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金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具是超精密切削中常用的刀具材料，其切削机理、条件和应用范围如下：
1.切削机理：
⏹金刚石刀具的切削刃非常锋利，在切削过程中能够实现“切入式切削”，
使切削力大大减小。
⏹金刚石的硬度极高，切削时不易被工件材料磨损，能够保持良好的切削刃
形状。
⏹金刚石的传热性能极佳，能够快速地将切削热量传递出去，从而降低切削
温度，减少热损伤。
1.切削条件：
⏹刀具刃口半径：为了实现超精密切削，需要将刀具的刃口半径减小到亚微
米级，以提高切削的精度和表面粗糙度。
⏹切削用量：为了减小切削力和热量，需要选择较小的切削深度和进给速度，
以提高切削效率。
⏹工件材料：金刚石刀具适用于加工各种硬材料，如淬火钢、硬质合金等。
但是，对于一些韧性较大的材料，需要进行预处理或选择其他刀具材料。
1.应用范围：
⏹金刚石刀具广泛应用于超精密切削领域，如光学零件、轴承、硬盘磁头、IC
芯片等高精度、高表面质量的零件加工。
⏹在加工过程中，金刚石刀具还可以用于制作各种微细结构，如微孔、微槽
等。
综上所述，金刚石刀具的超精密切削需要满足一定的条件，并具有广泛的应用范围。
金刚石材料刀具简介可以制成切削刀具的金刚石材料有天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、化学气相沉积法(CVD)金刚石厚膜、人造聚晶金刚石复合片等。
1、天然单晶金刚石天然单晶金刚石是一种各向异性的单晶体。
硬度达HV9000-10000，是自然界中最硬的物质。
这种材料耐磨性极好，制成刀具在切削中可长时间保持尺寸的稳定，故而有很长的刀具寿命。
天然金刚石刀具刃口可以加工到极其锋利。
可用于制作眼科和神经外科手术刀；可用于加工隐形眼镜的曲面；可用于切割光导玻璃纤维；用于加工黄金、白金首饰的花纹；最重要的用途在于高速超精加工有色金属及其合金。
如铝、黄金、巴氏合金、铍铜、紫铜等。
用天然金刚石制作的超精加工刀具其刀尖圆弧部分在400倍显微镜下观察无缺陷，用于加工铝合金多面体反射镜、无氧铜激光反射镜、陀螺仪、录像机磁鼓等。
表现粗糙度可达到Ra(0.01-0.025)μm。
天然金刚石材料韧性很差，抗弯强度很低，仅为(0.2-0.5)Gpa。
热稳定性差，温度达到700℃-800℃时就会失去硬度。
温度再高就会碳化。
另外，它与铁的亲和力很强，一般不适于加工钢铁。
2、人造单晶金刚石人造单晶金刚石作为刀具材料，市场上能买到的目前有戴比尔斯(DE-BEERS)生产的工业级单晶金刚石材料。
这种材料硬度略逊于天然金刚石。
其它性能都与天然金刚石不相上下。
由于经过人工制造，其解理方向和尺寸变得可控和统一。
随着高温高压技术的发展，人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。
由于这种材料有相对较好的一致性和较低的价格，所以受到广泛的注意。
作为替代天然金刚石的新材料，人造单晶金刚石的应用将会有大的发展。
3、人造聚晶金刚石人造聚晶金刚石(PCD)是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材料。
一般情况下制成以硬质合金为基体的整体圆形片，称为聚晶金刚石复合片。
根据金刚石基体的厚度不同，复合片有1.6mm、3.2mm、4.8mm等不同规格。
而聚晶金刚石的厚度一般在0.5mm左右。
金刚石刀具刃口的钝化原理
金刚石刀具在使用过程中，刃口会因为摩擦、磨碎等原因产生钝化。
钝化是指金刚石刀具刃口表面的结晶体被摩擦或磨碎，使其变得平滑，失去了切割或磨削的锋利度。
钝化主要有以下几个原理：
1. 疲劳磨损：刃口在使用过程中受到不断的摩擦和压力作用，使得金刚石结晶体出现裂纹、磨损等现象，最终导致刃口变钝。
2. 磨粒堆积：在切削或磨削过程中，金刚石刀具表面随着磨粒和被加工材料的摩擦，磨粒会聚集在刃口处，形成一层摩擦层，阻碍了新的磨削过程，导致刃口钝化。
