仪器制造技术-金刚石车削

金刚

石刀

具超

精密

车削2/3/20231西安科技大学机械制造工程学院钻石（就是金刚石）一般称经过琢磨的金刚石为钻石。金刚石的化学成分是纯碳，硬度为10，是自然界中最坚硬的物质，比重3.47至3.55，折光率2.42。一般认为1克拉以上的为大金刚石，100克拉以上的为特大金刚石。特大块的金刚石极为罕见，目前世界上仅三十余块，其中最大的“库利南”重3106克拉，是1905年在南非发现的。评价钻石的标准称为四C标准，即重量、颜色、洁净和琢磨。其它条件相同，越重则越珍贵；钻石因各种原因，常有颜色方面的不同，各国的分级标准也不统一。最常见的为白色、淡黄色，有些蓝色、粉红色、绿色、紫色等，被视为特殊色，由于稀有，成为钻石中的珍品。金刚石和石墨的化学成分是纯碳，金刚石硬，而石墨软。这是因为石墨中的碳原子是成层排列的，原子间的结合力很小，金刚石中的碳原子则是交错整齐地排列成立方体结构，每个碳原子都紧密地与其他4个碳原子直接连接，构成一个牢固的结晶体。要使碳原子形成这样的结构，需要2千摄氏度高温和5万个大气压。金刚石与石墨结构另外几种宝石祖母绿宝石的矿物名称叫绿柱石，由于矿物中含有微量的铬元素，呈现出晶莹艳美的绿色。绿柱石常成六角柱形状，晶体产出。硬度7.5至8，比重2.67至2.78，折光率为1.56至1.60，透明、性脆。红宝石的矿物名称叫刚玉。它是六方晶体，硬度9，比重3.99至4.02，折光率1.76至1.77,透明、半透明或不透明。它是氧化铝锰的结晶体，因含铬离子而有各种深浅不同的红色，其中以鸽血红为最好。当红宝石内部的某种杂质按宝石的结构特点有规律地排列时，在光源的照耀下，可反射出一种迷人而美丽的六射星光，俗称六道线。缅甸是世界上著名的红宝石产地，所产最大的一块达3450克拉。蓝宝石的矿物名称也叫刚玉，它也是六方晶体，硬度9，比重3.97至4.08，折光率1.76至1.77,透明、半透明或不透明。它是氧化铝钛的结晶体，因含铁离子与钛离子而呈蓝色，其中以洋蓝色为最好。有的蓝宝石也可以产生美丽的六射星光，这决定于宝石内部按规律排列的反光物质，而且与产地有关，如斯里兰卡所产蓝宝石，其星光效果就特别好。金刚石与宝石按照宝石学的定义，玉指的是两类具有一定化学成分和物理性质的矿物：硬玉和软玉。软玉又称和阗玉，化学成分为钙镁硅酸盐类矿物，硬度6－6.5（钻石为10）；硬玉就是俗称的翡翠，化学成分为铝硅酸盐类矿物，硬度6.5－7。克拉原指地中海海边生长的一种刺槐（角豆树）的果实，200毫克为一克拉。为什么要用金刚石做刀具？天然金刚石具有极高的硬度，10000HV；刀刃可以刃磨的非常锋利；r=0.3-0.08微米与被加工材料的摩擦系数小导热好擅长加工有色金属、光学镜片、陶瓷等DiamondtoolsUltraprecisioncuttingtoolsneedtobehardandsharpandtohaveenhancedthermalpropertiesinordertomaintaintheirsizeandshapewhilecutting.Advantagesofferedbydiamondinclude:(1)

