，因此在超精密加工中常常使用金刚石单晶刀具来进行超精密切削，例如军工用品中的陀螺仪、反射镜和透镜、精密仪器仪表等

15、都可以用金刚石单晶刀具来加工。通常来讲单晶金刚石可区分成为两种，即天然与非天然合成金刚石，后者也称之为人工金刚石。总所周知，在自然界中，纯天然金刚石是极其稀少的，而且分布也极其不均匀。截至目前，全球能够找到具有商业价值的金刚石矿床也只有仅仅27个国家。虽然世界天然金刚石近年有较大幅度增长，但仍然远远满足不了全球经济发展的需要。因此人造金刚石的出现正好弥补了产销之间的巨大差额。据称，人造金刚石在世界实际金刚石消费中约占80。因此，金刚石的人工合成研究对人类科技的发展是很重要的。非天然金刚石的人工合成工艺的研究，其实就是在不断探索天然金刚石化学成分的过程中完成的。十七世纪后半期，牛顿提出“金刚石必

16、定是可燃的”这一结论，英国化学家波义耳经实验证实了这一结论。十八世纪末，科学家们发现金刚石和石墨是由碳元素组成的，为人工合成金刚石迈出了艰难的第一步。十九世纪末，法国化学家穆瓦桑和俄国矿物学教授赫鲁晓夫做了一系列的高温实验得到了类似金刚石的晶体，但在后来的工作中证明他们所制成合成物不可能是金刚石，然而他们的研究却为后人积累了宝贵经验。1954年12月8日，美国GE公司的研究发展中心首席科学家霍尔（H·T·Hall）与本迪（F·P·Bundy）等人首次成功地从石墨和含碳物质的金属熔体中提炼合成非天然金刚石，这是当时世界所认可的第一颗人造金刚石，他们的成功在

17、人工合成金刚石领域做出了巨大的的贡献，同时推动了金刚石人工合成工艺的发展研究。应该指出的是，就在几个月前，瑞典的斯德哥尔摩ASEA 科学实验室已经有科学家采用高温高压方法，在金属催化剂的作用下，得到了由石墨转变而成的人工金刚石，但当时并没有申请专利，也就此没有及时公布于世人。所以才有后来的美国科学家捧得了首次合成人工金刚石的殊荣。此后短短的几年时间，人造金刚石的合成即已投入商业生产 1。我国人工合成金刚石的研究比国外的起步要晚，但发展较快。1963年12月，我国成功研制了第一颗人造金刚石，其原料是高纯石墨粉，触媒是镍铬合金，在两面顶超高压的国产装置上合成成功的；从1964年4月开始，我国自主研

18、发的6×6MN DS-023A型铰链式六面顶压机成功问世；第二年8月，六面顶压机也研制成功；第三年7月已经正式投入使用同时进行金刚石合成工艺试验，就在这一年时间内，人造金刚石的产量达到一万克拉以上；1969年，仅六年的时间，我国第一个人造金刚石及其制品的专业化生产厂第六砂轮厂投产2，发展之迅速，令国人之震惊 。而在机理研究方面，我国在二十世纪六十年代就已制造出耐热性好、无色透明、抗压强度高的人造金刚石；进入九十年代，我国研究合成了金刚石薄膜，使人工合成金刚石的工艺达到了一个新阶段。此后十年时间，全国范围已全面展开对金刚石的生产，与此同时，以6×6MN六面顶设备为特色，我国的

19、人造金刚石工业体系已经成型。1.2金刚石单晶刀具的概述1.2.1金刚石分类及其性质我们比对氮杂质在金刚石晶体中的成分差异，将金刚石分为三种类型，即Ia、Ib、IIa和IIb型。如表1所示3-5。表1 金刚石分类及其性质I型金刚石II型金刚石Ia型Ib型IIa型IIb型自然界中含量980.112极少含氮杂质聚集态弥散态高纯高纯颜色无色、黄色绿色、棕色无色蓝色电阻(·cm)104101610161016101104Ia型金刚石：氮以聚集态存在。绝大多数天然金刚石属此类型，其含氮量在3000ppm左右，在金刚石晶体中产生一个个点缺陷。Ib型金刚石：氮的存在形式是单一替代原子。Ib型金刚石很