3. 焊接磨损：在高温和高压下，金刚石刀具的刃口可能与被加工材料发生焊接现象，使金刚石结晶体受到严重的热变形和应力，导致刃口钝化。
4. 渗碳作用：金刚石刀具在高温和高压下，被加工材料中的元素可能渗透进入金刚石结晶体内部，与金刚石发生化学反应，改变其晶格结构，使刃口变得钝化。
总之，金刚石刀具刃口钝化是由于摩擦、磨碎、疲劳、热变形等因素的综合作用而导致的。
为了延长金刚石刀具的使用寿命，需要定期对刃口进行磨削、修复和保养。
金刚石刀具在数控机床中的应用随着科技的不断进步和发展，数控机床在工业领域中扮演着重要的角色。
数控机床的出现大大提高了生产效率和加工质量，而金刚石刀具作为一种高性能的切削工具，在数控机床中的应用也越来越广泛。
本文将探讨金刚石刀具在数控机床中的应用，并分析其优势和挑战。
一. 金刚石刀具的基本特性金刚石刀具由金刚石颗粒和金属粉末经压制、烧结等工艺制成，具有极高的硬度、耐磨性和热稳定性。
这些特性使得金刚石刀具在切削加工中具备以下优势：1. 高硬度：金刚石刀具的硬度仅次于金刚石，可用于切削超硬材料如陶瓷和高硬度合金等。
2. 耐磨性：金刚石刀具具有出色的耐磨性，可在切削过程中保持较长的使用寿命。
3. 热稳定性：金刚石刀具具有良好的热稳定性，可承受高温切削环境下的工作，不易变形。
二. 金刚石刀具在数控机床中的应用领域1. 切削加工金刚石刀具广泛应用于数控机床的切削加工领域，包括车削、铣削、钻削、磨削等。
由于金刚石刀具的高硬度和耐磨性，可用于加工硬度较高的材料，如钛合金、高速钢等。
同时，金刚石刀具还能够提供更高的加工精度和表面质量。
2. 精密加工在数控机床的精密加工中，金刚石刀具的应用更能体现出其独特的优势。
例如，在汽车零部件的精密加工过程中，采用金刚石刀具可以实现更高的加工精度和更好的表面质量。
3. 工具磨损监测由于金刚石刀具的耐磨性较高，因此可以通过监测金刚石刀具的磨损情况，准确地评估刀具的使用寿命。
这对机床的保养和刀具的及时更换具有重要意义，可降低生产成本，并提高生产效率。
三. 金刚石刀具在数控机床中的挑战虽然金刚石刀具在数控机床中有广泛的应用前景，但面临着一些挑战和限制：1. 成本高昂：金刚石刀具的制造成本较高，所以其售价也相对较高，这给广泛应用带来了一定的限制。
2. 技术要求高：金刚石刀具的加工工艺复杂，需要高精度和高温高压的条件，所以其生产过程要求较高的技术水平。
3. 刀具表面质量难以保证：由于金刚石刀具的硬度很高，常规的抛光或修整技术难以完成对其表面的加工，从而可能会影响到加工表面质量。
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具有很高的硬度天然金刚石的硬度达10000HV；CBN的硬度达7500HV。
与其他硬物质相比，SiC硬度为3000～3500HV，A12O3为2700HV，TiC为2900～3200HV，WC为2000HV，Si3N4为2700～3200HV；作为刀具材料用的硬质合金，其硬度仅为1100～1800HV。
具有很好的导热性天然金刚石的热导率达2000W/m-1*K-1，CBN的热导率达1300W/m-1/K-1。
紫铜的导热性很好，其热导率仅为393W/m-1*K-1；纯铝为226W/m-1*K-1，故金刚石与CBN的热导率分别是紫铜的5倍和3.5倍，是纯铝的8倍和5倍。
硬质合金的热导率仅为35～75W/m-1*K-1。
具有很高的杨氏模量天然金刚石的杨氏模量达1000GPa，CBN的杨氏模量在720GPa。
而SiC、Al2O3、WC、TiC的杨氏模量仅分别为390、350、650、330GPa。
物质的杨氏模量大就是刚性好。
具有很小的热膨胀天然金刚石的线膨胀系数为1×10-6/K，CBN的线膨胀系数为(2.1～2.3)×10-6/K。
而硬质合金的线膨胀系数为(5～7)×10-6/K。
具有较小的密度天然金刚石的密度为3.52g/cm3，CBN的密度为3.48g/cm3。
与Al2O3、Si3N4的密度接近。
具有较低的断裂韧性天然金刚石的断裂韧性为3.4MPa/m0.5,CBN与之接近。
金刚石刀具
刀具是一种切削金属或非金属材料的工具，刀具应具有足够的硬度、强度、韧性和耐磨性。
