單晶金剛石刀具刃磨的工藝原理和發(fā)展趨勢(shì)-朗賽德刀具
單晶金剛石刀具加工精度高、使用壽命長(zhǎng)，在超精密切削加工中應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，采用金剛石刀具加工的產(chǎn)品(如隱形眼鏡片、菲涅爾透鏡、復(fù)印機(jī)的感光磁鼓等)越來(lái)越多地進(jìn)入到普通家庭和工作場(chǎng)所。金剛石刀具的廣泛應(yīng)用對(duì)刀具刃磨技術(shù)提出了更高的要求。單晶金剛石刀具刃磨的工藝方法很多，如機(jī)械刃磨法、離子束濺蝕法、聚焦離子束濺蝕、飛秒激光刻蝕等。
機(jī)械刃磨法是目前采用最多的刃磨方法，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是由于單晶金剛石的硬度和耐磨性極高，使得單晶金剛石刀具的刃磨比較困難。
與日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在金剛石刀具機(jī)械刃磨工藝、刃磨機(jī)床等方面還存在較大差距。因此，深入研究金剛石刀具刃磨技術(shù)，對(duì)制造高質(zhì)量、低成本的金剛石刀具具有重要意義。
一、單晶金剛石刀具機(jī)械刃磨技術(shù)
1、機(jī)械刃磨工藝原理及機(jī)理
機(jī)械刃磨法是傳統(tǒng)的金剛石刀具刃磨方法，其本質(zhì)是金剛石與金剛石的對(duì)研。一般是在直徑300-400mm的鑄鐵研磨盤(pán)的表面涂覆一層含細(xì)微金剛石微粒的研磨膏，靜置一段時(shí)間后進(jìn)行初步預(yù)研，使金剛石微粒嵌入到研磨盤(pán)表面的微小孔隙中，然后以合適的速度、壓力等對(duì)金剛石刀具進(jìn)行刃磨或直接利用金剛石砂輪對(duì)刀具進(jìn)行刃磨。
2、刃磨參數(shù)
在精密、超精密切削加工中，目前使用最廣泛的是圓弧刃金剛石刀具。合理選擇刃磨參數(shù)對(duì)于控制刀具的刀尖圓弧輪廓度、刃口鋒利度以及刀具表面粗糙度具有重要意義。
①磨料粒度
磨料粒度指金剛石微粉(刃磨膏的主要成分)粒度或金剛石砂輪粒度。磨料粒度對(duì)刀具刃磨質(zhì)量的影響符合磨削理論，即磨料粒度越細(xì)，磨削力越小，產(chǎn)生的磨削熱越少，越不容易產(chǎn)生崩刃，磨削率也越低，同時(shí)能獲得更鋒利的切削刃。
②刃磨線(xiàn)速率
刃磨線(xiàn)速率對(duì)金剛石刀具刃磨效率和刃磨質(zhì)量具有重要影響。較大的刃磨線(xiàn)速率能帶來(lái)較高的刃磨效率，但也加大了金剛石磨粒對(duì)刃口的撞擊程度。同時(shí)因主軸轉(zhuǎn)速增加，主軸的回轉(zhuǎn)精度降低，必然加大研磨盤(pán)的端面跳動(dòng)，進(jìn)而降低金剛石刀具與刃磨盤(pán)之間的接觸精度，使切削刃鈍圓半徑增大，刀具質(zhì)量下降。
③刃磨壓力
刃磨壓力越大，金剛石微粒與金剛石刀具之間的相互作用力越大，刃磨效率越高。壓力過(guò)大會(huì)產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，降低金剛石刀具的表面質(zhì)量會(huì)加劇研磨盤(pán)的磨損；壓力過(guò)小會(huì)引起刀具與研磨盤(pán)表面接觸不充分，影響刀具與研磨盤(pán)表面的接觸精度，導(dǎo)致刃磨質(zhì)量降低。
3、刃磨機(jī)床振動(dòng)
影響單晶金剛石刀具刃磨質(zhì)量和刃磨效率的因素較多，如刃磨機(jī)床振動(dòng)、研磨盤(pán)表面質(zhì)量、主軸動(dòng)平衡精度、刃磨軌跡等。其中，刃磨機(jī)床振動(dòng)是影響金剛石刀具刃磨質(zhì)量的主要因素之一。
在金剛石刀具的機(jī)械刃磨過(guò)程中，刃磨機(jī)床本身及其刀具裝夾系統(tǒng)的振動(dòng)干擾會(huì)降低金剛石刀具與研磨盤(pán)間的接觸精度，影響金剛石刀具的刃磨精度與表面質(zhì)量。尤其在精密刃磨時(shí)，振動(dòng)干擾會(huì)直接影響刀具鋒利度和刀具表面粗糙度。通過(guò)檢測(cè)刃磨機(jī)床隔振前和隔振后的金剛石刀具刃磨質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，降低機(jī)床固有頻率和振動(dòng)幅值，提高金剛石刀具和刃磨盤(pán)之間的接觸精度，可明顯改善金剛石刀具的質(zhì)量。刃磨機(jī)床和刀架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)干擾會(huì)影響刀具的鋒銳度和表面粗糙度，通過(guò)改進(jìn)刀架結(jié)構(gòu)使刀具刃磨質(zhì)量得到顯著提高。
二、單晶金剛石刀具機(jī)械刃磨技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
1、進(jìn)一步探索刃磨機(jī)理
