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  [组图]镜面加工用单晶金刚石刀具          【字体:
镜面加工用单晶金刚石刀具
作者:liven    专题来源:切削技术网    点击数:5753    更新时间:2011-3-14    
单晶金刚石切削刀具主要用于非球面透镜、衍射光栅高精度光学元件的加工。随着超声波椭圆振动切削技术的不断改进和推广应用,单晶金刚石刀具在淬硬钢模具镜面加工方面的应用必将得到普及。
微型高精密镜面模具对加工后的形状精度和表面粗糙度要求非常高,原有的“粗切削+精磨+研磨”的加工方法不仅要花费很长时间,而且微细形状不适合采用磨削加工,此外,研磨会使微细形状产生塌边等缺陷,使形状精度达不到要求。
单晶金刚石刀具能制成非常锋利而无凹凸锯齿的切削刃,只需通过切削就能完成微型高精密模具的镜面加工。单晶金刚石刀具主要用于DVD检波镜和数码相机用塑料透镜模具的镜面加工。

图1 单晶金刚石晶格模型
由于金刚石易与铁族金属发生化学反应,因此不适合加工淬硬钢等工件材料,仅局限于加工非电解镀镍等非铁金属。但近年来,由于采用超声波椭圆振动切削的加工机床性能的改进,单晶金刚石刀具也能用于淬硬钢等铁族金属的镜面加工。下面简要介绍具有优良切削性能和锋利切削刃的单晶金刚石刀具的特点及应用实例。

(1)单晶金刚石切削刀具的特点

众所周知,金刚石是硬度最高、导热性能最佳的刀具材料,在难加工材料的切削加工、干式和半干式切削加工中具有很长的使用寿命。单晶金刚石的结晶模型见图1。它是一种碳原子(C)通过共价键实现牢固而紧密结合的单晶材料。通过高精密刃磨,单晶金刚石刀具能获得非常锋利而无凹凸锯齿的切削刃(见图2a)。聚晶金刚石是一种多晶金刚石,它是利用金属结合剂在高温高压条件下由微细金刚石粒子烧结而成的金刚石聚晶体,但在微细晶粒的晶界上也存在金属结合相。由于聚晶金刚石粒子间的结合强度弱于单晶金刚石,因此刃磨后的切削刃也会产生晶界面的凹凸和粒子脱落现象(见图2b)。

(a)单晶金刚石车刀

(b)聚晶金刚石车刀
图2 单晶金刚石和聚晶金刚石车刀的切削刃

(2)铝合金的镜面加工

图3为用圆弧形切削刃单晶金刚石车刀加工铝合金(A5056)的加工面,可以清楚看到切削刀痕,该刀痕达到了镜面水平,即实现了接近理论表面粗糙度的镜面加工。图4为用聚晶金刚石车刀的加工面,可以看到行切进给的切痕,进给切痕中留下了由凹凸切削刃形成的凹凸加工痕迹。图5为用同规格硬质合金车刀的加工面,车刀切削刃粉末颗粒的凹凸全部反映在加工面上,留下了切削方向的切痕,但观察不到进刀切痕。
加工条件:
切削速度:300m/min,加工余量:0.05mm,进给速度:0.04mm/r,刀尖R:0.5mm,前角:0°,后角:7°
图3 单晶金刚石车刀的加工面

图4 聚晶金刚石车刀的加工面

图5 硬质合金车刀的加工面
图6为单晶金刚石车刀与聚晶金刚石车刀加工面的比较,可以看出,单晶金刚石车刀加工出的表面为优质镜面。

(Ry0.238µm,Rz0.166µm,Ra0.034µm)
(a)单晶金刚石车刀的加工面

(Ry1.327µm,Rz1.149µm,Ra0.261µm)
(b)聚晶金刚石车刀的加工面
图6 单晶金刚石和聚晶金刚石车刀的加工面比较

图7 超声波椭圆振动切削的二维切削模型

图8 淬硬钢模具的镜面加工面

(3)淬硬钢的金刚石刀具超声波椭圆振动镜面加工

由于单晶金刚石与铁族金属的亲和性极强,因此过去不能用单晶金刚石刀具对淬硬钢等钢件进行镜面加工。随着能抑制金刚石与铁发生反应的超声波椭圆振动切削技术的开发成功,已能实现用单晶金刚石刀具对淬硬钢进行镜面切削加工。最近,通过对超声波椭圆振动切削装置的改进,使其达到了实用水平。图7为超声波椭圆振动切削的二维切削模型表明,刀具切削刃作椭圆运动,切屑与金刚石车刀前刀面在相同方向运动,从而能抑制摩擦阻力,同时,由于两者之间存在间隙,抑制了金刚石与铁的反应,因此对铁族金属进行加工也能获得切削铝合金、非电解镀镍层时一样的镜面。图8为采用单晶金刚石刀具的淬硬钢镜面加工实例。图9为超声波椭圆切削而开发的单晶金刚石车刀的刀片及刀夹。

图9 用于超声波椭圆切削而开发的单晶金刚石车刀的刀片及刀夹
单晶金刚石切削刀具主要用于非球面透镜、衍射光栅高精度光学元件的加工。随着超声波椭圆振动切削技术的不断改进和推广应用,单晶金刚石刀具在淬硬钢模具镜面加工方面的应用必将得到普及。
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