由于金刚石能在长时间内保持锐利，当使用得很仔细而又很恰当使，刃口不易损坏，另外金刚石的线膨胀系数很小，比硬质合金低几倍，因此它不会产生很大的热变形，即由切削热引起的刀具尺寸变化甚微，这对尺寸精度要求很高的精车刀来说是非常重要的。
用金刚石车刀加工时，一次加工就能达到就能达到低粗糙度、高精度，避免了以前为达到这些要求而进行很多复杂费时的工序，从而大大提高了生产率，降低了成本。
金刚石刀具可用来对有色金属及其合金以及非金属材料进行高速精细车削及镗孔。
例如精密切削无氧铜、超硬铝、镁及镁合金等有色金属以及塑料、硬橡胶、石墨等，加工尺寸精度可达到一级几何形状精度3 ~ 5μm，加工表面粗糙度可达0.01 ~ 0.08μm。
金刚石刀具也用来加工预烧后的硬质合金毛坯。
金刚石刀具也存在了一些缺点：
（1）耐热性较低，一般切削温度不能超过700 ~800 ℃；
（2）金刚石强度低，对振动很敏感，只适合于精加工；
（3）一般不适合于加工钢铁材料，因为金刚石和铁有很强的化学亲和力。
近年来，金刚石刀具在加工钢铁材料方面开始取得较好的进展
金刚石刀具种类打字可分为三类
（1）一般车刀，它和普通车刀一样，有外圆、断面、内圆用车刀，做成铣刀还可以进行平面切削；
（2）雕刻用车刀，在切入式切削中可以加工钟表等装饰品；
（3）特殊用车刀，包括完全镜面加工用车刀，辊光用工具等。
金刚石刀具的磨损机理引言：由于金刚石材料的高硬度和各向同性使其磨损非常缓慢。
是一种理想的刀具材料。
为了充分发挥PCD刀具的切削性能，世界各国先后投入大量人力物力对PCD刀具进行研究。
1、金刚石刀具的磨损形态金刚石刀具的磨损形态常见于前刀面磨损、后刀面磨损和刃口崩裂。
1、金刚石刀具的磨损机理金刚石刀具的磨损机理比较复杂，可分为宏观磨损与微观磨损。
前者以机械磨损为主，后者以热化学磨损为主。
宏观磨损的基本规律如图，早期磨损迅速，正常磨损十分缓慢。
通过高倍显微镜观察，刃口质量越差及锯齿度越大，早期磨损就越明显。
这是因为金刚石刀刃圆弧采用机械方法研磨时，实际得到的是不规则折线如图，在切削力作用下，单位折线上压力迅速增大，导致刀刃磨损加快。
另一个原因是，当金刚石刀具的刃磨压力过大或刃磨速度过高，及温度超过某一临界值时，金刚石刀具表面就会发生氧化与石墨化，使金刚石刀具表面的硬度降低，形成硬度软化层。
在切削力作用下，软化层迅速磨损。
由此可见，金刚石刀具刃磨质量的高低会严重影响它的使用寿命与尺寸精度的一致性。
当宏观磨损处于正常磨损阶段，金刚石刀具的磨损十分缓慢，实践证明，在金刚石的结晶方向上的磨损更是缓慢。
随着切削时间的延长，刀具仍有几十至几百纳米的磨损，这就是微观磨损。
通过高倍显微镜长期观察以及用光谱与衍射分析后，金刚石刀具的微观磨损原因可能有以下3个：1随着切削时间的不断延长，切削区域能量不断积聚，温度不断升高，当达到热化学反应温度时，就会在刀具表面形成新的变质层。
变质层大多是强度甚差的氧化物与碳化物，不断形成，不断随切屑消失，逐渐形成磨损表面。
2金刚石晶体在切削力特别是承受交变脉冲载荷持续作用下，一个又一个C原子获得足够的能量后从晶格中逸出，造成晶体缺陷，原子间引力减弱，在外力作用下晶格之间发生剪切与剥落，逐渐形成晶格层面的磨损，达到一定数量的晶格层面磨损后就会逐渐形成刀具的磨损表面。
3金刚石刀具在高速切削有色金属及其合金时，在长时间的高温高压作用下，当金刚石晶体与工件的金属晶格达到分子甚至原子之间距离时，引起原子之间相互渗透。
金刚石刀具金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点。
可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。
金刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。
天然金刚石刀具目前主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属，以及特殊零件的超精密镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。
