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1、1超精密切削金刚石刀具磨损研究摘要：金刚石超精密切削技术,是超精密加工技术的重要分支, 也是超精密加工技术发展最早的、 应用最为广泛的技术之一。金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论上可以达到原子级的平直度与锋利度,切削时切薄能力强、 精度高、 切削力小; 其高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可保证刀具具有超长寿命, 从而能进行长时间的持续切削, 并可减小因刀具磨损对零件精度的影响; 其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形。天然单晶金刚石, 由于具有各向异性, 因此各晶面的硬度相差甚大, 在刀具刃磨时, 择其软的一面作为研磨面, 而将其硬的面作为前刀面或后刀面, 这给研磨带
2、来了有利的条件, 因其各向异性, 所以在使用中, 必须考虑到晶面的合理选择, 以利于延长寿命。关键词： 金刚石刀具 刀具磨损 裂纹在金刚石精密切削加工中，金刚石刀具的磨损是必然的。在常规条件下，如用金刚石切削黑色金属如钢、铁、锰和某些难加工材料如铬、钛等时，金刚石刀具的磨损特别快，以致于无法维持切削的顺利进行、保证所需加工精度。为了提高金刚石刀具在切削黑色金属过程中的刀具寿命，需要研究金刚石刀具的具体磨损过程，从机械、热摩擦和热化学的角度对金刚石刀具磨损机理做了分析研究，进而研究了黑色金属材料材质变化及其机械物理性能对金刚石刀具磨损的影响，从而为减缓刀具磨损、提高加工表面质量、扩展金刚石刀具可
3、切削材料提供理论支撑。金刚石刀具切削黑色金属过程中磨损严重，磨损过程复杂。由于普通切削过程中的切削力和切削温度较高，金刚石刀具的磨损机理主要有机械磨损、热摩擦磨和热化学磨损。这些磨损在切削过程中可能同时发生也可能交互式地发生，从而致金刚石刀具磨损。 1. 机械磨损 金刚石刀具机械磨损主要是有以下两部分组成：工件材料中的硬质点在切削过程中周而复始地对刀具产生冲击，使金刚石颗粒容易产生微裂解，发生机械磨损；另一方面由于工件材料中含有的硬质点或积屑瘤的碎片等在刀具表面2上划出沟纹而造成的磨损。而传统的关于塑性材料的机械磨损的观点，如塑性变形、剪切，对金刚石刀具来说是不合适的，尤其是金刚石刀具加工塑性
4、材料的情况，即使是碳化物、氮化物等硬质点杂质的硬度仍然不及金刚石。而且在温度低于 1700的情况下，金刚石的塑性几乎可以忽略。 但是当金刚石切削塑性材料时，切削刃附近会出现缺口或刻痕，一般认为这是由于材料内部的杂质和硬质点所造成的。虽然微小硬质点颗粒的硬度不如金刚石高，但是微小硬质点的反复作用使金刚石刀具局部区域受到重复作用，再者由于金刚石晶体本身的缺陷以及刀具制造过程中对金刚石表面的损伤所导致的硬度不一致性，使得金刚石的微小区域产生微裂纹而逐渐磨损，最终导致金刚石刀具在切削过程中发生机械磨损。 2. 石墨化磨损 金刚石是亚稳态的。金刚石晶体的同素异变现象是指当温度高时，金刚石晶体在高温的作用
5、下转变为较软的稳定的石墨组织，从而丧失了其原有的硬度和强度。金刚石晶体在空气或真空中，由于碳原子要从互锁的杂化轨道上跃迁出来需要很大的能量，即使加热至 800以上时表面也不会发生明显的石墨化转变；但一旦将金刚石置于某些带有催化作用的介质中时，其发生异变现象的临界温度将明显下降。如在铁的作用下，在 650左右，金刚石的表面就会发生同素异变，即晶体开始由四边形立方金刚石结构转变成六边形层状的石墨结构。石墨是金刚石的同素异构体，强度和硬度都较低，从而导致了金刚石车刀的磨损。人造金刚石的合成就是使用石墨来完成的，从化学角度上来说这是金刚石刀具石墨化磨损的逆向过程。在合成过程中，石墨和熔化的金属一起高温
6、压缩形成一种过渡化合物促使了金刚石生长。黑色金属、铂或铬系金属，尤其是铁、镍、锰等，是最有效的催化剂。反之亦然，这就是金刚石车刀切削黑色金属材料时磨损较快的重要原因之一。 3. 扩散磨损 扩散磨损就是碳原子从金刚石中进入了被加工工件中。在高温作用下，金刚石中的碳原子极易向黑色金属工件材料中扩散，从而大大削弱了金刚石刀具的刃口强度，造成磨损。在扩散过程中，碳原子由高浓度区向低浓度区流动。3根据菲克扩散第一定律，对于各向同性介质中的扩散过程，在单位时间内通过垂直于扩散方向单位截面积的物质流量（称扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。设扩散沿 x 方向，则数学表达式可表示为 =当浓度梯度 为定值时，
7、扩散通量 J 与扩散系数 D 成线性关系。式中的负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，即扩散由高浓度区向低浓度区进行。从上式可以看出，当浓度梯度一定时，扩散通量由扩散系数所决定。扩散系数的表达式为：=0晶体中的原子进行扩散时需得到为克服能垒所必须的额外能量，才能实现原子的跃迁，这部分能量就是扩散激活能 Q。扩散激活能越小，则扩散越易于进行。从扩散激活能的表达式可以看出，当扩散常数 、扩散激活能 Q 和气体0常数 R 为定值时，扩散系数 D 与温度之间呈指数变化关系。温度是影响碳原子向工件材料扩散的重要因素。温度越高，原子的能量越大，越容易发生原子迁移，扩散系数越大，导致金刚石刀具磨损严重。 4.
