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。
金刚石材料简介
金刚石材料
基本概念：金刚石就是我们常说的钻石（钻石是它的俗称），它是一种由纯
碳组成的矿物。金刚石的化学式 NC----N个C,金刚石是原子晶体,一块金刚
石是一个巨分子,N个C的聚合体.只能用它的结构式表示.
代表材料：天然单晶金刚石，人造单晶金刚石，人造聚金刚石，CVD金刚石膜
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 金刚石手术刀
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。 人造单晶金刚石刀具
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
四大材料刀具的性能与选择
四大材料刀具的性能与选择
刀具材料的发展对切削技术的进步起着决定性的作用。本文介绍了切削中所使用的金刚石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬质合金、高速钢等刀具材料的性能及适用范围。刀具损坏机理是刀具材料合理选用的理论基础，刀具材料与工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料选择的关键依据，要根据刀具材料与工件材料的力学、物理和化学性能选择刀具材料，才能获得良好的切削效果。就活塞在切削加工时的刀具材料选用作了阐述。
高速钢：活塞加工中铣浇冒口、铣横槽及铣膨胀槽用铣刀，钻油孔用钻头等都为高速钢材料。
硬质合金：YG、YD系列硬质合金刀具被广泛应用于铝活塞加工的各个工序中，特别是活塞粗加工和半精加工工序。
立方氮化硼：立方氮化硼刀具被用于镶铸铁环活塞的车削铸铁环槽工序中。同时也应用于活塞立体靠模的加工中。
金刚石：金刚石刀具可利用金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。在切削铝合金时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍，是目前铝活塞精密加工的理想刀具，已经应用于精车活塞环槽、精镗活塞销孔、精车活塞外圆、精车活塞顶面及精车活塞燃烧室等精加工工序中。
刀具材料性能的优劣是影响加工表面质量、切削加工效率、刀具寿命的基本因素。切削加工时，直接担负切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好坏大多取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具结构的选择和设计是否合理。切削加工生产率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等，在很大程度上都取决于刀具材料的合理选择。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。
每一品种刀具材料都有其特定的加工范围，只能适用于一定的工件材料和切削速度范围。不同的刀具材料和同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往存在很大的差别，例如：加工铝活塞时，金刚石刀具的寿命是YG类硬质合金刀具寿命的几倍到几十倍；YG类硬质合金刀具加工含硅量高、中、低的铝合金时其寿命也有很大的差别。所以，合理选用刀具是成功进行切削加工的关键。每一种刀具材料都有其最佳的加工对象，即存在切削刀具与加工对象的合理匹配问题。
机加工中刀具使用和发展情况论文
机加工中刀具的使用和发展情况
摘 要：随着材料工业及精密机械工业的发展，精密切削、超精密切削和难切削材料使用的增多，超硬刀具材料的应用日益广泛。本文通过分析超硬刀具材料的发展状况，对主要品种的应用进行探讨。
关键词：超硬刀具 刀具材料 金刚石
一、超硬刀具材料发展概况
超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和cbn(立方氮化硼)。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(pcd)、聚晶立方氮化硼(pcbn)以及它们的复合材料。
早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和cbn微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔斯(debeem)公司、前苏联和日本也相继研制成功。20世纪70年代初又推出了金刚石或cbn和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的pcd或pcbn而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。
我国超硬刀具材料的研究与应用开始于上个世纪70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，从1970—1990年整整20年中，超硬材料年产量从仅46万克拉增至3500万克拉。上个世纪90年代前后，不少超硬材料生