但其结晶各向异性，刀具价格昂贵。
PCD的性能取决于金刚石晶粒及钴的含量，刀具寿命为硬质合金(WC基体)刀具的10～500倍。
主要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。
切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件材料以及硬度。
人造聚晶金刚石复合片(PDC)性能和应用接近PCD刀具，主要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合材料等切削加工，逐渐替代硬质合金刀具。
由于金刚石颗粒问有部分残余粘结金属和石墨，其中粘结金属以聚结态或呈叶脉状分布会减低刀具耐磨性和寿命。
此外存在溶媒金属残留量，溶媒金属与金刚石表面直接接触。
降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐热温度，故刀具切削性能不够稳定。
金刚石厚膜刀具制备过程复杂，因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。
金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润。
可焊性极差，难以制作复杂几何形状刀具，故TDF焊接刀具不能应用在高速铣削中。
金刚石涂层刀具可以应用于高速加工，原因是除了金刚石涂层刀具具有优良的机械性能外，金刚石涂层工艺能够制备任意复杂形状铣刀，用于高速加工如铝钛合金航空材料和难加工非金属材料如石墨电极等。
显示为纯金刚石。
ND是目前已知矿物中最硬的物质，主要用于制备刀具车刀。
天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01～0.002µm。
刀具基础知识一、刀具材料应具备的性能；A，高的硬度和高耐磨性1.硬度是刀具材料应具备的基本特性2.耐磨性是指材料抵抗磨损的能力。
B，足够的强度和韧性1.强度是刀具材料抵抗破坏的能力2，韧性是指材料发生断裂时外界做功的大小。
3.高的耐热性和热传性4.良好的工艺性和经济性1）切削性能目前刀具材料分四大类：工具钢、硬质合金、陶瓷及超硬刀具材料等。
常用的刀具材料一、工具钢1. 碳素工具钢碳素工具钢是含碳量为0.65％～1.3％的优质碳素钢。
常用的钢号有T7A、T8A等。
耐热温度：200℃～300℃。
2. 合金工具钢1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。
在碳素工具钢中加入适当的元素铬（Cr）、硅常用的合金工具钢有9CrSi，CrWMn等（Si）、锰（Mn）、钒（V）、钨（W）等炼成的。
耐热温度：325℃～400℃。
主要用于制造细长的或截面积大、刃形复杂的刀具。
二，高速钢高速钢是一种富含钨（W）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等元素的高合金工具钢。
美国的F.W.泰勒和M.怀特于1898年创制的。
含碳量一般在0.70～1.65％之间。
耐热温度：500℃～650℃。
高速钢的抗弯强度是硬质合金的3～5倍，冲击韧性是硬质合金的6～10倍1.普通高速钢（HSS）2.钨系高速钢：W18Cr4V (W18)3.具有较好的综合性能，可制造复杂刃型的刀具。
但由于钨是稀有金属，现在很少使用。
4.钨钼系高速钢：W6Mo5Cr4V2 (M2)5.M2的碳化物颗粒小，分布均匀，具有较高的抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性。
又因为钼的存在，使其热塑性非常好。
2. 高性能高速钢（HSS-E）高性能高速钢是在普通高速钢中增加一些碳、钒及添加钴（Co）、铝等元素的新钢种。
钴高速钢：W2Mo9Cr4VCo8 (M42)一种含钴的超硬高速钢，常温硬度67HRC-69HRC，具有良好的综合性能。
铝高速钢：W6Mo5Cr4V2Al在M2的基础上加Al、增C，提高了钢的耐热性和耐磨性。