Crystallinestructure,whichenablesverysharpcuttingedgestobeproduced,(2)Highthermalconductivity,thehighestofanymaterialsatroomtemperature,(3)Abilitytoretainhighstrengthathightemperature,(4)Highelasticandshearmoduli,whichreducedeformationduringmachining.Diamondis,however,chemicallyattackedbyferrousmaterialsathightemperatures,andisgenerallyunsuitableforthemachiningofsteelsandnickelalloys.Thisisbecauseoftheveryhighwearrateofthediamondwhichresultsinnonviabletoolscosts.Morerecentlydiamondmachininghasbeenusedformachiningofnonferrousmetalssuchasaluminumandcopper,whicharedifficultmaterialsonwhichtoobtainamirrorsurfacebygrinding,lappingorpolishing.Thisisbecausethesemetalsarerelativelysoftandtheabrasiveprocessesscratchthefinishedsurfaceand,furthermore,areunabletoproducehighlevelsofflatnessattheedgesofthemachinedsurface.超精密车削用在何处？铝合金，无氧铜，黄铜，非电解镍等有色金属。陀螺仪，天文望远镜的反射镜，录象机磁头，硬盘，激光打印机的多面棱镜，复印机硒鼓。常用车刀二维直角切削模型金属切削过程实际是被切削金属层在刀刃的切割作用和前刀面的的挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形过程，在切削过程中也有弹性变形，但与塑性变形相比可以忽略常用刀具材料的种类与特性常用刀具材料有:碳素工具钢，合金工具钢，高速钢，硬质合金，陶瓷，金刚石，立方氮化硼高速钢——具有较高的热稳定性、高的强度，刀具制造工艺简单。硬质合金——具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。陶瓷材料——硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。高速钢（HSS）特别适用于制造结构复杂的刀具例如各类成形刀具、孔加工刀具铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等适于制造中、低速切削的各种刀具按其性能分成两大类普通高速钢钨系：W18Cr4V,W14Cr4MnRE钼系：W6Mo5Cr4V2高性能高速钢高性能高速钢高碳:9W18Cr4V(C:0.9%)高钒:W6Mo5Cr4V3高钴:W6Mo5Cr4Co8超硬:W2Mo9Cr4VCo8,W6Mo5Cr4V2Al一般来说，W占10－20％，Cr占4％,V占1%,还有用Mo的。在刀具本身的熔炼、成型中，这些元素可以和碳形成高硬度的碳化物，提高耐磨性，W还可以增加高温硬度。Mo和W差不多作用，但可以细化碳化物颗粒，提高韧性。V的作用主要增加耐磨性。硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物(WC,TiC)微米级粉末和金属粘接剂（Co,Mo,Ni）经过高温、高压烧结而成的粉末冶金材料。YT,硬钛(P类) YT5,YT14,YT30YG,硬钴(K类) YG3X,YG6X,YG8YW,硬钨(M类) YW1,YW2涂层硬质合金通过气相沉积和真空溅射等方法在刀片上涂层。TiC用的多一些。陶瓷刀具主要用AL2O3加微量添加剂（MgO)，经冷压烧结而成。用陶瓷基复合材料，抗弯强度高、韧性好，作为切削刀具，其耐用度比硬质合金高出113倍。因此，世界各国都非常重视此类刀具的开发研究，美国汽车工业近40%的刀具为陶瓷刀具，德国也占20%。我国研制和生产陶瓷刀具起步较晚，目前仍以高速钢，硬质合金为主，陶瓷材料比例不大。合肥工业大学材料学院刘宁教授主持研究的国家科技攻关地方重大项目－－纳米ＴＩＮ、ＡＩＮ改性的ＴＩＣ基金属陶瓷刀具制造技术2004年3月上旬通过鉴定，这标志着一种利用纳米材料制作的新型金属陶瓷刀具问世。

这个项目研究纳米ＴＩＮ改性ＴＩＣ基金属陶瓷材料，在金属陶瓷（ＴＩＣ碳化钛）中主要加入纳米ＴＩＮ（氮化钛）可以细化晶粒，提高材料的强度、硬度和断裂韧性，这对开发和研制新型刀具材料具有重要的意义。研究同时表明，纳米ＡＩＮ（氮化铝）对刀具材料的发展起到积极的推动作用。研制的纳米ＴＩＮ改性ＴＩＣ基金属陶瓷刀具具有优良的力学性能，是一种高技术含量和高附加值的新型刀具。经用户４个多月的应用表明，在切削加工领域可以部分取代ＹＧ８、ＹＴ１５等硬质合金刀具，刀具寿命提高2倍以上，生产成本与ＹＧ８刀具相当或略低。刀具材料应用场合总结1刀具类型常用牌号应用场合举例碳素工具钢T10A,T12A手工工具锉刀合金工具钢9SiC,CrWMn低速场合板牙，丝锥，铰刀，拉刀高速钢通用型W18,M2有色金属，高温合金钻头，齿轮刀具，拉刀高性能型M42不锈钢，奥氏体钢，超高强度钢通用刀具刀具材料应用场合总结2刀具类型常用牌号应用场合举例硬质合金WC基YTYT5,YT30钢，铸钢通用刀具YGYG3X,YG8铸铁，有色金属，非金属，通用刀具通用刀具YWYW1,YW2奥氏体钢，锰钢，铸钢，有色金属通用刀具TiC基YNYN05,YN10奥氏体钢，锰钢，铸钢，有色金属通用刀具陶瓷SM车刀，铣刀金刚石磨具，磨料，车刀，镗刀CBN磨具，车刀，镗刀，端铣刀，铰刀金刚石超精密车削机理普通加工时，切削深度远大于材料的晶格尺寸，在切应力的作用下从基体上去除晶粒团。而精密切削时要达到0.1微米以下的精度，刀具必须具备切除亚微米级尺寸的能力，一般切削深度小于晶格尺寸，是去除晶体。普通加工时起主要作用的是晶格间的位错缺陷，精密切削时克服的是晶体内非常大的原子结合力，所以刀具上力很大，热量大，温度高一般刀具受不了，金刚石具备高温强度和高温硬度，能保持好的切削性能。刀具锋利，用刃口圆弧半径衡量，当切削层厚度小于刃口圆弧时，切不下金属，只是滚压。金刚石车刀顶刃形状金刚石通用车刀实现精密车削的条件欲工善其事，必先利其器－－刀要快超精密机床－主轴、导轨、微进给系统、在线测试系统环境：恒温、隔振、防尘正确选择切削工艺参数：切削速度、进给量、切削深度等。（有很多人在研究）金刚石刀具如何制造？天然金刚石也只有10－