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  [組圖]鏡面加工用單晶金剛石刀具          【字體:
鏡面加工用單晶金剛石刀具
作者:liven    專題來源:切削技術網    點擊數:6145    更新時間:2011-3-14    
單晶金剛石切削刀具主要用于非球面透鏡、衍射光柵高精度光學元件的加工。隨著超聲波橢圓振動切削技術的不斷改進和推廣應用,單晶金剛石刀具在淬硬鋼模具鏡面加工方面的應用必將得到普及。
微型高精密鏡面模具對加工后的形狀精度和表面粗糙度要求非常高,原有的“粗切削+精磨+研磨”的加工方法不僅要花費很長時間,而且微細形狀不適合采用磨削加工,此外,研磨會使微細形狀產生塌邊等缺陷,使形狀精度達不到要求。
單晶金剛石刀具能制成非常鋒利而無凹凸鋸齒的切削刃,只需通過切削就能完成微型高精密模具的鏡面加工。單晶金剛石刀具主要用于DVD檢波鏡和數碼相機用塑料透鏡模具的鏡面加工。

圖1 單晶金剛石晶格模型
由于金剛石易與鐵族金屬發生化學反應,因此不適合加工淬硬鋼等工件材料,僅局限于加工非電解鍍鎳等非鐵金屬。但近年來,由于采用超聲波橢圓振動切削的加工機床性能的改進,單晶金剛石刀具也能用于淬硬鋼等鐵族金屬的鏡面加工。下面簡要介紹具有優良切削性能和鋒利切削刃的單晶金剛石刀具的特點及應用實例。

(1)單晶金剛石切削刀具的特點

眾所周知,金剛石是硬度最高、導熱性能最佳的刀具材料,在難加工材料的切削加工、干式和半干式切削加工中具有很長的使用壽命。單晶金剛石的結晶模型見圖1。它是一種碳原子(C)通過共價鍵實現牢固而緊密結合的單晶材料。通過高精密刃磨,單晶金剛石刀具能獲得非常鋒利而無凹凸鋸齒的切削刃(見圖2a)。聚晶金剛石是一種多晶金剛石,它是利用金屬結合劑在高溫高壓條件下由微細金剛石粒子燒結而成的金剛石聚晶體,但在微細晶粒的晶界上也存在金屬結合相。由于聚晶金剛石粒子間的結合強度弱于單晶金剛石,因此刃磨后的切削刃也會產生晶界面的凹凸和粒子脫落現象(見圖2b)。

(a)單晶金剛石車刀

(b)聚晶金剛石車刀
圖2 單晶金剛石和聚晶金剛石車刀的切削刃

(2)鋁合金的鏡面加工

圖3為用圓弧形切削刃單晶金剛石車刀加工鋁合金(A5056)的加工面,可以清楚看到切削刀痕,該刀痕達到了鏡面水平,即實現了接近理論表面粗糙度的鏡面加工。圖4為用聚晶金剛石車刀的加工面,可以看到行切進給的切痕,進給切痕中留下了由凹凸切削刃形成的凹凸加工痕跡。圖5為用同規格硬質合金車刀的加工面,車刀切削刃粉末顆粒的凹凸全部反映在加工面上,留下了切削方向的切痕,但觀察不到進刀切痕。
加工條件:
切削速度:300m/min,加工余量:0.05mm,進給速度:0.04mm/r,刀尖R:0.5mm,前角:0°,后角:7°
圖3 單晶金剛石車刀的加工面

圖4 聚晶金剛石車刀的加工面

圖5 硬質合金車刀的加工面
圖6為單晶金剛石車刀與聚晶金剛石車刀加工面的比較,可以看出,單晶金剛石車刀加工出的表面為優質鏡面。

(Ry0.238µm,Rz0.166µm,Ra0.034µm)
(a)單晶金剛石車刀的加工面

(Ry1.327µm,Rz1.149µm,Ra0.261µm)
(b)聚晶金剛石車刀的加工面
圖6 單晶金剛石和聚晶金剛石車刀的加工面比較

圖7 超聲波橢圓振動切削的二維切削模型

圖8 淬硬鋼模具的鏡面加工面

(3)淬硬鋼的金剛石刀具超聲波橢圓振動鏡面加工

由于單晶金剛石與鐵族金屬的親和性極強,因此過去不能用單晶金剛石刀具對淬硬鋼等鋼件進行鏡面加工。隨著能抑制金剛石與鐵發生反應的超聲波橢圓振動切削技術的開發成功,已能實現用單晶金剛石刀具對淬硬鋼進行鏡面切削加工。最近,通過對超聲波橢圓振動切削裝置的改進,使其達到了實用水平。圖7為超聲波橢圓振動切削的二維切削模型表明,刀具切削刃作橢圓運動,切屑與金剛石車刀前刀面在相同方向運動,從而能抑制摩擦阻力,同時,由于兩者之間存在間隙,抑制了金剛石與鐵的反應,因此對鐵族金屬進行加工也能獲得切削鋁合金、非電解鍍鎳層時一樣的鏡面。圖8為采用單晶金剛石刀具的淬硬鋼鏡面加工實例。圖9為超聲波橢圓切削而開發的單晶金剛石車刀的刀片及刀夾。

圖9 用于超聲波橢圓切削而開發的單晶金剛石車刀的刀片及刀夾
單晶金剛石切削刀具主要用于非球面透鏡、衍射光柵高精度光學元件的加工。隨著超聲波橢圓振動切削技術的不斷改進和推廣應用,單晶金剛石刀具在淬硬鋼模具鏡面加工方面的應用必將得到普及。
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