8、 热腐蚀和氧化磨损 在金刚石切削黑色金属的过程中，由于切削温度较高，金刚石还将与黑色金属工件材料发生化学反应，生成碳化物。其结果是在金刚石表面留下“腐蚀”痕迹，称为热腐蚀。具体反应式如下： 4C+3Fe=34金刚石在氧气中可以燃烧，其燃点在 700-800 左右。在空气中，不断加热也可以造成金刚石的氧化。金刚石氧化反应的过程可用下式表示： 2C+ =2CO，2CO+ =22 2 25. 粘结磨损 粘结是当刀具与工件材料接触达到原子间距离时产生的现象，又称为冷焊。在切削过程中，由于刀具与工件材料的摩擦面上具备高温、高压和新鲜表面的条件，极易发生粘结。在继续相对运动时，粘结点受到较大的剪切力或拉伸
9、应力而破裂，一般发生于硬度较低的工件材料一侧。但刀具材料往往因为存在组4织不均匀、内应力、微裂纹以及空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面也常发生破裂而被工件材料带走，形成粘结磨损。粘结磨损的程度主要取决于刀具材料与工件材料间的亲和力、二者的硬度比、切削温度、刀具表面形状与金相组织等。刀具与工件材料间的亲和力越大、硬度比越小、粘结磨损越严重。因此，金刚石刀具在切削难加工黑色金属过程中前后刀面在高温高压作用下很容易发生粘结磨损。在金刚石切削黑色金属过程中，各种磨损机理几乎是共存的，只是在切削条件及被加工材料变化时，其主要磨损机理可能不同。而且以上磨损原因主要因为切削区的高温和高压多造成的。无论何种磨
10、损机理起主要作用，用金刚石刀具在常规切削条件下加工黑色金属材料的刀具磨损是十分严重的，要实现黑色金属的金刚石精密切削加工，必须采取措施降低切削区的温度和压力以控制金刚石刀具磨损。为了研究黑色金属材料的金刚石精密切削过程中的工件材料组份及工件材料硬度对金刚石刀具磨损的影响，需要对工件材料、机床刀具、工艺参数等进行选取。试验选用了不锈钢系列中的应用广泛的奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢材料，分别是 1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、2Cr13、3Cr13。因为它们都应用比较广泛，而且有针对性。为实现黑色金属等难加工材料的精密切削，一些新的刀具材料体现出较好的切削性能，如陶瓷刀具、人造聚晶金刚石(P
11、CD)、聚晶立方氮化硼( PCBN)等。金刚石刀具切削黑色金属的刀具磨损试验中采用了和振动切削一样的切削工艺参数，考虑到切削速度对刀具磨损的影响，试验采用外圆车削方法，从而避免的端面车削过程中切削速度随着走刀变化的影响。5前刀面磨损后刀面磨损金刚石在切削不锈钢材料的过程中，由于刀具与切屑及工件接触区域的高温高压，刀具在很短的切削时间内就迅速磨损。本实验四种材质和五种硬度不锈钢材料进行了金刚石刀具切削的刀具磨损试验，由于高温高压，切削过程中它们均发生了热摩擦和热化学磨损。但因工件材料化学成份的不同及同一种材料硬度的差异，刀具的磨损程度不同。对于奥氏体不锈钢，0Cr18Ni9 的磨损程度要比 1Cr18Ni9Ti 严重；对于马氏体不锈钢，3Cr13 的磨损程度比 2Cr13 严重。对于不同硬度的不锈钢材料，随着硬度的增加，金刚石刀具磨损程度也越严重。6