20、少是天然的，但所有我们常见的均是氮量为40500ppm的Ib型人造金刚石，Ib型金刚石中氮成分以置换固溶体形式存在，且均匀的分布在金刚石晶格中，这就使的Ib型金刚石呈显淡黄绿色光泽。IIa型金刚石：含氮量极少。在天然金刚石中也只少量存在IIa型，其含氮量只有20ppm，因此其金刚石纯度高。IIb型金刚石：其中氮成分含量为20ppm，而因为其中含有充足的硼元素使得金刚石形成一种P型半导体，所以IIb型金刚石又名为半导体金刚石。在自然界中，天然金刚石中极少能遇到IIb型，但在实验室条件下，采用去氮加硼的人工合成方法获得。1.2.2金刚石的物理特性和其对切削的影响金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结

21、构属于等轴面心立方晶系（一种原子密度最高的晶系）。由于金刚石晶体中碳原子间是以sp3杂化共价键连接，因此具有极强的方向性、结合力和稳定性。金刚石因其晶体的独特结构具有最高的刚性、硬度、导热系数和折射率，以及极高的抗腐蚀性、抗磨损性及化学稳定性(详见表2)6。表2 金刚石的物理性能物理性能数值硬度60000100000 MPa，随晶体方向和温度而定抗弯强度210490 MPa抗压强度15002500 MPa弹性模量(910.5)×1012 MPa热导率8.416.7 J/·s·质量热容0.156J/(g·)(常温)开始氧化温度9001000 K开始石墨化温

22、度1800 K(在惰性气体中)和铝合金、黄铜间的摩擦因素0.050.07(在常温下)金刚石的晶体结构均匀，无内部晶界，所以其刀具刃口的锋利度与平直度可以达到原子级别，切削时切削力小、切薄能力强、精度高。因为金刚石的耐磨性能好，硬度高；所以金刚石刀具经长时间的使用后，磨损程度不大，并不会改变刀具的尺寸。同时金刚石导热性能良好，在切削过程中，金刚石刀具的温度要明显低于使用其它材料的刀具温度。而且金刚石的膨胀系数极低，所以在加工过程中刀具温度变化对加工件尺寸的影响是极小。这些优点便使得金刚石刀具在精密、超精密机件加工领域有着重要的地位并且应用广泛。1.2.3金刚石的应用根据用途将金刚石可分为两个系列

23、的产品，即工业级的金刚石和宝石级别的金刚石。世界上80的金刚石都用在工业方面，只有不足于20的金刚石用于工艺饰品加工，但这20的宝石级别的金刚石经济价值要远高于80的工业级别的金刚石价值。我们市面称之为的钻石就是宝石级别的金刚石经加工后的成品，也是传统装饰品中最贵重的珠宝。在当今时代，宝石级别的金刚石已成为人们投资与储备的商业对象。工业所用的工业金刚石主要包括黑色金刚石、粗粒金刚石及其成分不纯的金刚石、金刚砂、粉等，而这些金刚石都不适宜用作宝石加工材料的。98%的天然金刚石为Ia 型金刚石，而人工合成的宝石级别的金刚石Ib 型居多，所以我们最为常见的金刚石依旧是I型金刚石7。 由于金刚石车刀具

24、有精度高、能加工出高光洁度的零件且大大提高工效等优点，因此金刚石刀具广泛应用在机件加工方面，可以用以加工合金、陶瓷与非金属材料等，例如象牙、橡胶、贵金属。 制造金刚石钻头也是金刚石的重要用途之一；主要用于地质探测、石油与天然气的勘探、煤矿钻探等，采用金刚石刀具做探头有着效率高、成本低的有点，同时能钻探最到坚硬的岩层，这些是其他材料探头所不能比拟优势。金刚石还可应用于玻璃刀、金刚石笔、轴承、唱针等的生产制造；金刚石微粒，粉尘也可用做磨料，主要应用于制砂布、研磨油石、砂纸、金刚石砂轮、磨头等的制造8。 IIa 型金刚石的热传导性能在固体中最高，主要用于尖端工业和高技术领域，例如固定激光器件及固体微

25、波器件的散热片。为了不降低效率或者损坏器件，IIa 型金刚石吸收了这些器件在工作时产生的热。这一应用有利于制造通讯设备和微型雷达。同时金刚石用作的散热片用在高功率晶体管、集成电路和二极管或其它半导体器件上，其性能稳定也广受欢迎。IIa型金刚石也可用作红外线穿透材料，用于远程导弹和人造卫星红外激光器的窗口材料。IIa型金刚石用作雷达罩材料，不仅可以使得雷达波进出自如，反馈的映像清晰准确，同时可以避免雨点和灰尘颗粒的冲击腐蚀，其金刚石高热振性能使得雷达罩在骤冷骤热时稳定运行更不会被破裂。IIb 型金刚石具备有良好热导性能，可做半导体材料。金刚石的热传导系数为 1000 W/(m·2000