产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，至1997年，我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，cbn年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料生产大国之首。
金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000hv，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材(尤其是实心木和胶合板等复合材料)。
硬质材料刀具在机械加工中的应用
硬质材料刀具在机械加工中的应用
摘要：当前，我国的机械加工业迅速发展，一些切割难度比较大的材料在材料工业和精密机械工业中得到了广泛的应用。而要想满足现代机械加工业的发展需求，还需要科学使用一些强度高、韧性好的工具。因此，硬质材料刀具便逐渐应用到机械加工业中。本篇文章针对硬质材料刀具的发展历程，着重探讨了硬质材料刀具在机械加工中的应用，以供同行业朋友相互参考借鉴。
关键词：硬质材料刀具；机械加工；应用
中图分类号：s756文献标识码： a 文章编号：
现代制造技术随着激烈的市场竞争迅速发展，机械制造业对机械设备零件的要求也日益提高，尤其是对于机械零件结构性能的要求不断提升。因此，社会上便逐渐出现了具备各种性能的新材料，这些新材料不仅对传统的机械加工刀具提出了严峻的挑战，而且加工难度相当大。这时，先进的切削刀具便成为机械加工业发展的关键，而硬质材料刀具无可厚非地应用到了现代机械加工中。
一、硬质材料刀具的发展历程
上世纪五十年代，美国科学家将人造金刚石、结合剂，以及碳化硼微粉作为原材料，在高温高压的条件下进行反应，将烧结出的聚晶块作为刀具的主要材料。发展到上世纪七十年代之后，人们逐渐研究出复合片材料，这样的材料是对金刚石与硬质合金结合生产的，或者是氮化硼与硬质合金结合生产的。这样的技术将硬质合金视为基体，使用压制或者烧结等方法在基体的表面形成一层金刚石而得到的，金刚石大约厚0.5到1毫米。这样的材料不仅能够提升材料的抗弯性，而且将传统材料不易焊接的问题有效解决。这便促进了硬质材料刀具进入应用阶段。
二、硬质材料刀具在机械加工中的应用
（一）单晶金刚石刀具的应用
单晶金刚石通常又被分为人工合成金刚石与天然金刚石。通常情况下，如果使用单晶金刚石制作刀具，那么就需要选择那些颗粒较大、质量大于0.1克，直径长度大于3毫米的金刚石。天然金刚石是目前矿物中坚硬程度最高的材料，其不仅耐磨性好，而且使用其制作的刀具非常锋利，同时抗粘结性高，导热率低，加工出的刀具既光滑，质量又好。与此同时，使用天然金刚石制作的刀具耐久性非常好，使用寿命相对较长，而且在进行长时间的切割时，几乎不会影响到加工零件，相对较低的导热率能够对零件变形产生很好的防止效果。天然金刚石具有非常多的优点，这些优点尽管价格昂贵，但是能够使很多高精密度的切割操作的要求得到满足，广泛应用到了精密切割加工与超精密切割加工中。诸如应用了原子反应堆和其他先进技术的反射镜，以及导弹或者火箭上使用的地航陀螺等，此外还有一些手表零件、金属饰品等都应用了该项技术。当然，天然金刚石也有明显的缺点，诸如该材料与铁族原素会在高温下产生化学反应。所以，天然金刚石作为材料的刀具不适用于钢铁材料的机械加工。
飞秒激光对单晶金刚石刀具表面的加工
龙源期刊网
飞秒激光对单晶金刚石刀具表面的加工
作者：胡和平 丁朝俊
来源：《科技资讯》2020年第09期
摘; 要：刀具切削是典型的力热耦合摩擦过程，易产生大量的热量，同时切削屑也会对刀具表面产生一定的损伤。运用飞秒激光对单晶金刚石刀具表面进行加工，表面微纳结构可以存储一定的切削液，增大刀具表面同切削面的接触面，减小摩擦力，提高散热能力，有效延长金刚石刀具的寿命。同时飞秒激光加工技術具有较高的加工效率，操作简便，因此能够在单晶金刚石刀具的工具中得到广泛应用。该文在这一基础上，就飞秒激光对单晶金刚石刀具表面加工展开简要的论述与探讨。
关键词：飞秒激光; 单晶金刚石; 刀具加工
中图分类号：TG665 ; ;文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）03（c）-0038-02
随着科技的不断进步，激光技术也实现了巨大的发展，诞生多个分支并逐步形成前言科学。飞秒激光具备较高的峰值功率，且脉冲时间较短，成为普遍关注的课题之一[1]。通常情况下，飞秒激光脉冲宽度为10～15s量级，相比于长脉冲及连续激光，峰值功率要更高。自20世纪80年代起，飞秒激光在多个领域内都实现了广泛应用，特别是在特殊材料加工领域内受到了格外重视，飞秒激光微纳加工技术也处于不断地进步之中。
1; 飞秒激光烧蚀单晶金刚石材料的阈值
