单晶金刚石刀具

单晶金刚石刀具　

潘松林编译　

盘刚石刀具确两种类型，一种是单晶金刚　石刀具，另一种是多晶金刚石刀具。　

天然单晶金刚石刀具已使用多年。尽管目　前在许多场合，单晶金刚石刀具已为多晶金刚　

石刀具所取代，但它的用量还在继续增加。　单晶和多晶金刚石刀具的用量所以会日益　

增加，主要是由于现代机械制造业对零件的精　度和光洁度提出了更高的要求，轻型材料在新　

产品中的应用有了急剧的增加，以及为了提高　生产率，要求减少因更换、调整７Ｊ具所造成的　

停机时间。同时还由于金刚石刀具使用知识的　进一步普及和刚性好、速度高、进给小的机床　的出现，为金刚石刀具的扩大使用创造了良好　

的条件。　金刚石是石墨在高温高压下形成的大小不　

同的立方晶体。单晶金刚石刀具是用工业型天　

然单晶金刚石制成的。制造时，根据刀具的使　

用要求，经过锯、劈、研等加工，形成所需的　切削刀形状。　

优　点　

金刚石是已知自然物中最硬的物质。它的　

压痕硬度约为硬质台金的五倍。由于金刚石刀　

具不仅硬度极高、耐磨性极好，能使切削刀在　寿命期内的大部分时间中保持不变，而且传　

导性好、压缩性和热膨胀性小，能使刀具保持　良好的尺寸稳定性，因此能达到很高的加工精　度和光洁度。　尽管单晶金刚刀具比其它刀具贵得多，但　是只要能正确使用，单件加工成本反比其它刀　

