中頻刀具熱處理爐,中頻熱處理優點和缺點

品牌：科晶

型號：CUT180

類型：真空熱處理

用途：刀具焊接

功率：18kw

外形尺寸：D820/W1300/H1700mmmm

重量：550kg

極限溫度：1000℃

加 熱 區：200mm

加熱元件：紅外加熱管

極限真空度：3.0*10-4Pa

中頻刀具熱處理爐

? ? ? 由于金剛石刀具具有硬度高、耐磨性好、熱導率大、摩擦系數和熱膨脹系數小、化學惰性強等特性，以及經過仔細刃磨后能得到十分鋒利的刃口，因而能廣泛應用于現代制造領域中有色金屬和非金屬材料的精密和超精密切削加工。本文綜述了單晶和聚晶金剛石刀具制造的最關鍵技術。

關鍵詞 單晶金剛石刀具 聚晶金剛石刀具制造 關鍵技術

　　一、 前言

　　隨著我國汽車、摩托車、航空航天、計算機、核工程、IT、醫療器械、精密儀器等行業的飛速發展，數控機床和加工中心機床的普遍使用，對零件的切削加工精度、尺寸一致性、切削可靠性、生產效率和刀具壽命的要求越來越高。由于金剛石集力學、光學、熱學、聲學等眾多的優異性能于一身，具有極高的硬度和耐磨性，摩擦系數小、導熱性高、熱膨脹系數和化學惰性低，所以是制造現代高速切削刀具的理想材料。因而廣泛應用于現代制造領域的有色金屬和非金屬材料的精密和超精密切削加工。本文對單晶和聚晶金剛石刀具制造的最關鍵技術作一概述。

　　二、 單晶金剛石刀具制造的關鍵技術

　　由于單晶金剛石各向異性，在不同晶面及不同方向上性能差異很大，正確的選料和定向不僅可簡化加工工藝，降低制造成本，而且還可提高刀具刃口質量和使用壽命，充分發揮金剛石刀具的優異性能。

　　1.單晶金剛石的選料

　　根據金剛石晶體中所含的雜質可分為Ia型、Ib型、IIa型和IIb型四類。一般按金剛石晶體的顆粒大?。ㄖ亓浚?、形狀、完整程度、透明度、裂紋、包裹體的多少、顏色及其均勻程度作為評定金剛石品質高低的依據。切削刀具用金剛石的質量要求為：晶體完整、形狀為十二面體、弧形八面體或過渡形晶體，晶體直徑一般不小于4mm,顏色為無色、淺綠、黃棕色等，不允許有裂紋，晶體表面可允許有不大于0.5mm的包裹體和蝕坑，重量為0.7～3克拉。對于精度要求極高的眼科、腦外科手術刀、激光反射鏡等超精密加工刀具，則要從拉絲模I級甚至寶石級原石中選料，最后用偏光顯微鏡或更精密的儀器選出內應力小的金剛石作為刀具坯料。

　　人工合成單晶金剛石屬Ib型，由于其晶格中氮原子均勻置換了碳原子，減少了氮原子聚集在刃口形成微小崩口的可能性，并且由于晶格均勻畸變，硬度略高于天然單晶金剛石。另外因增加了去除內應力的優化工藝，使之切削性能更為穩定、可靠、離散性更小，出廠時其晶軸方向已精確確定，所以更適宜于切削刀具的制作。缺點是Ib型人造單晶的脆性較大，加工較天然單晶更為困難，需要采用精細的刃磨方法才能獲得高質量的刃口。

　　2.單晶金剛石的定向

　　對天然單晶金剛石定向的目的不僅是要使刀具具有最長壽命，而且要求后刀面與已加工表面的摩擦及刃口附近解理面的應力最小。單晶金剛石刀具定向應包含前、后刀面置于的晶面和晶體成長的晶軸方向二個方面。研究表明，刀具的定向方案與其在切削過程中的磨損機理有關。金剛石刀具的磨損是一個非常復雜的物理與化學反應過程，不同加工條件和不同加工工件材料，其磨損形式及其所占比例也會不同，磨損速度取決于金剛石在不同材料中的溶解率。磨損形式有機械磨損、熱化學磨損和微小崩口等。一般前、后刀面都定在（110，100）或（100，100）晶面上，（111）晶面的任何方向均不易磨削，應予避開。