在当前工业领域内，金刚石的应用最为广泛，是一种高强度高硬度的工业材料。金刚石由碳原子构成，是原子晶体结构，每一个碳原子都处于正四面体中心，四面体4个顶点上有碳原子存在，构成的骨架结构非常坚固且具有连续性[2]。对于这种坚硬的材料进行微纳加工，需要对其特性展开研究。当激光和金刚石相互作用时，产生单层去除时最小的能量密度即为烧蚀阈值。当飞秒激光的功率密度比烧蚀阈值高时才会出现有效材料去除现象，一旦比烧蚀阈值低则不会产生反应。针对单晶金刚石运用飞秒激光进行加工时，需要准备计算烧蚀阈值，将其作为制备单晶金刚石刀具表面微纳结构的重要依据，准确把控脉冲能量，获得精确的微纳结构。
微结构自由曲面的超精密单点金刚石切削技术概述_李荣彬
第49卷第19期
2013年10月 机 械 工 程 学 报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.49 No.19
Oct. 2013
DOI：10.3901/JME.2013.19.144
微结构自由曲面的超精密单点金刚石
切削技术概述*
李荣彬1, 2 孔令豹1, 2 张志辉1, 2 杜 雪1, 2 陈 新2 刘 强2
(1. 香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室伙伴实验室 中国香港 00852； 2. 广东工业大学广东省微纳加工技术与装备重点实验室 广州 510006)
摘要：回顾了超精密加工技术的发展，主要包括超精密加工设备的开发历程，以及超精密单点金刚石切削技术基础，并对微工程技术作一简要介绍；重点论述微结构自由曲面的微纳切削技术，包括单点金刚石车削(Single point diamond turning, SPDT)，快刀伺服加工(Fast tool servo, FTS)，金刚石微凿切(Diamond micro chiseling, DMC)，光栅铣削等技术。指出微结构自由曲面测量领域面临的挑战和存在的问题，包括接触式测量和非接触式测量。通过几个典型微结构自由曲面的加工及测量的应用进行举例说明；最后介绍我国在超精密加工机床领域内的研制情况，展望了超精密切削技术未来发展趋势。 关键词：微结构自由曲面 超精密加工 精密测量 切削机理 机床设备 中图分类号：TG5
An Overview of Ultra-precision Diamond Machining of
Microstructured Freeform Surfaces
LEE Wingbun1, 2 KONG Lingbao1, 2 CHEUNG Chifai1, 2
TO Suet1, 2 CHEN Xin2 LIU Qiang2
(1. Partner State Key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China 00852; 2. Guangdong Provincial Key Lab of Micro/Nano Machining Technology and Equipment, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006)
金刚石刀具的磨损机理
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。
CVD金刚石刀具的应用及其前景
CVD金刚石刀具的应用及其前景
一、主要性能指标
1. 机械性能
CVD金刚石刀具机械性能见表1。
由于CVD 金刚石（CVDD）为100%纯金刚石，其晶粒之间的间隙为基团间隙，而PCD是通过添加Co、Ni、Cu等金属结合剂高温高压而成，故二者是有区别的。单晶金刚石其价格昂贵，且受其几何尺寸大小和性能（解理—方向性）的限制，无法大量应用于品种多样的工具。
2. CVDD、PCD刀具的性能比较
CVDD、PCD刀具的性能比较见表2。
1.CVDD刀具刀刃强度高，具有接近于单晶金刚石刀具的抗冲击性能，能制作具有各种尺寸的刀具；
2.CVDD刀具耐磨性好，耐用度比硬质合金高100 倍以上；
用单晶金刚石刀具的研磨方法将刃部精细研磨抛光至Ra0.05 µm以下，工件表面可达到镜面；热导率5～10W/cm·K在干切过程中，可将刀尖的热量及时扩散，减少对工件表面损伤，降低刀具使用温度以及提高刀具寿命。
二、CVDD刀具在机械加工中的应用
CVDD包括工具（主要是机械加工）、热学应用等方面。目前，CVDD的产品主要有如下几类：
1.CVDD普通刀具，高精度刀具；
2.CVDD砂轮修整笔； 表1 机械性能
性能 纯金刚石 CVD金刚石
硬度（kgf/mm2） >8000 >8000
密度（g/cm3） 3.52 3.52
杨氏模量（GPa） >1200 >1000
断裂性（J/M） 10 25
摩擦系数 0.1（相对于钢） 0.1
热导率（W/cm·K） 25 >20
磨耗比 （111方向）>40×104 >30×104
电阻率（Ω·cm） 不导电 1014～1016
化学惰性 常温下不溶于所有酸和碱
表2 CVDD与PCD刀具比较
特性 PCD CVDD
材质结构 含Co粘结剂 纯金刚石
耐磨性 随金刚石颗粒大小而变 高于PCD2～10倍
韧性（抗
冲击性） 较好 略差
耐温性 低于500℃，热导率低 高于700℃，热导率高
金刚石刀具
金刚石的刀具发展与技术
侯文文 0840202211
摘要：本文主要对金刚石刀具的分类、加工方法、金刚石刀具的发展现状及应用领域作了简单的介绍，对聚晶金刚石刀具的刃磨技术作了详细的研究分析。
