精密与超精密切削加工中的刀具材料：金刚石刀具

1.精密和超精密切削的应用情况

在精密和超精密切削中，加工精度直接受到加工方法、加工设备条件、工件材料、切削刀具、测量技术等条件的制约。根据超微量切削原则，如果要达到0.1～0.01μm的加工精度，切削刀具必须具备能够切除0.01μm以下的切削厚度的极其锋利的刀刃，也就是说，刀刃的最小钝圆半径p应该小于0.01μm。这样小的刀刃钝圆半径p值，一般的硬质合金是很难达到的，硬质合金的颗粒大小一般有数微米，既使经过再精细的研磨，硬质合金刀刃的p值也很难小于1μm。目前的超精密切削加工中的刀具材料主要是金刚石刀具。被切削的材料主要有各类铝合金、无氧铜和其他铜合金、脆性陶瓷、硅晶体材料、铁氧体、非电解镀镍层等，加工的零件对象主要有计算机磁盘、录像机磁头、复印机硒鼓、激光打印机的多面棱镜、红外反射镜、制导陀螺仪、激光反射镜等。其加工精度一般在0.1～0.01μm范围，表面粗糙度值Ra达到0.02～0.005μm。

2.金刚石刀具

精密和超精密切削中使用的刀具材料目前主要是金刚石，因为它是自然界最硬的材料，具有非常优异的切削性能，如耐热性好、强度高、导热性能好、摩擦因数低，能够刃磨出极其锋利的刀刃，虽然它的价格贵一些，但一直是其他超硬材料所不能代替的超精密切削刀具材料。目前，工业应用中的金刚石刀具主要有天然金刚石和人造金刚石两种。人造聚晶金刚石价格虽便宜一些，但性能远比不上天然金刚石，因其刀刃钝圆半径很难达到p＜1μm。超精密切削中应用的天然金刚石颗粒一般在0.5～1.5克拉（1克拉=0.2g）左右，其刀刃钝圆半径p可以精研到0.05～0.01μm。刃口极其锋利。由于天然金刚石单晶体呈各向异性，不同晶格方向上的物理性能差异很大，刀刃需要开在高硬度值方向上，所以刀具在制造和研磨时需要进行仔细的选向和定向。金刚石在小刀头上的固定方法有机械夹固法（对较大颗粒）、粉末冶金烧结固定法、粘结或钎焊固定法。

3.超精密切削机床条件

精密和超精密切削加工对机床的精度要求较高，目前的超精密切削机床一般都采用空气轴承主轴结构（主轴的振摆量在0.5μm以下），导轨采用再循环滚动体结构、液体静压或气浮导轨结构，进给驱动丝杠副采用滚动或气、液静压丝杠副驱动。机床运动的定位精度可达1～3μm。为了满足微量切削的要求，机床配备有微量进给装置，以实现0.01μm以下的微量进给要求。可控微量进给机构一般有机械或液压传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式和电致伸缩式，技术比较成熟的是弹性变形式和电致伸缩式微量进给机构。(www.xing528.com)

超精密切削加工要求极平稳的高速切削条件，由于刀具的硬度值和耐磨性很高，所以切削速度的提高并不会对刀具的耐用度形成很大的制约，这一点与普通切削加工的规律不同，金刚石刀具的切削速度范围一般在1000～2000m/min内。所以切削加工易选用主轴的高速区域。对刀刃耐用度影响最大的是工艺系统的加工振动，在振动条件下，刀刃很容易产生微细的崩碎刃，所以工作时应注意避开主轴转速的激振区。另外，由于金刚石刀具在高温条件下化学性不稳定，所以工作时一般应注意进行强制风冷。

4.超精密切削的工作环境条件

超精密切削加工需要有一个极为稳定的工作环境，在极精密的加工过程中，人的走动、说话、咳嗽甚至呼吸和人的体温都会对加工区带来干扰，在加工过程中，一般是不允许操作者进入加工区的，更不允许用手或身体去接触机床。

机床及工作区除了需要进行恒温控制外，还要注意进行严格的除尘处理，尘埃是超精加工和微细加工的大敌，工作区域的尘埃密度及颗粒度会严重影响超精密加工的表面质量，落入加工表面的尘埃会把工件表面拉毛，使工作表面失去光泽。一般空气尘埃的分布中，1μm以下的小尘埃占绝大多数，而在超精密加工区内，要求空气中颗粒度0.3μm以上的尘埃密度在102/m3以下，即达到百级的净化程度。一般环境的尘埃度多在百万级（106/m3）以上，要达到百级净化程度是需要逐级提高的，净化间多为套间结构，由走廊、恒温室、风浴室、预备间、锁气间、净化间到工作区，要进行多级净化。一般净化间内气压多为正压状态，净化装置及风机具有严格的过滤能力，在工艺系统边上都应设置专用净化机。保持净化度的关键在于操作人员的自觉行为，操作者要严格搞好个人卫生，头发、指甲和衣服、鞋子都是尘埃重点吸附的对象，进入操作区，除了要穿着专门的净化服、无尘服（衣、裤、鞋、帽、手套等）以外，还需经过数道净化风浴，净化服一般不得随意地穿出净化车间，以保证工作区的尘埃度降低到最低程度。厂区附近的环境也应保持绿化和清洁，注意种植草坪和树木。