　　晶體定向的方法可分為儀器（例如X射線衍射分析儀）定向和人工目測定向。儀器定向精度高，但價格昂貴。人工目測定向是根據原子晶面的數目及相對位置來確定晶體的晶軸位置與方向。例如八面體晶體，通過三對對稱頂點連接而成的三條相互垂直的直線即為晶體的X、Y、Z軸線。八面體的晶面即為（111）面，垂直于軸線磨去其頂點得到八個正方形即為（100）面；與交成其棱邊的兩個面等角度地磨去棱邊，即可得（110）面。

　　3.單晶金剛石的焊接

　　由于金剛石具有極高的界面能，焊接性能極差。用機械夾持或鑲嵌釬焊的方法固定金剛石一直是傳統的加工方法，目前國內仍有相當一部分企業沿襲這種簡易方法制造金剛石刀具。因為這種方法夾持金剛石的牢固性差，刀刃極容易在切削中產生不易察覺的微小位移和振動，所以不可能滿足超精密鏡面切削加工的需要。因此，上世紀七十年代未發現釬焊金剛石的特定條件（高真空環境）和釬焊合金（以鈦為活性元素的銀基合金）是金剛石刀具制造技術最重要的突破之一。相隔10年后問世的惰性氣體保護下釬焊技術（德國Kesel公司Brazing Unit DLA2500）和近年研發的金剛石表面金屬化釬焊技術是這一關鍵技術進步的又一標志。

　　4.單晶金剛石的刃磨

　　目前，單晶金剛石刀具的刃磨可分為機械研磨和非純機械研磨二種方法。

　　單晶金剛石的機械研磨是在直徑為300mm的鑄鐵研磨盤上進行。研磨盤由材料組織中孔隙的形狀、大小和比例均經過優化的高磷鑄鐵制成。研磨盤的表面鑲嵌有金剛石研磨粉，其顆粒直徑可從小于1μm直到40μm。粗顆粒研磨效率高，但研磨質量差，只能用于粗磨。精磨則采用尺寸小于1μm的微粉。研磨前，首先將金剛石粉與橄欖油或其它類似物質混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盤表面，再用一較大的金剛石在研磨盤表面上進行預研磨。研究表明，研磨粉的粒度、研磨盤表面狀態、研磨的方向角度、研磨盤的端跳和研磨機床的振動等對研磨刀刃的質量有很大影響。機械研磨因為線速度高、局部壓力大、對刀具表面及刃口沖擊十分激烈，不可避免地會導致刀具表面產生微小溝紋和較厚的研磨變質層，并且刀刃鋸齒度相對較大，從而不能滿足要求鋒利度非常高的超精密切削刀具的需要。實踐表明，采用機械研磨得到的金剛石表面粗糙度極限值為10nm，刀刃鋸齒度達幾十個nm,表面加工變質層厚度約為200nm。

　　對于加工精度要求十分高的金剛石刀具，傳統機械研磨的方法受到了極大的限制。例如：高精度輪廓儀、隧道掃描顯微鏡和原子力顯微鏡上的金剛石探針的前端球面，其球面半徑僅1～2μm，精度誤差要求小于0.1μm；又如加工光通信光柵表面的微細溝紋的刀具要求刀尖圓弧半徑不大于0.1μm～0.3μm，尺寸形狀相當高等等。為此，除了在原機械研磨基礎上采用空氣靜壓軸承的高精度研磨盤外，近年國內外學者研發了各種新的研磨方法。

　　離子束濺蝕法是利用高能離子的轟擊作用直接對被加工的金剛石刀具的刃口進行物理濺蝕，以實現原子級的微細加工。其加工效率及刃口質量與離子束能量、刀具表面的電流密度及離子束相對于刀具表面的夾角有關。離子束濺蝕法最適用于加工尺寸小于1μm的微小金剛石刀具，并可達到很高的形狀精度。

　?。?）真空等離子化學拋光法

　　真空等離子化學拋光法的加工原理，轉動的磨盤被中間的高真空區分為左、右兩部分。左邊為沉積區，在磨盤表面涂上一層細晶粒氧化硅；右邊為研磨區，金剛石表面處于活化狀態的碳原子通過與磨盤上的氧化硅發生分子級化學反應而起到研磨刀具刃口的作用。反應生成的一氧化碳或二氧化碳氣體被真空泵抽出。該方法的研磨速度為1～3000μm3/ｓ，約每秒0.25～750個原子層，可研磨出極高的刃口質量。該方法最先被美國刀刃技術公司用于研磨超精密金剛石鏡面切削刀具，廣泛用于加工各種納米級精度的超精表面。