具低。因为，使用金刚石刀具不仅可以减少停　机损失，而且由于叠剐石刀具的化学稳定性　好、摩擦系数低、表面ｆ极其光滑，加工有色金　

属和非金属材料时，切屑不会牯附到刀刃上生　成刀瘤，能加工出高质量的零件，在加工以后　

不需再作进一步精加工，从而减少了废品损　

失，节省了后续工序的加工费用。　

局限性　

制造单晶金剐石刀具时，对金刚石的选择　工作是至关重要的。一是要选用在工作部分没　

有裂纹或杂质的优质金刚石做刀具　二是要对　金刚石巧妙取向，使刀具具有最好的耐磨性。　

对金刚石的取向，就是要使它装到刀杆上后，　能用它的一个硬平面（不平行于软的懈理面，　

解理面是平行于金刚石八面体平面的面）进行　

切削。如果用软平面进行切削，不仅会使刀具　过快磨损，而且还可能园剥落或碎裂而损坏刀　具。　

单晶金剐石刀具的抗冲击性较差，因此要　仔细操作，防止冲击。机床、装夹刀具和工件　的夹具都要有足够的刚性｝工件及其传动机构　

（尤其在车削时）要进行平衡或藏振。由于三　

爪卡盘不能进行动平衡，所以不宜使用，如果　要用三爪卡盘，则要用米阻尼器的三爪卡盘。　

镗孔时，推荐用阻尼镗杆。　加工黑色金属，特别是抗拉强度高的台　

金，不宜用单晶金刚石刀具，因为加工这种材　料的切削力大，会使刀具碎裂。同时，金剐石　

与黑色金属要起化学反应，在温度达到１４　０—　１８００。Ｆ（７８８～９８２℃）时，金刚石就会石墨　化。单晶金刚石刀具也不宜用来对硬材料作间　

７　断切削或切除粗糙表面的鳞皮。　

应　用　

单晶金剐石刀具用于加工以下材料最为有　

效ｌ　铝、巴氏合金、黄锕、紫铜、青铜等有色　

金属｝　金，银，铂等贵金属｝　非金属材料和摩擦材料，包括硬橡胶，酚　

醛等塑料、树脂，酯酸纤维，块状石墨、复合　材料、硬质台金、陶瓷、玻璃纤维、以及各种　

环氧树脂和玻璃纤维树脂。　金刚石刀具经过研磨能获得极好的切削　刃，用它加工的零件，表面光洁度可达到　

０．０２５微米或更高。因此，单晶金刚石刀具常　

用于加工要求具有镜面光洁度的高精度零件。　

在加工以后，一般不再需要进行磨削、研磨，　抛光等后续工序。某厂在特制的机床上用这种　刀具将镀锕的铝合金镜子直接加工到了镜面光　

洁度。　用单晶金刚石刀具加工的代表性零件还有　计算机的磁盘、印刷凹版、照相复印滚筒，塑　

料镜片、镜片框架、导航系统零件、军械零　

件、希望节省研磨和抛光费用的零件、以及由　于形状或材料原因而不能研磨或抛光加工的零　

件。　实践证明，用单晶金刚石刀具车削电机转　

子能取得极好的效果，因为不会在转子槽中产　生毛刺。在车削整流子时，金刚石刀具在重磨　

寿命期内能加工５００００件，而硬质合金刀具只　能加工２００件。而且，加工所形成的无光光洁　

度有利于碳刷的完美磨合，因而能使电机实现　无噪音运行。　用单晶金刚石刀具车削计算机铝台金磁　盘表面光洁度可达到０．０２微米。在主轴箱，尾　

座、刀架用空气支承的专用车床上精车薄壁铝　

管，表面光洁度可达到０．００８微米。　

除车、镗加工外，单晶金刚石刀具还用于　

８　飞刀铣削。轻合金组件的连接表面经飞刀铣削　

后能获得平直而极光洁的表面，因而不需再进　行手工刮研。加工时，工件送进，通过高速旋　

转的飞刀，刀具每旋转一周就从工件上切下一　条连续的切屑。　

为了使刀具在旋转过程中能形成离隙，刀　具只在每一转中小于１８０。范围内发生切削作　用。离隙是用斜置刀具主轴、提高其后缘的办　

法来获得的。后缘的提高量约为０．００２毫米。　由于提高刀具后缘而在工件上产生的凹面误　

差，可用图１中的公式进行计算。　

画　

ｒ———卜—１　

Ｉ　

Ｃ；凹崖　ｈ＝】了具后缘的提高量　Ｒ・飞刀半径　Ｗ－工件宽度　

圈１　提高飞刀后缘，以得到离隙而引起的　凹面误差　

为了提高生产率，可用台阶式多刀进行飞　刀切削。但它的加工光洁度一般不如单刀的　

高，而且要对刀具进行严格的动平衡。另外，　

也可将工件安装在旋转工作台上进行飞刀切　削，如果将工作台的轴线斜置，则可加工球形　

表面。　单晶金刚石刀具切削刃的几何形状，根据　加工的特定要求研磨而成。一般设计成半径尽　

可能大（比硬质台金刀具的半径大５Ｏ一１０口　）　

的圆头刀具。由于金刚石刀具的磨损极小，所　

以刀尖圆弧半径可按工件的技术要求进行设　计。刀尖圆弧半径愈大，刀具的强度愈高，但　切削压力也相应增加。刀尖圆弧半径的大小，　随进给率的不同，对光洁度也会产生不同的影　

响。　

多边形平头刀具有时比圆头刀具的使用效　果更好。因为只要将它的各个刀尖调整至能沿　

同一圆弧移动，就能迫过转位，将锋利的刀刃　转到加工位置，相继地用锋利的刀刃来取代用　

钝的刀刃，从而提高了加工的经济性。不过圃　头刀具也有优于多边形平头刀具之处，那就是　在向工件切入时，不必十分小心谨慎　

在圆柱形刀使上镶金刚石刀头的刀具使用　起来很方便，把它装在简单的刀杆上，就可使　

用。刀头既可是圆形的，也可是多边形的，如　果在刀杆上装上组台刀具，就可同时完成几个　

工序的加工。　精密金刚石工具公司制造的车、镗通用刀　

具，由通用刀杆和具有互换性的可转位刀头构　成，刀杆上可安装单晶金刚石刀头、多晶金刚　石刀头或立方碳化硼刀头。刀杆为方形或圆　

形，尺寸在９．５至３１．８毫米之间。镗和车可　

用同一把刀具完成，在工序转换时，只要松　开刀头，转至所需的位置，把它锁紧，　即可　使用。　

天然单晶金剐石刀具在设计上应采用９０。　

以上的大夹角。如果夹角小于７２。，由于刀具　的形面将会与金刚石的解理面相交切而明显地　

降低刀具的强度。　为了破小刀具上的切削力，刀具广泛采用　正前角。但在有些场台，负前角也得到了成功　

的应用。为了使刀具能获得最大的强度，一般　希望用小后角（５－－１０。）和小前角（０－－２。　

正前角）。但在有些场合，主、副前角为正　５。，在对软材料进行轻切削时，则用２０。负前　

角。　单晶金刚石刀具大多是为特定用途而制作　

的，因此还没有为刀具和刀杆的几何形状制订　标准。　操作参数　

单晶金刚石刀具在最高容许切削速度时的　

切削效果最好。它的最高切削速度可达４５７２　

米／分以上，最低切削速度为１５２米／分左右。　提高切削速度还可以减小切削刃上的压力。但　单晶金刚石刀具的切削深度用得较小，加工有　

色金属仅用０．０１３毫米，加工非金属仅用１．５２毫　

米。　用单晶金刚石刀具加工时，推荐使用小进　

给率。进给率的范围为０．０１０毫米／转至０．５１毫　米／转。用圆头刀具切削时，计算理论光洁度　的近似公式如图２所示。由于进给率的大小会　

影响表面光洁度，因此在光洁度要求很高时，　

ｐ－Ｖ；　

Ｆ＝每转进给　Ｒ＝刀具半径　Ｐ—Ｖ＝峰各同的　理论光佶　度　

图２　用圆头金刚石刀具加工对，计算理论　

光洁度的近似公式　应该采用小进给率和高切削速度。　加工时，单晶金刚石刀具应与工件的中心　线等高，或者略高于工件的中心线，却不能低　于工件的中心线。只有一个例外，就是希望在　