從金剛石刀具刃磨技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，刃磨機(jī)理一直是研究的熱點(diǎn)，先后出現(xiàn)的多種刃磨理論主要由國(guó)外研究人員提出。到目前為止，提出的各種刃磨理論主要是從刃磨實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果和現(xiàn)象推測(cè)得到的，很少有學(xué)者從金剛石晶體學(xué)的微觀角度去研究刃磨機(jī)理。從晶體學(xué)的微觀角度來(lái)看，化學(xué)鍵的鍵強(qiáng)決定材料的強(qiáng)度與硬度，也必然與金剛石晶體表層材料去除有著密不可分的關(guān)系。因此，今后需要進(jìn)一步從晶體學(xué)微觀角度出發(fā)，綜合考慮影響金剛石晶體材料去除的各個(gè)因素，包括刃磨參數(shù)、刃磨過(guò)程中金剛石發(fā)生的相變和化學(xué)反應(yīng)等，并結(jié)合金剛石晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)和鍵強(qiáng)，從原子量級(jí)揭示金剛石晶體在刃磨過(guò)程中晶體易磨方向和難磨方向的材料去除理論，完善刃磨機(jī)理。
2、創(chuàng)新刃磨工藝
單晶金剛石刀具的刃磨質(zhì)量和刃磨效率與刃磨工藝方法密切相關(guān)。雖然目前有多種加工方法，但由于單晶金剛石有極高的硬度，采用單一刃磨工藝方法不能很好地實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、高精度的加工。為兼顧各種加工方法的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)不同工藝方法的結(jié)合，創(chuàng)新金剛石刀具的刃磨技術(shù)。
3、提高刃磨機(jī)床性能
近年來(lái)，我國(guó)在金剛石刃磨機(jī)床的研發(fā)中做了大量工作，并自主研發(fā)了多臺(tái)不同型號(hào)的刃磨機(jī)床。但是這些刃磨機(jī)床在抗振性、工作可靠性以及主軸回轉(zhuǎn)精度水平上與國(guó)外技術(shù)頂尖的刃磨機(jī)床還存在差距，在一定程度上阻礙了金剛石刀具刃磨質(zhì)量的提高。目前，從提高刃磨機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度方面看，各研究機(jī)構(gòu)在刃磨機(jī)床的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中均采用靜壓軸承主軸(包括氣體靜壓軸承和液體靜壓軸承)，不僅極大提高主軸回轉(zhuǎn)精度，而且為研磨盤(pán)的端面跳動(dòng)達(dá)到亞微米創(chuàng)造了條件；從降低刃磨機(jī)床振動(dòng)和機(jī)床變形方面看，通過(guò)不斷優(yōu)化擺軸部件、刀夾部件等結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用高剛度、高抗振性、低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)質(zhì)大理石作為刃磨工作平臺(tái)，大幅提高了刃磨機(jī)床的抗振性能和整體抗變形能力。
4、研發(fā)刃磨輔助裝置
由于對(duì)金剛石刀具需求量的增加，各國(guó)都在研發(fā)刃磨機(jī)床的輔助裝置，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)化刃磨。目前，國(guó)外已研發(fā)出多臺(tái)不同型號(hào)的數(shù)控刃磨機(jī)床，配備有監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具的磨削情況和刃磨機(jī)床精度狀況，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給用戶(hù)以調(diào)整刃磨參數(shù)，初步實(shí)現(xiàn)金剛石刀具的半自動(dòng)和全自動(dòng)加工。國(guó)內(nèi)建立了基于在線(xiàn)圖像處理的圓弧刃金剛石刀具研磨系統(tǒng)，該輔助系統(tǒng)可對(duì)CCD攝像頭監(jiān)測(cè)到的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果作為反饋信號(hào)用于調(diào)節(jié)研磨機(jī)運(yùn)動(dòng)，最后得到刃口輪廓精度為±0.5μm、刃口半徑為0.5mm的單晶金剛石刀具。此外，在金剛石刀具刃磨前需要對(duì)刀，但是目前缺少高精度的對(duì)刀裝置，通過(guò)調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具定位不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以保證對(duì)刀精度。因此，要加大刀具幾何參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備、對(duì)刀裝置等一些刀具刃磨輔助裝置的研發(fā)力度，使金剛石刀具的刃磨向?qū)崿F(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，逐漸擺脫目前刃磨調(diào)刀只能依賴(lài)工人技術(shù)水平的局面。
合理選擇刀具的刃磨面、刃磨方向、刃磨參數(shù)以及降低刃磨機(jī)床振動(dòng)能有效提高單晶金剛石刀具的機(jī)械刃磨質(zhì)量和刃磨效率。隨著對(duì)刃磨機(jī)理、刃磨參數(shù)的深入研究，刃磨工藝的創(chuàng)新以及刃磨機(jī)床精度的提高和刃磨輔助裝置的研發(fā)，金剛石刀具將向高質(zhì)量、低成本的方向進(jìn)一步發(fā)展。
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