　?。?）無損傷機械化學拋光法

　　該方法是在溶液中加入適量的金剛石微粉和更細微（達納米級）的硅粉，帶強負靜電的細微硅粉會吸附在粒度大得多的單個金剛石微粒上形成具有硅吸附層的金剛石磨料，然后將其涂敷在多孔的鑄鐵磨盤上對被加工金剛石進行研磨。該方法的磨削效率非常低，僅為每分鐘一個原子層，但刃口質量非常好。

　?。?）熱化學拋光法

　　在溫度為800℃時，若使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。熱化學拋光法即是運用此機理對金剛石表面進行研磨加工。該方法的磨削效率為每秒40～2000個原子層。

　　用上述四種新的研磨方法均可使金剛石表面異常光滑，其表面粗糙度可達1nm，刀刃非常鋒利（ρ≤0.1μm）和金剛石刀具的變質層較淺；缺點是研磨效率較低，適宜于精研后的超精研磨加工。

　　5.單晶金剛石刀具的設計

　　單晶金剛石刀具設計時主要根據被加工零件的精度要求、實際加工條件和金剛石材料的特性來綜合設計刀具幾何參數。設計時應遵循下列原則：①由于單晶金剛石硬度高，加工困難，刀具幾何形狀盡可能簡單。②根據單晶金剛石脆性大、抗沖擊能力差的特點，應結合加工條件盡量優化幾何形狀參數，提高刀頭的抗沖擊能力。③根據被切削零件的精度要求設計合理的修光刃長度，同時考慮刀具刃口的切薄能力，修光刃應在≥500倍的高倍顯微鏡下檢測時無缺陷。

　　三、 聚晶金剛石刀具制造的關鍵技術

　　聚晶金剛石刀具的關鍵制造技術是刃磨工藝，由于聚晶金剛石（PCD）具有接近單晶金剛石的硬度與耐磨性，使刀具的刃磨相當困難，主要體現在材料磨除率小，砂輪損耗大，刃磨效率低與刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨工藝困難性已成為其推廣應用的障礙之一，為了突破這一瓶頸，國內外學者作了大量研究開發工作。但是迄今為止，任何PCD刀具的刃磨工藝都無法加工出ρ≤1μm的鋒銳刃口，因此難以達到超精密鏡面切削加工的要求。優點是制造成本可大大低于單晶金剛石刀具。

　　PCD刀具的主要刃磨方法目前用得最多的是放電刃磨(EDG)和金剛石砂輪機械刃磨。

　　1.放電刃磨

　?。?）放電刃磨的機理

　　放電刃磨是通過在電介質分離的砂輪電極與刀具電極間放電產生瞬時高溫，將PCD材料中的金屬相熔化和氣化，同時也可將部分金剛石晶體中的碳原子從晶格中轟逸。刃磨PCD刀具時，由于金剛石不導電，所以刀具電極即為PCD中的金屬相構成的導電網絡。由此可見放電刃磨實質是熱蝕加工過程。由于放電刃磨的溫度瞬時可高達8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨時可能引起金剛石周邊晶體的熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質合金基體的界面處侵蝕速度更快，這是放電刃磨的主要缺陷。由于放電刃磨是一種非接觸刃磨過程，磨削力小到可忽略不計，故刃磨效率很高。

　　PCD刀具的設計應遵循下列原則：①前角大小應根據工件材料的物理力學特性和刀具制作工藝的難易程度來合理選擇；②后角根據已加工表面質量要求的高低，特別是表面粗糙度、微觀形狀精度和彈性變形量的大小來巧妙合理組合；③刀尖R的大小應根據不同工件材質、切削加工余量、表面光亮度、切削力大小和工藝系統剛性來正確選用；④主偏角應根據工藝剛性、切削力大小、切削溫度高低綜合選擇；⑤刃傾角應根據刀尖強度、排屑方向、刀刃鋒利度等正確設計?？傊?，PCD刀具幾何參數的設計應根據切削加工要求、工件材料、切削條件和切削用量、制造設備的精度等綜合考慮，最終應體現在刀具的刃口既鋒利又強固；加工質量要好，刀具壽命要長。