26、W/(m·K)K)，因此可以用来制作大功率且耐高温的整流器，用金刚石制得的三极管能经受住高温达 600；掺入微量其它元素的金刚石可用来制备金刚石半导体电阻温度计 9。 金刚石的广泛应用并不仅仅停留理论层面上，目前各色各样的金刚石产品已经陆续问世或正在开发中。毫无疑问，金刚石将成为各个领域的宠儿，譬如商业、工业、军事、医学、教育及娱乐等。正因为如此，科学工作者们更为深入、更为广泛地探索金刚石的合成和应用技术。人造金刚石及制品基本能满足国内各行业、工业、加工业各个部门的生产需求，为国民经济稳定和健康发展贡献不可磨灭的一份力量10。1.3金刚石单晶刀具的国内外研究现状很早的时候，人们就发现

27、了天然的单晶金刚石，但其作为装饰品仅为显示权贵地位。随着工业的发展和科技的进步，大多数的单晶金刚石作为工业切削加工刀具，用来对特定工件如非金属、有色金属和极硬的金属陶瓷进行精密、超精密生产加工或是镜面的切削工艺 11。1980年以后，针对激光核融合技术的研究，众多科学家投入大量时间和精力以研制高精度软质金属反射镜，且软质金属有超精密水平的形状精度和表面粗糙度。其加工过程中，若采用传统方法，不但精密度达不到工件的要求，而且操作困难、费用高、加工时间长。因此，新的工艺生产方法应运而生；在实际生产要求的推动下，单晶金刚石超精密镜面切削技术才能得以快速的发展，结合当前已有的金刚石车削加工技术，通过严格

28、控制加工条件、提高机床刚性与精度性能、研制超精密金刚石单晶刀具，逐渐形成了镜面切削工艺体系，并迅速发展成为一门专业技术12,13。二十世纪末，日本De Beers公司联合住友公司制造出的大颗粒人造金刚石产品晶体长度达到13mm，这说明用人工合成方法制造大颗粒单晶金刚石的技术有了很大突破。美国Edge Technologies公司选用日本住友公司的人造金刚石制造了高精度的切削用刀，获得了良好效果；采用De Beers公司的人造单晶制成的各种刀具的使用寿命较天然金刚石提高20%200%14。二十一世纪初，日本Osaka(大阪金刚石)公司研制成功研制了单晶金刚石微型刀具，包括槽刀、成型轮廓刀立铣刀、

29、和球头铣刀等。上述刀具均可达到实用要求的商品化并迅速得以推广和工业应用。现在美、德等国采用的超精密微铣削加工刀具，都是从日本购买15。当前国内水平还没有研究单晶金刚石刀具的技术能力。我国对金刚石刀具加工技术研究较晚，与国外差距较大，在未来加大对单晶金刚石刀具的设计、研究新的高效的研磨方法、研磨工艺及设备等的研究尤为重要。现阶段，我国金刚石刀具的研究和生产厂家虽主要集中在北京、上海、广州等一些发达地区，但我国仍无法自主生产金刚石原材料，还需要向欧美国家采购金刚石原材料，这是因为我国与欧美国家的金刚石刀具制造厂商的生产技术有较大差距。其次，我国的技术装备落后，阻碍了金刚石刀具的制作，也导致产品的精

30、度及表面光滑程度远远达不到发达国家的水平。国内几乎所有厂家使用的金刚石刀具刃磨机床和其他附属加工设备都依靠进口。近年来，我国以哈尔滨工业大学、大连理工大学、清华大学为代表的高校已经开始在超精密刀具领域研究，极大推动我国金刚石刀具的研究发展和工业应用16。1.4镁铝合金镁铝合金是用镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成。其分子式为Mg4Al3，分子量为178.22，熔点为463，比重约为2.15gcm3，灰褐色，在燃烧时有高达2000一3000的温度。长期以来，人们对镁铝合金的结构给出了两种说法。一种是镁铝合金内部的晶体结构发生了改变，；另一种指的是通过简单的物理混合得到了镁铝合金。镁铝合金应用广泛

31、，主要以信息通讯产品为主，其他方面有自行车零件、汽车零件、航天国防、运动用品等 (见表3)。表3 镁铝合金的主要用途应用产业应用产品电子通讯笔记本电脑外壳、移动电话外壳、投影仪外壳等汽车零件仪表板、后视镜架、汽车车身板、托架等自行车零件刹车手把、车架、轮圈、曲柄等运动用品滑雪板固定器、球棒、网球拍等航天国防雷达机壳、导弹元件、飞机板焊接件等器材工具控制阀、电锯机壳、高档门窗1.5课题研究的目的和意义超精密切削是精密加工工艺领域的重要技术手段，它是内容广泛的一项新技术，在国防和尖端技术的发展中起着重要的作用。在超精密机件加工工艺中，表面质量的主要因素包括稳定的机加工环境和高精度的机床；同时一把高

