单晶金刚石刀具机械刃磨技术发展趋势

2019/01/11 来源:网络转载 点击量：

(1)进一步探索刃磨机理

从金刚石刀具刃磨技术的发展历程来看，刃磨机理一直是研究的热点，先后出现的多种刃磨理论主要由国外研究人员提出。到目前为止，提出的各种刃磨理论主要是从刃磨实验的观测结果和现象推测得到的，很少有学者从金刚石晶体学的微观角度去研究刃磨机理。从晶体学的微观角度来看，化学键的键强决定材料的强度与硬度，也必然与金刚石晶体表层材料去除有着密不可分的关系。因此，今后需要进一步从晶体学微观角度出发，综合考虑影响金刚石晶体材料去除的各个因素，包括刃磨参数、刃磨过程中金刚石发生的相变和化学反应等，并结合金刚石晶体的共价键结构和键强，从原子量级揭示金刚石晶体在刃磨过程中晶体易磨方向和难磨方向的材料去除理论，完善刃磨机理。

(2)创新刃磨工艺

单晶金刚石刀具的刃磨质量和刃磨效率与刃磨工艺方法密切相关。虽然目前有多种加工方法，但由于单晶金刚石有极高的硬度，采用单一刃磨工艺方法不能很好地实现高效、经济、高精度的加工。为兼顾各种加工方法的优点，可以通过不同工艺方法的结合，创新金刚石刀具的刃磨技术。宗文俊等通过热—机耦合刃磨工艺，可在10min内使金刚石刀具刃口锋利度从30-50nm(由机械刃磨法获得)降低到2-9nm，该工艺简单，成本低，是应用前景较好的金刚石刀具刃磨方法。李强等采用机械刃磨法高效获得所需几何形状的金刚石刀具，然后以化学辅助机械刃磨法对单晶金刚石进行抛光。实验证明，用该工艺抛光单晶金刚石，表面粗糙度Ra可达0.8nm，此工艺对加工设备、加工环境等要求不高，可高效经济地获得优异加工表面，具有较好的应用前景。今后的发展趋势是金刚石刀具粗磨和精磨两个阶段将采用不同的刃磨工艺。即在粗磨阶段，由于金刚石刀具的材料去除量较大，考虑到加工效率，采用普通的机械刃磨法；在精磨阶段，考虑到刀具质量，采用热—机耦合刃磨工艺、化学辅助机械抛光等复合工艺。

(3)提高刃磨机床性能

近年来，我国在金刚石刃磨机床的研发中做了大量工作，并自主研发了多台不同型号的刃磨机床。但是这些刃磨机床在抗振性、工作可靠性以及主轴回转精度水平上与国外技术顶尖的刃磨机床还存在差距，在一定程度上阻碍了金刚石刀具刃磨质量的提高。目前，从提高刃磨机床主轴回转精度方面看，各研究机构在刃磨机床的设计制造过程中均采用静压轴承主轴(包括气体静压轴承和液体静压轴承)，不仅极大提高主轴回转精度，而且为研磨盘的端面跳动达到亚微米创造了条件；从降低刃磨机床振动和机床变形方面看，通过不断优化摆轴部件、刀夹部件等结构，同时采用高刚度、高抗振性、低热膨胀系数的优质大理石作为刃磨工作平台，大幅提高了刃磨机床的抗振性能和整体抗变形能力。今后还需继续优化静压轴承主轴结构，同时努力提高金刚石刀具刃磨机床关键部件的刚度和精度，逐渐缩小与国外刃磨机床之间的差距。

(4)研发刃磨辅助装置

由于对金刚石刀具需求量的增加，各国都在研发刃磨机床的辅助装置，以实现刀具的自动化刃磨。目前，国外已研发出多台不同型号的数控刃磨机床，配备有监测设备，实时监测刀具的磨削情况和刃磨机床精度状况，并将监测结果反馈给用户以调整刃磨参数，初步实现金刚石刀具的半自动和全自动加工。国内建立了基于在线图像处理的圆弧刃金刚石刀具研磨系统，该辅助系统可对CCD摄像头监测到的图像进行数据处理，并将结果作为反馈信号用于调节研磨机运动，最后得到刃口轮廓精度为±0.5μm、刃口半径为0.5mm的单晶金刚石刀具。此外，在金刚石刀具刃磨前需要对刀，但是目前缺少高精度的对刀装置，通过调整微调机构来实现刀具定位不仅费时费力，而且难以保证对刀精度。因此，要加大刀具几何参数在线监测设备、对刀装置等一些刀具刃磨辅助装置的研发力度，使金刚石刀具的刃磨向实现数控化、自动化的方向发展，逐渐摆脱目前刃磨调刀只能依赖工人技术水平的局面。

小结

单晶金刚石刀具加工精度高、使用寿命长，在超精密切削加工中应用广泛。近年来，采用金刚石刀具加工的产品(如隐形眼镜片、菲涅尔透镜、复印机的感光磁鼓等)越来越多地进入到普通家庭和工作场所。金刚石刀具的广泛应用对刀具刃磨技术提出了更高的要求。机械刃磨法具有工艺简单、成本低、加工效率高等优点，是目前应用最广泛的刃磨工艺方法之一。合理选择刀具的刃磨面、刃磨方向、刃磨参数以及降低刃磨机床振动等能有效提高单晶金刚石刀具的机械刃磨质量和刃磨效率。随着对刃磨机理、刃磨参数的深入研究，刃磨工艺的创新以及刃磨机床精度的提高和刃磨辅助装置的研发，金刚石刀具将向高质量、低成本的方向进一步发展。