單晶金剛石刀具刃磨的工藝原理和發(fā)展趨勢-朗賽德刀具
單晶金剛石刀具加工精度高、使用壽命長，在超精密切削加工中應用廣泛。近年來，采用金剛石刀具加工的產(chǎn)品(如隱形眼鏡片、菲涅爾透鏡、復印機的感光磁鼓等)越來越多地進入到普通家庭和工作場所。金剛石刀具的廣泛應用對刀具刃磨技術(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。
機械刃磨法是目前采用最多的刃磨方法，具有工藝簡單、成本低、加工效率高等優(yōu)點。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、美國等發(fā)達國家相比，我國在金剛石刀具機械刃磨工藝、刃磨機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、單晶金剛石刀具機械刃磨技術(shù)
1、機械刃磨工藝原理及機理
機械刃磨法是傳統(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研。一般是在直徑300-400mm的鑄鐵研磨盤的表面涂覆一層含細微金剛石微粒的研磨膏，靜置一段時間后進行初步預研，使金剛石微粒嵌入到研磨盤表面的微小孔隙中，然后以合適的速度、壓力等對金剛石刀具進行刃磨或直接利用金剛石砂輪對刀具進行刃磨。
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。磨料粒度對刀具刃磨質(zhì)量的影響符合磨削理論，即磨料粒度越細，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，同時能獲得更鋒利的切削刃。
②刃磨線速率
刃磨線速率對金剛石刀具刃磨效率和刃磨質(zhì)量具有重要影響。較大的刃磨線速率能帶來較高的刃磨效率，但也加大了金剛石磨粒對刃口的撞擊程度。同時因主軸轉(zhuǎn)速增加，主軸的回轉(zhuǎn)精度降低，必然加大研磨盤的端面跳動，進而降低金剛石刀具與刃磨盤之間的接觸精度，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。壓力過大會產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，降低金剛石刀具的表面質(zhì)量會加劇研磨盤的磨損；壓力過小會引起刀具與研磨盤表面接觸不充分，影響刀具與研磨盤表面的接觸精度，導致刃磨質(zhì)量降低。
3、刃磨機床振動
影響單晶金剛石刀具刃磨質(zhì)量和刃磨效率的因素較多，如刃磨機床振動、研磨盤表面質(zhì)量、主軸動平衡精度、刃磨軌跡等。其中，刃磨機床振動是影響金剛石刀具刃磨質(zhì)量的主要因素之一。
在金剛石刀具的機械刃磨過程中，刃磨機床本身及其刀具裝夾系統(tǒng)的振動干擾會降低金剛石刀具與研磨盤間的接觸精度，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，振動干擾會直接影響刀具鋒利度和刀具表面粗糙度。通過檢測刃磨機床隔振前和隔振后的金剛石刀具刃磨質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，降低機床固有頻率和振動幅值，提高金剛石刀具和刃磨盤之間的接觸精度，可明顯改善金剛石刀具的質(zhì)量。刃磨機床和刀架結(jié)構(gòu)的振動干擾會影響刀具的鋒銳度和表面粗糙度，通過改進刀架結(jié)構(gòu)使刀具刃磨質(zhì)量得到顯著提高。
二、單晶金剛石刀具機械刃磨技術(shù)發(fā)展趨勢
1、進一步探索刃磨機理
從金剛石刀具刃磨技術(shù)的發(fā)展歷程來看，刃磨機理一直是研究的熱點，先后出現(xiàn)的多種刃磨理論主要由國外研究人員提出。到目前為止，提出的各種刃磨理論主要是從刃磨實驗的觀測結(jié)果和現(xiàn)象推測得到的，很少有學者從金剛石晶體學的微觀角度去研究刃磨機理。從晶體學的微觀角度來看，化學鍵的鍵強決定材料的強度與硬度，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，今后需要進一步從晶體學微觀角度出發(fā)，綜合考慮影響金剛石晶體材料去除的各個因素，包括刃磨參數(shù)、刃磨過程中金剛石發(fā)生的相變和化學反應等，并結(jié)合金剛石晶體的共價鍵結(jié)構(gòu)和鍵強，從原子量級揭示金剛石晶體在刃磨過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現(xiàn)高效、經(jīng)濟、高精度的加工。為兼顧各種加工方法的優(yōu)點，可以通過不同工藝方法的結(jié)合，創(chuàng)新金剛石刀具的刃磨技術(shù)。
3、提高刃磨機床性能
近年來，我國在金剛石刃磨機床的研發(fā)中做了大量工作，并自主研發(fā)了多臺不同型號的刃磨機床。但是這些刃磨機床在抗振性、工作可靠性以及主軸回轉(zhuǎn)精度水平上與國外技術(shù)頂尖的刃磨機床還存在差距，在一定程度上阻礙了金剛石刀具刃磨質(zhì)量的提高。目前，從提高刃磨機床主軸回轉(zhuǎn)精度方面看，各研究機構(gòu)在刃磨機床的設計制造過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，而且為研磨盤的端面跳動達到亞微米創(chuàng)造了條件；從降低刃磨機床振動和機床變形方面看，通過不斷優(yōu)化擺軸部件、刀夾部件等結(jié)構(gòu)，同時采用高剛度、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，大幅提高了刃磨機床的抗振性能和整體抗變形能力。
4、研發(fā)刃磨輔助裝置
由于對金剛石刀具需求量的增加，各國都在研發(fā)刃磨機床的輔助裝置，以實現(xiàn)刀具的自動化刃磨。目前，國外已研發(fā)出多臺不同型號的數(shù)控刃磨機床，配備有監(jiān)測設備，實時監(jiān)測刀具的磨削情況和刃磨機床精度狀況，并將監(jiān)測結(jié)果反饋給用戶以調(diào)整刃磨參數(shù)，初步實現(xiàn)金剛石刀具的半自動和全自動加工。國內(nèi)建立了基于在線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CCD攝像頭監(jiān)測到的圖像進行數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果作為反饋信號用于調(diào)節(jié)研磨機運動，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刀，但是目前缺少高精度的對刀裝置，通過調(diào)整微調(diào)機構(gòu)來實現(xiàn)刀具定位不僅費時費力，而且難以保證對刀精度。因此，要加大刀具幾何參數(shù)在線監(jiān)測設備、對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、自動化的方向發(fā)展，逐漸擺脫目前刃磨調(diào)刀只能依賴工人技術(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)以及降低刃磨機床振動能有效提高單晶金剛石刀具的機械刃磨質(zhì)量和刃磨效率。隨著對刃磨機理、刃磨參數(shù)的深入研究，刃磨工藝的創(chuàng)新以及刃磨機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、低成本的方向進一步發(fā)展。
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