32、质量的刀具也是非常重要的。金刚石具有高强度、高硬度、超高热导性能、良好耐磨性、有色金属摩擦系数低、抗黏结性能好以及优秀的化学稳定性和抗腐蚀能力，这些条件都为刃磨出锋利的刀刃提供保证，在工业领域内被公认为最理想的超精密切削刀具材料17。由于镁铝合金具有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收、导热性好、防电磁辐射、可薄壁成型等诸多有点，进而促进了其在医疗、家电、通讯、计算机、轻工业、仪器仪表等行业的应用发展18。一般从原则上来讲，所有刀具材料都可以切削镁铝合金，即使是普通的碳素钢刀具也行。但工厂多选用硬质合金刀具来进行镁铝合金的大批量的生产加工，然而镁铝合金属于软金属，在高速切削时，容易粘结刀具，使其表

33、面形成积屑瘤。所以当加工表面的质量要求较高时，选用金刚石刀具来切削镁铝合金。然而国内外有关金刚石单晶刀切削镁铝合金的研究比较少，所以本课题选择镁铝合金为被加工材料，从而研究金刚石单晶刀具的磨损机理。1.6本课题的主要研究内容（1）金刚石单晶刀具的制备 结合一定的理论知识，设计并优化刀具的工艺参数。然后根据学校和企业现有的条件，设计出刀具的工艺流程，从而制备出所需的刀具。而在刀具的制备过程中，对钎焊温度和恒温时间这两个工艺参数进行了探索研究，确定了钎焊时的最佳工艺。（2）金刚石单晶刀具磨损机理的研究 结合前人研究的理论成果，本文中将采用正交实验进行切削，分析研究作者设计刀具在各个切削的参数对其金

34、刚石单晶刀具磨损影响的主次顺序和规律；为后期减少刀具的磨损实验做支持提供基础，确定最优工艺参数组合。然后通过实际切削实验和实验结果的理论分析，探究在实际情况下，具体加工环境下，金刚石刀具磨损机理及其造成磨损的原因。7河南工业大学硕士学位论文2 金刚石单晶刀具的设计及制备2.1引言在超精密切削加工中，刀具要经受振动、冲击、摩擦、高温高压等一系列过程，其主要性能在切削加工中能起决定性作用，例如韧性、耐磨性、耐热性、经济适用性和工艺性等，同时也影响着制造成本、加工效率和加工精度等。要正确选择刀具需考虑加工参数、切削方式、刀具和工件的匹配是否合理等因素。影响刀具性能的主要因素是刀具的几何参数，它能影响

35、刀具在加工过程中的切削温度、切削力、切削变形和刀具磨损等。刀具的几何角度是刀具几何参数中最重要的一部分，主要包括前角、后角、主偏角、负偏角等。合理设计刀具几何参数能使刀具切削效率提高，生产成本降低，刀具耐用度获得最高。金刚石单晶刀具的制备一般包括选料、定向、切割、装卡、粗磨、精磨和检验等一些工序，想要制备高质量单晶金刚石刀具，就必须在每个工序把关，做好每个工序的制备工作19。本课题制备金刚石单晶刀具的工艺流程图如图1所示。2.2刀具的基本组成部分与切削角度车刀的刀头是车刀的切削部分。它由以下部分组成（见图2）：(1) 前刀面：又称前面，是指切屑流出时，刀头与切屑相接触的表面，符号Ar。(2)

36、主后刀面：又称主后面，是指刀头上与切削表面相对的表面，符号 Aa。(3) 副后刀面：又称副后面，是指刀头上与工件已加工表面相对的表面，符号Aa。(4) 主切削刃：指的是前面与主后刃面的交线，担负主要的切削工作，符号S。(5) 副切削刃：指的是前面与副后刃面的交线，也起切削作用，符号S。(6) 刀尖：主切削刃与副切削刃的交点。任何车刀都由上述部分组成，只是数目不完全相同，如切断刀由两个副切削刃和两个刀尖组成，而普通外圆车刀的刀头部分一般由一尖、两刃、三面组成。另外，刀头部分的切削刃也不是完全一样的，有的可能是直线，也可能是曲线，如样板车刀的切削刃就是曲线。车刀的切削角度共有7项，用于表示切削部分

