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單晶金剛石刀具

簡介在超精密加工中,保證加工表面質量的主要因素除了高精度的機床、超穩定的加工環境外,高質量的刀具也是很重要的一個方面。天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、強度高、導熱性好、與有色金屬摩擦系數低、抗黏結性好以及優良的抗腐蝕性和化學穩定性,可以磨出極其鋒利的刀刃,被認為是最理想的超精密切削用刀具材料,在機械加工領域尤其是超精密加工領域有著重要地位并得到廣泛應用。

定向方法:X射線晶體定向

由于X射線的波長接近晶體的晶格常數,當X射線透過晶體或從晶體表面反射回來時,會發生衍射。利用這個原理我公司已開發有專用的JF-6單晶定向儀。

單晶金剛石刀具的晶面選擇

金剛石晶體屬于平面立方晶系,由于每個晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之間距離的不同,造成天然金剛石晶體的各向異性,因此金剛石不僅各晶面表現的物理機械性能不同、其制造難易程度和使用壽命都不相同,各晶面的微觀破損強度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強度可用Hertz試驗法來測定,由于金剛石是典型的脆性材料,其強度數值一般偏差較大,主要依賴于應力分布的形態和分布范圍,因此適合用概率論來分析。當作用應力相同時,(110)晶面的破損概率最大,(111)晶面次之,(100)晶面產生破損的概率最小。即在外力作用下,(110)晶面最易破損,(111)晶面次之,(100)最不易破損。盡管(110)晶面的磨削率高于(100)晶面,但實驗結果表明,(100)晶面較其它晶面具有更高的抗應力、腐蝕和熱退化能力。結合微觀強度綜合考慮,用(100)面做刀具的前后刀面,容易刃磨出高質量的刀具刃口,不易產生微觀崩刃。

通常應根據刀具的要求來進行單晶金剛石刀具的晶面選擇。一般來說,如果要求金剛石刀具獲得最高的強度,應選用(100)晶面作為刀具的前、后刀面;如果要求金剛石刀具抗機械磨損,則選用(110)晶面作為刀具的前、后刀面;如果要求金剛石刀具抗化學磨損,則宜采用(110)晶面作刀具的前刀面,(100)晶面作后刀面,或者前、后刀面都采用(100)晶面。這些要求都需要借助晶體定向技術來實現。

 單晶金剛石刀具的選料與定向

制作單晶金剛石刀具第1 步工作就是選料,根據不同的加工條件、方法,選擇合適的原材料不僅可以保證刀具的質量,而且可以避免浪費金剛石原材料而增加加工成本。一般刀具用金剛石原材料要求晶體完整、無裂痕,晶體表面應該盡量平整,最小直徑一般應不小于4 mm ,重量為0. 73 ct 。

由于刀具的要求,或金剛石形狀所決定,有時候需要將金剛石原石分割。金剛石具有平行完全解理,金剛石中的碳原子與碳原子之間是以較大力量的共價鍵結合在一起的。但是在金剛石結構中的某些特定方向,如平行八面體面方向施加一定的力后,金剛石非常容易破裂,主要是因為金剛石晶體中連接此面的鍵相對較少。因此選擇金剛石的解理面進行分割原石,劈開的方法。在需要劈開的金剛石上開出一條稱為切縫的槽或刻痕。劈開的技巧在于知道從哪里開縫以及要切多深。切縫要想磨出一把高質量單晶金剛石刀具,必須掌握單晶金剛石的晶體定向技術。這主要是由于單晶金剛石的各向異性的特點決定的,金剛石的各個方向上的硬度差別很大。要選擇合適的晶面和晶向作為刀具的前刀面、后刀面,即刀刃,使其耐磨性和加工性能達到最好。金剛石晶體各界面在好磨方向上,晶面的磨削率最低,晶面次之,晶面磨削率最高。由于晶面硬度太高,研磨加工困難,而且微觀強度不高,易解理,很難磨出鋒利刃口。晶面在好磨方向上磨削率比晶面高近一倍,但從金剛石不同晶面產生破損的機率來適用各種型號的電機進行綜合保護。對于不同的電機只需調整相應閥值即可。

 
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