加工中产生挤光作用时，才可稍稍低于工件的　

中心线。根据经验，对于直径大于２５毫米的工　件，刀具在工件中心线以上的距离应等于　

０，００１１件直径。　这种刀具的切削刃不应与静心的工件接触　

调整刀具时，可在刀具和工　（下转第ｌ７页）　域。陶瓷和塑料两种封装的表面组装工艺，预　计由目前的２０　增加到１９９ｏ年的５５　和１９９５年　

的８０　。陶瓷扁平封装、无引线芯片载体和针　

阵列等封装形式会继续得到发展。针阵列的间　厢由目前的２．５４减小到１．２７ｒｎｍ　表３示出了　

正在迅速发展中的几种陶瓷封装材料。它将促　

使陶瓷封装取得下列进展：１．改进信号传输和　硅的热膨胀匹配，使得到更大的芯片，包含更　

多的电路Ｊ　２．改进其导电体，将增大功率分　配，３．改进其导热体，将提高功耗逸散，４．改　

进输入／输出，可容钠更多的电路等　

五、陶瓷封装的今后　

发展动向　

如前述，在今后５～１０年内，陶瓷封装的应　

用会迅速地增长。特别是高性能应用场合，即　要求在单块陶瓷基板上集成大量的电路和要求　

密封性好的气密性用途场合　高性能封装要求　延迟要小，这需采用低介电常数的陶瓷材料封　

装，介电常数小于５的陶瓷需采用低分子重量　的树料（因为在高频下介电常数与电子数目成　

正比）或开发与聚合物组成的多合材料。例如　ＢｚＯｓ的介电常数为３．１，ＳｉＯ２的介电常数为３．８，　

掺有适量玻璃的硼硅酸盐材料的介电常数接近　中。　

另外，由于陶瓷表面不平整性，直接在陶　瓷表面改进封装密度将受到限制。在平坦的生　

陶瓷带上对烧结后的金属膜进行光刻，可望得　２．５　ｍ的线宽，然后，烧结后陶瓷的光刻也　会因陶瓷平面的不平整而受到影响，目前采用　热压细粒陶瓷（如ＳｉＣ）已获得２５＃ｍ线宽的良好　结果。表４示出陶瓷封装今后发展的趋势及其　

实施方法。　

表４　高性能陶瓷封装的今后发展　

一　及其实施方法　

封装的改进【　实　施　方　法　

减少互连延迟ｆ　１．低介电常数　

２．高封装密壁　

增加电壕数　１．热膨胀匹配　（大片）　２．大型多片基板　

１．封装金属韵高导电宰　畦高功率分配　

１．陶瓷背接片的高导热率　提高散热性　２．用导体／导体工艺改善冷却能力　

综上所述，陶瓷封装是陶瓷在微电子学应　用中的一个重要分支。尽管它的发展与应用历　

史并不很长，由于它的固有优点及其用途，使　得它在目前高性能封装应用中占为主流。陶瓷　

封装也存在一些不足，其中包括制作温度高，　成本较贵，陶瓷质脆、介电常数较大，材科粒　

子和烧结控制要求严等，为此，为进一步改善　陶瓷封装的性能和质量，提高成批生产性和降　较成本，今后致力于开展的研究工作，主要　

有：（１）粒子工艺，（２）有机一无机反应，　

（３）烧结和微结构控制Ｉ（４）界面，（５）陶瓷　

一金属粘结Ｉ（６）断裂和磨损，（７）薄膜绝缘　

材料等。　

许●　●许●　●许÷许●付●许●许●许●船甜　●６一甜船瑚Ｂ甜甜甜种许●船许●许●瑚Ｂ船许●许●瑚Ｂ　一许●船许●许●　一许●许●瑚Ｂ许●种　（上接第９页）　件之间加一个塑料垫。在切　削过程中，工件或刀具不应停止转动。　

由于刀具过热会烧坏或开裂．因此要用大　量连续的切削液进行冷却。适用于硬质台金的　

切削液，也都适用于金刚石刀具。但是，用金　刚石刀具进行干切也取得了成功。有时，还用　

空气来冷却刀具，用抽吸系统来排除切屑。　单晶金刚石刀具用钝后，应及时转位，以　获得新的切削刃，或者立即进行刃磨。这对于　

防止碎裂和增加刃磨次数来说，都是十分必要　的。有许多用户是将用钝的刀具送回制造厂，　

请有经验的人进行刃磨的。刀具不同时，要用　

橡胶或塑帽保护切削刃，并单独放入装有垫料　

的盒子中．