37、的几何形状，并可在主截面与3个基准面内度量。(1) 前角：指的是车刀前刀面与基面之间在正交平面投影的角度，符号o 。在车刀切削部分，它是一个主要的工作角度，直接影响车刀主切削刃的刃口强度和锋利度。(2) 后角：指的是车刀副后刀面与基面之间在正交平面的投影角度，符号o 。它对主后面与过渡表面之间的摩擦情况有影响。(3) 主偏角：指的是主切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，符号r。它对主刀刃参加工作的长度和切削力的大小有影响。(4) 副偏角：指的是副切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，符号r。它对已加工表面的粗糙度及副刀刃参加工作的长度有影响。(5) 刀尖角：指的是刀尖角与副切削刃在基面上投影的夹

38、角，符号r。刀尖角的大小影响刀尖的强度及传热性能。(6) 刃倾角：指的是主切削刃与基面间的夹角，符号s。它主要对排屑情况和刀尖承受冲击的能力有影响。当刀尖是主切削刃最低点时s为负值；当刀尖是主切削刃最高点时s为正值。当刀刃与基面平行时s为零。(7) 副后角：指的是副切削平面在副截面内的夹角，符号o。其作用与后角o相似。为了保证加工质量，要选择合适的刀具几何参数，从而使生产成本降低，刀具切削效率提高，刀具耐用度获得最高。刀具的几何参数主要包括刀具的几何角度（如前角、后角、主偏角等）、刀面的形式（如平面前刀面、倒棱前刀面等）、切削刃的形状（直线形、圆弧形等）三部分，而刀具的几何角度是所有刀具参数中

39、最重要的内容。 在刀具的几何角度中，前角是重要的参数之一，对刀具的刃口强度和锋利程度有直接影响。依据前刀面与基面有不同的相对位置， 前角可能是正数、负数或零。若前角较大，刀具的刃口就会变得锋利，切削力和切削变形就会减小，切削就会显得很快；但如果前角过大，就会使切削刃变弱，容易发生崩刃现象。在实际生产的过程中，人们常常根据工件材料、刀具材料和加工性能等因素来选择前角的大小。从原则上来讲，刀具材料的抗弯强度及冲击韧性较高时，可选择稍大前角。在加工软材料、塑性材料时，应选择较大前角；而与其相对应的，在加工硬材料、脆性材料时，应选择较小前角。例如当被加工材料为铝、铜等时，可选用前角o=0°1

40、0° 20。若根据加工要求来选择前角时，精加工时的前角较大；粗加工和断续切削的前角较小；加工成形面前角应小，这是为了能减少刀具的刃形误差对零件加工精度的影响。总之，加大前角o，可以减小切屑变形和摩擦，从而降低切削力和切削热，切削起来较快，但另一方面前角过大，会削弱刀尖强度，减少散热能力，加剧刀具磨损21-23。后角对刀具的使用寿命、加工质量、生产效率等有直接影响。后角是为了减少主后刀面和加工表面两者之间的摩擦。后角增大，可减少两个面的摩擦，从而使加工表面的质量提高；但后角过大，就会降低切削刃强度，使散热条件变差，刀具磨损严重，从而导致刀具寿命降低。在相同磨损标准VB条件下，后角大的刀

41、具由新用到的磨钝，所磨去的金属体积较大，虽可延长刀具的使用寿命，但由于刀具径向磨损量大，会增大工件直径，影响工件的尺寸精度。为保证加工质量和刀具寿命，后角尽量取较小值。在根据加工精度选择后角时，为了减小摩擦，精加工时的后角应在8°12°的范围内；为了提高刀具强度，粗加工时的后角应在6°8°的范围内。若根据加工材料选择后角，加工塑性材料、较软材料时，后角取较大值；加工脆性材料、硬材料时，后角取较小值；加工易产生硬化层的材料时，后角应取大值。为保证楔角变化小，在选择后角时还要参考前角值，后角数值在很大的范围内变动，一般为o= 0°15°2

42、4。 2.3选料选料是制作金刚单晶石刀具的首要步骤，根据不同的加工条件、方法，选择合适的原材料不仅可以保证刀具的质量，而且可以避免浪费金刚石原材料而增加加工成本。一般来讲，刀具用金刚石原材料要求晶体完整、无裂痕，晶体表面应该尽量平整，最小直径不应该小于4 mm，重量为0.73 克拉25。本课题所选择的是台钻公司在高温高压下生长的八面体金刚石单晶颗粒，其晶形完整，颜色为浅黄色，透明，材质纯净，20倍显微镜下可观察到内部无缺陷，由激光切割机（如图3）切割为3×3×1 mm规格的金刚石单晶片。激光切割机的原理是利用高能激光束对金刚石的某一部分进行极速加热，使其在瞬间气化，然后通过

