金剛石刀具的材料分為三種:天然單晶金剛石刀具(也就是咱們常說的鉆石),、人造聚晶金剛石,、金剛石燒結(jié)體。由于天然金剛石過于昂貴,,所以市面上我們常用的都是人造聚晶金剛石刀具,。
一,、單晶金剛石用作超精密加工的優(yōu)勢(shì)
1、有較高的硬度和耐磨性,,在超精密加工時(shí)可以最大限度避免刀尖磨損對(duì)工件尺寸的影響,。
2、有很好的導(dǎo)熱性,,較低的熱膨脹系數(shù),。因此,切削加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形,,有利于精密加工,。
3、刃面粗糙度較小,,刃口非常鋒利,,可達(dá)Ra0.01~0.006μm。因此,,能勝任薄層切削,,有利于超精密加工。
4,、摩擦系數(shù)低,,切削時(shí)不宜產(chǎn)生積屑瘤,因此加工表面質(zhì)量很高,。加工有色金屬表面粗糙度可小達(dá)Ra0.04~0.012μm,,加工精度可達(dá)IT5以上。
注意:金剛石刀具不適合加工鋼鐵材料,,因?yàn)榻饎偸丸F有很強(qiáng)的化學(xué)親和力,,在高溫下鐵原子極易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu),刀具極易損壞,。用作鋁硅合金的精加工及超精加工,,壓縮木材、陶瓷,、剛玉,、玻璃等的精加工都是不錯(cuò)的選擇。
二,、單晶金剛石刀具的刃磨特點(diǎn)
超精密加工中,,單晶金剛石刀具的兩個(gè)基本精度是刀刃輪廓精度和刃口的鈍圓半徑。要求加工非球面透鏡用的圓弧刀具刃口的圓度為0.05μm以下,,加工多面體反射鏡用的刀刃直線度為0.02μm,;刀具刃口的鈍圓半徑(ρ值)表示了刀具刃口的鋒利程度,為了適應(yīng)各種加工要求,刀刃刃口半徑范圍從20nm~1μm,。
三,、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(gè)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(xiàn)的物理機(jī)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(qiáng)度也有明顯差別,。金剛石晶體的微觀強(qiáng)度可用Hertz試驗(yàn)法來測(cè)定,由于金剛石是典型的脆性材料,,其強(qiáng)度數(shù)值一般偏差較大,,主要依賴于應(yīng)力分布的形態(tài)和分布范圍,因此適合用概率論來分析,。當(dāng)作用應(yīng)力相同時(shí),,(110)晶面的破損概率最大,(111)晶面次之,,(100)晶面產(chǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,(100)晶面較其它晶面具有更高的抗應(yīng)力、腐蝕和熱退化能力,。結(jié)合微觀強(qiáng)度綜合考慮,,用(100)面做刀具的前后刀面,容易刃磨出高質(zhì)量的刀具刃口,,不易產(chǎn)生微觀崩刃。
通常應(yīng)根據(jù)刀具的要求來進(jìn)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(qiáng)度,應(yīng)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(jī)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(xué)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(shù)來實(shí)現(xiàn),。
四,、單晶金剛石的物理特性
金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體,其晶體結(jié)構(gòu)屬于等軸面心立方晶系(一種原子密度最高的晶系),。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價(jià)鍵,,因此具有很強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性,。它是目前自然界已知的最硬物質(zhì),,其顯微硬度可達(dá)10000HV,其它物理特性見以下內(nèi)容,。
物理性能-數(shù)值
硬度-60000~100000MPa,,隨晶體方向和溫度而定
抗彎強(qiáng)度-210~490MPa
抗壓強(qiáng)度-1500~2500MPa
彈性模量-(9~10.5)×10的12次方MPa
熱導(dǎo)率-8.4~16.7J/cm·s·℃
質(zhì)量熱容-0.156J/(g·℃)(常溫)
開始氧化溫度-900~1000K
開始石墨化溫度-1800K(在惰性氣體中)
和鋁合金、黃銅間的摩擦系數(shù)-0.05~0.07(在常溫下)