超硬材料由于性能優(yōu)越,應(yīng)用不斷地在擴(kuò)大,已從金屬加工發(fā)展到了光學(xué)玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統(tǒng)加工難進(jìn)行的領(lǐng)域。
天然單晶金剛石,由于具有各向異性,因此各晶面的硬度相差甚大,在刀具刃磨時(shí),擇其軟的一面作為研磨面,而將其硬的面作為前刀面或后刀面,這給研磨帶來(lái)了有利的條件,因其各向異性,所以在使用中,必須考慮到晶面的合理選擇,例如,硬度計(jì)的壓砧,在使用中,利用壓入或彈跳來(lái)衡量被測(cè)材料的硬度,但由于工作面的硬度不同,結(jié)果也各異,當(dāng)然采用硬的面,有利于延長(zhǎng)壽命,又如天然金剛石制造的拔絲模,由于孔的工作面由各晶面構(gòu)成,因此硬度不一致,磨損便不均勻,同時(shí)會(huì)給線(xiàn)材的圓截面造成應(yīng)力差異,硬度不勻,而影響使用,金剛石燒結(jié)體和厚膜金剛石,由于各向同性,在這類(lèi)產(chǎn)品上運(yùn)用就變得非常有利。
PCD、PCBN,因其晶粒不同,濃度不同,性能也就不同,必須合理選擇。
厚膜金剛石是純金剛石,其硬度接近天然金剛石,而PCD、PCDN是金剛石粉與結(jié)合劑混合在一起燒結(jié)而成,因此硬度受到結(jié)合劑的影響,其硬度不如前者。
眾所周知,金剛石與鐵系有親和力,只能用在有色金屬和非金屬材料上,而CBN即使在1000℃的高溫下,切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來(lái)難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時(shí)存在,起到了互補(bǔ)的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工,對(duì)整個(gè)切削加工領(lǐng)域極為有利。
金剛石切削工具的高精度刃磨需要高超的技藝,為了獲得更高精度的切削刃口圓弧半徑,特別是精度小于0.05um以下的,對(duì)研磨機(jī)提出了相當(dāng)嚴(yán)格的要求,必須有極高回轉(zhuǎn)精度的主軸軸系,老式研磨機(jī)已不適應(yīng),更多的開(kāi)始采用空氣軸承作為支承,研磨盤(pán)必須能在機(jī)床上加以修平,使其端面跳動(dòng)控制在0.5um以下。PCD和PCBN的刃磨相對(duì)而言比較容易,因?yàn)橛捕认鄬?duì)比較低,用金剛石砂輪就能勝任,而厚膜金剛石則不同,其硬度接近天然金剛石,并且是各向同性的,所以刃磨比較困難。
近來(lái),金剛石切削工具的刃磨已引起人們的關(guān)切,新的刃磨方案相繼提出,其中熱化學(xué)方法介紹頗多,如日本東京工業(yè)大學(xué)吉川昌范教授用加熱到800℃的鑄鐵盤(pán)來(lái)實(shí)施。在加速研磨的設(shè)想方面認(rèn)為,研磨工作量的70%在粗研,所以可以用熱化學(xué)方法先去除大部分的留量,然后再精研,可大幅度提高金剛石刃磨的工效。
3 金剛石及超硬材料應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
天然單晶金剛石
在當(dāng)前的超精密加工中,天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少。它可獲得極為鋒利的切削刃,其刃口圓弧半徑可以達(dá)到連掃描電子顯微鏡(SEM)也無(wú)法檢測(cè)的程度。據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹,最小可達(dá)2~4nm,這是當(dāng)前的最高水平,是通過(guò)切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來(lái)的。1986年日本專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)金剛石刀尖評(píng)價(jià)委員會(huì),來(lái)解決刀尖的測(cè)量問(wèn)題,直至今天仍然沒(méi)有很好解決,只是從0.05um提高到2~4nm。1992年?yáng)|芝機(jī)械的淺井昭一也曾提出過(guò)利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行檢測(cè)的建議,但是并沒(méi)有再報(bào)道過(guò),我國(guó)華中理工大學(xué)精儀系在1996年報(bào)道了用AFM取得了進(jìn)展,這是可喜的成就。