1、引言：随着现代加工制造业对高速切削加工的要求不断提高，对于各种难切削复合材料、工程陶瓷材料等，传统的切削加工刀具已不能满足高速切削的需要，而超硬切削刀具是解决以上问题的有效手段，其中，金刚石刀具的应用较为广泛。金刚石具有极高的硬度、良好的耐磨性和导热性、低摩擦系数和热膨胀系数，在现代切削加工中体现出难以替代的优越性，被誉为当代提高生产率最有希望的刀具材料之一。目前，金刚石刀具在机械加工中的应用日渐普及，已成为现代材料加工中不可或缺的重要工具。
2、金刚石刀具的基本介绍
2.1 天然金刚石(ND)刀具
为天然金刚石拉蔓峰谱，具有以下特征：
(1)1332尖锋处显示存在金刚石。
(2)波型幅度(FWHM)为4.1cm-1
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。其中天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃光滑。SCD车削铝制活塞时Ra可达到4µm，而在同样切削条件下用PCD刀具加工时的表面粗糙时的Ra为15～50µm。故采用SCD刀具配合精密车床进行精密和超精密加工，可获得镜面表面。
2.2 聚晶金刚石(PCD)刀具
PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料，又称烧结金刚石。聚晶金刚石刀具整体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状态，属各向同性，硬度均匀，石墨化温度为550℃。刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数。刀刃非常锋利等特点。
刀具材料应具备的性能及常用材料
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来源：中国石材物联网刀具材料应具备的性能及常用材料
刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、
加工成本以及刀具耐用度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削
速度只有10m/min左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提
高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百
多米至几百米；当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到
每分钟一千米以上；被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。
一刀具材料应具备的性能
性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部
分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。
高硬度和高耐磨性
刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具
材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越
硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的
化学成分和金相组织的稳定性。
足够的强度与冲击韧性
强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备
的性能。一般用抗弯强度来表示。
冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩
刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是
一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。
高耐热性
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来源：中国石材物联网耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了
刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的
能力。
良好的工艺性和经济性
为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削
加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层
刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每
个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。