43、高压气体的流动将被气化的碳元素从切缝中带走，从而将金刚石块体切开，达到切割材料的目的26。激光切割基体不需要任何模具，适合切割不同尺寸、齿数、异型齿和包含复杂形状切缝的基体，没有刀具磨损，切割噪声小，自动化程度高，切割速度较快，精度较高。具体的工艺过程如下：首先将金刚石单晶片固定在合适的夹具上，然后将其放在切割台的中心位置，并能在左侧的电脑上看到其全貌，接着在电脑上设定好所需的尺寸，最后进行激光切割，如此反复几次，就可得到3×3×1 mm规格的金刚石单晶片（如图4）。2.4定向单晶金刚石刀具定向有两方面概念：第一方面是指晶体定向，即找准金刚石单晶的正晶轴方向，使得刀具的刀面

44、能够精确的放置于设计好的晶面上； 第二方面是指刀具定向，即选择金刚石的某个晶面分别作为刀具的前、后刀面，使其获得较高的使用性能和较长的刀具寿命27。目前有关晶体定向的方法主要有三种：X光射线定向法、激光定向法、人工目测法。本课题为了节省时间是请技术人员根据人工目测的方法来进行晶体定向的，即操作者根据天然晶体的表面生长情况、外部几何形状、各晶面间的几何角度关系及腐蚀特征等，凭借长期的工作经验，通过观察和试验后所做的粗略晶体定向。该方法简单、方便、易实施、不需要借助其他设备，能有效的缩减实验时间。而有关刀具定向的问题，首先需要了解的是金刚石晶形晶面的特点。单晶金刚石晶体形状可以是正六面体、八面体和

45、十二面体。而我们极少会遇到六面体的天然金刚石；人工合成的单晶金刚石，当温度较低时可得到六面体，温度较高时可得八面体或十二面体。金刚石具有明显的各向异性，这是由于金刚石单晶有着 (100)、(110)、(111) 3种不同的晶面族 。 本课题所选用的单晶金刚石的晶形是八面体，这是因为金刚石单晶是在高温高压下人工合成的，其晶面如图5的阴影部分所示。这3种晶面，(111)晶面的硬度最大，(110)晶面的硬度次之，(100) 晶面的硬度最小；在易磨方向，(111)晶面的磨削率最低，(100)晶面较好之，(110)晶面磨削率是最高的。因为(111)晶面硬度太高，对其研磨加工条件要求高，且微观强度不高，易

46、解理，所以刃口的锋利度很难达到要求。(110)晶面虽磨削率最高但从金刚石每个不同晶面所产生破损机率的角度来看，(100)晶面是最不易破损的，(111)晶面较好之，(110)晶面的破损机率是最棒的 28,29。因此从机件加工磨损情况、金刚石刀具的可制备性及其使用性能、刀具寿命等角度出发，一般选择（100）晶面作为制备金刚石刀具的前、后刀面的材料。 本课题所选用金刚石的（100）晶面，（110）晶面分别作为金刚石刀具的前、后刀面的制备材料。2.5刀杆的线切割和粗磨在把金刚石单晶片牢固地装卡在刀杆上之前，需对刀杆进行粗加工。本课题选用直径为6 mm的360#不锈钢刀杆，长度为46 mm，在机床上进行

47、线切割，使其出现一个深3 mm，宽1.05 mm的沟槽，然后在万能磨床上进行粗磨，使其达到所需要的形状。具体的工艺过程如下：首先，截取46mm的不锈钢刀杆，将其水平固定在台垫上用钼丝以30°水平角进行切削；然后，将刀杆寻转九十度后重新固定在台垫上，用钼丝沿刀杆的中心位置切出一个深3mm，宽1.05 mm的沟槽，再以25°的水平方向沿刀杆的中心位置切削，最后所得的刀杆如图6所示。2.6钎焊在单晶金刚石刀具制备过程中将金刚石刀头牢固地装夹在刀杆上是其中关键的一步，目前常用的装卡方式主要有机械夹固、粉末冶金法固定、粘结法固定、钎焊法固定等30。机械夹固适合较大颗粒金刚石的固定。传

48、统的金刚石刀具常采用机械夹固的方法31。镶嵌法能牢固地固定金刚石刀头，且便于修磨。目前应用较广，能固定较小的金刚石。但工艺过程较为复杂，制作成本高，且需要使用较大颗粒的金刚石单晶。粘结法固定粘结强度低，但是好在操作简单，这将导致固定的金刚石不稳定易脱落，而且高温环境下更会导致粘结剂的失效，这将很大程度上限制了它的应用。采用钎焊法固定金刚石刀头，具有焊接强度高、刀具几何角度的加工精度高、被加工工件表面质量高的特点。本课题所采用的装卡方式是钎焊法固定。钎焊方法是采用比母材熔化温度低的钎料，钎料可以是一种金属或是合金，操作温度应采取低于母材的固相线而高于钎料液相线。钎焊金刚石具有较强的粘合度，它是采

49、用合金钎料在高温下与金刚石产生化学反应，通过合金钎料与金刚石之间发生的化学效应，将金刚石颗粒牢牢结合，这种结合是原子级别上的粘合，结合度非常的高。强有效的把持力为金刚石刀具使用寿命与利用率提供稳定的保障，金刚石刀具表面容屑空间更加的充裕，极大程度的降低因切屑堵塞致使刀具的失效率。采用钎料焊接使得金刚石刀具中的金刚石细小磨粒可以有序排布，根据不同工艺条件、加工要求可以设计更为优秀的金刚石刀具。此外，还可以结合刀具在切削过程中的不同阶段所实现的目标间接的来控制被切削材料的去除机制以达到所加工机件表面的平整性；实现上述要求既提高了加工效率和质量，减小金刚石磨粒磨损程度，同时又节约了生产成本。2.6.

50、1钎料的选择单晶金刚石刀具的钎焊接头处强度性能主要是由钎料和单晶金刚石以及镁铝合金基体的结合程度来决定的，起强度性能取决于钎料的润湿程度与扩散性能。可见钎料的选择是否合理直接决定了金刚石刀具性能和使用寿命。银基钎料是目前应用较为广泛的钎料，对金刚石和镁铝合金材料具有良好的润湿性，具有一定的结合强度和承受一定冲击载荷的能力，经过工业生产的筛检，硬钎焊料是单晶金刚石钎焊应用过程中性能最为稳定的钎焊材料。本课题所选用的钎料是银铜钛焊膏，是从深圳联合焊接材料有限公司购买的，其主要成分和熔化温度见表4。表4 银铜钛焊膏的主要成分和熔化温度元素成分(wt)熔化温度()CuTiInLiAg640810203

51、52503010余银铜钛焊膏由银铜钛合金粉末与有机粘结剂混合而成。有机粘结剂赋予焊膏合适的附着力与粘稠度，其在钎焊过程中挥发分解。金属粉末附着在工件上熔化进缝并形成接头。相对于其他形式的钎料，焊膏无需预制成所需形状，可以一步到位灵活方便地放置在焊缝周围，并能精确控制数量，有利于机械化自动化生产，减少劳动力成本。2.6.2钎焊设备真空钎焊炉是热处理的大型设备，能够进行真空钎焊、真空退火、真空时效等多种加工。真空钎焊炉设备具有装炉量大、效率高，对复杂零件和有特殊要求的零件无需作补充工艺处理产品。本课题研究过程中所选用的钎焊设备是型号为VTHK-350高真空钎焊炉（见图6），其主要技术指标如表5所示

52、。工作原理是在高真空度的加热状态下，充入惰性气体保护工件，使用熔点低于被加工金属的钎料，让其填充在两加工件之间的间隙，使两加工件牢固结合。它的主要优点是加热温度低于被加工金属的熔点，所以在高真空钎焊时被加工金属的物理性能和化学性能将不会发生影响；对复杂零件来说，可一次焊接成功，减少焊接次数；使零件的变形量减小，能保证两加工件的尺寸等。该设备较适合用于不锈钢、钛合金、硬质合金、高温度合金的真空钎焊，广泛应用于高校或研究所的科研与小批量生产。表5 VTHK-350高真空钎焊炉主要技术指标型号VTHK-350(卧式)真空腔室尺寸350×L550mm炉膛尺寸120×L300mm等温

53、区尺寸105×L120mm真空腔室结构不锈钢双层水冷腔室极限真空5×10-5Pa加热温度最高加热温度1200，可控可调工艺方式可充入惰性气体进行工件保护控制方式手动或计算机控制报警及保护系统设备具有断水、过流、过压等保护装置及电气连锁保护系统选购件冷却循环水机、进口部件等2.6.3钎焊过程金刚石刀具经过长时间的和空气中的水分接触，在金刚石刀具表面发生氧化反应，表面金属层已被氧化。所以进行钎焊之前一定要用砂纸打磨刀具，经过砂纸的研磨后，刀具表面的金属层露出金属原有的光泽；这样以来，对钎焊接头是非常有利的，液体钎料更容易润湿，相互扩散力度更大了32。刀具在加热前，将钎焊剂均匀的

54、涂抹在单晶金刚石和镁铝合金基体上，通过专用夹具固定好刀具的各部分，并预留0.51 mm 的装配间隙，以便为液态钎料填充预留间隙，能形成良好的钎焊接头。然后将刀具放到烤箱里烘烤预热15min，再将其放到真空钎焊炉里，抽真空至真空度为3KPa，加热至850持温15min，最后冷却至室温。2.6.4钎焊温度的选择如果钎焊过程温度被加热的过高，将造成钎焊缝的氧化，氧化的直接结果将使得单晶金刚石表面的镁铝合金材料被损坏；相反的如果钎焊过程中温度加热过低，则会导致液态钎料润湿和扩散性能下降，液态钎料流动性不足，使得在钎焊缝形成气孔、夹渣等工艺缺陷，上述说的温度过高或是过低都会影响接头处脱焊，直接影响的单晶

55、金刚石刀具的使用寿命。经过长期的实验得出：因钎料的不同焊接温度也是不相同的，但总体上讲，最佳的钎焊温度是高于你所使用钎料熔点温度3050，因为在这个温度下液态钎料的扩散性、润湿性、流动性最好，此时的加工的钎焊缝是最为优质的33-36。为了进一步确定钎焊温度，本课题对不同钎焊工艺参数下试件的抗剪切强度进行了测定。图7所示为真空度为3KPa，保温时间为10min时，钎焊温度与焊缝剪切强度之间的关系。由图7可知，随着钎焊温度的升高，剪切强度增大。这主要是由于钎焊温度较低时钎料无法完全融化，所以很难使金刚石和硬质合金表面两者之间有较强的结合力。当钎焊温度达到850以后，剪切强度的变化幅度不大，这说明界

56、面间原子相互扩散的很充分，接头的结合强度提高。2.6.5恒温时间的选择图8所示为真空度为3KPa，钎焊温度为850 时，恒温时间与焊缝剪切强度之间的关系。由图8可知，随着恒温时间的增加，剪切强度先增大后减小，这与一般的钎焊规律相同。当保温时间在 15 min时，剪切强度的数值达到最高。从钎焊的具体过程来分析此现象可得到以下结论：由于钎焊过程中使用的钎料是膏状物，保温时间的长短将对钎料向待焊材料中的浸润程度有直接影响。 当保温时间较短时， 融化的钎料向金刚石和硬质合金中浸润的程度较低，此时进入待焊材料的钎料只有少量，达到的焊接强度也必定较低，因此为使钎料向待焊材料中充分浸润，一定要有足够的保温时

57、间。 但若温度较高，保温时间过长，金刚石与钎料之间的结合强度就会在一定程度上降低，从而在宏观上导致刀头剪切强度的降低。2.7刀具的粗磨、精磨和检验金刚石刀具的研磨是为了获得表面粗糙度值小、刃口锋锐的金刚石刀具，一般包括粗磨加工和精磨加工。粗磨加工主要是为了去除余量，对粗磨的质量要求主要是金刚石表面不能有大划痕、刀具刃口不能有崩刃等缺陷。金刚石刀具的粗磨与研磨方向、研磨速度以及压力、所用的金刚石微粉粒度等有关。研磨金刚石时，对于选定的晶面，沿晶面的最佳研磨方向研磨，能大大提高研磨效率。本课题所选用的八面体金刚石的最佳研磨方向如图9所示。精磨加工主要目的是提高研磨质量以及切削刃的锋锐性。其中磨盘质量、磨料粒度、研研磨方向等影响制约着精研刀具的质量，抛光是制备金刚石刀具的最后工序，抛光是让金刚石作垂直于研磨方向的法向运动，精抛的目的是为了在研磨时间段里保证金刚石沿着研磨的垂直方向作法向运动，同时抛光后去除了研磨磨痕，提高表面质量。本课题金刚石单晶刀具的粗磨加工是采用经过表面预处理的铸铁盘（如图10）对其进行研磨。为了去除盘面上的车削沟纹，提高平整性，首先对盘面进行推磨，然后涂以金刚石粉，使金刚石盘面能起到研磨作用。在研磨的初期，盘面上的金刚石很难被磨削，但长时间后，金刚石会开始出现轻微脱落，此时盘面温度相当高，这是因为金刚石表面发生氧化，导致表面硬度降低从而使研磨