精 密和超精密加工已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术 ,许多现代技术产品需要高精度制造 ,如发展尖端技术 ,发展国防工业 ,发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备 目前 ,在工业发达国家中 ,一般工厂能稳定掌握的加工精度是 1 μｍ ,与此相应 ,通常将加工精度在 0 1～ 1 μｍ ,加工表面粗糙度在Ｒａ0 0 2～ 0 1 μｍ之间的加工方法称为精密加工 ,而将加工精度高于 0 1 μｍ ,加工表面粗糙度小于Ｒａ0 0 1 μｍ的加工方法称为超精密加工<1> 超精密切削属于金属切削的一种 ,自然服从金属切削的普遍规律 ,但它也有不少特殊规律 ,这是由于金刚石刀具特殊的物理化学性能和切削层极薄造成的 超精密切削加工是一项内容广泛的新技术 ,它的加工精度和表面质量是由所使用的超精密机床设备、金刚石刀具、切削加工工艺、计量和误差补偿技术、操作者的技术水平、环境支持条件等多种因素综合影 响的结果 1 目前研究现状及应用领域常用符号含义 :ＰＣＤ———高温高压合成的聚晶金刚石 ;ＣＶＤ金刚石和ＰＣＶＤ金刚石———化学气相沉积 (低压 )聚晶金刚石 (以涂层形式的薄膜和自由的可钎焊的无衬底厚膜 ) ;ＣＢＮ———立方氮化硼 ;ＰＣＢＮ———聚晶立方氮化硼 ;ＣＶＤＣＢＮ———化学气相沉积立方氮化硼 超硬材料是指金刚石和立方氮化硼 ,它们的硬度比其它刀具材料高出好几倍 金刚石是自然界中最硬的物质 ,ＣＢＮ的硬度仅次于金刚石 ,近年来 ,超硬刀具材料发展迅速 金刚石刀具材料分为 5类 :①天然金刚石 (ＮａｔｕｒａｌＤｉａｍｏｎｄ) ②人造聚晶金刚石 (ＰＣＤ) ,以石墨为原料 ,经高温高压制成 ③人造聚晶金刚石复合片 (ＰＣＤ/ＣＣ) ,以硬质合金为基底 ,表面有 0 5ｍｍ厚的聚晶金刚石 ,制造方法与ＰＣＤ相同 ④金刚石薄膜涂层刀具 (ＣＤ) ,用ＣＶＤ工艺 ,在刀具表面涂覆一层厚约1 0～ 2 5μｍ的薄膜 ⑤金刚石厚膜刀具 (ＴＦＤ) ,亦采用ＣＶＤ工艺 ,在另一基体上涂 0 2ｍｍ以上的厚膜 ,再将厚膜切割成一定的大小 ,然后焊在硬质合金刀片上使用 ＰＣＤ刀具具有非常高的耐用度 (比硬质合金刀具寿命高几十倍以上 ) ,稳定的尺寸加工精度(可加工几千～几万件 ) ,以及良好的工件表面粗糙度 主要加工对象是有色金属、非金属材料及含有Ａｌ2 Ｏ3的木工材料 ,如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷 ,各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃、木材等 ,还能对上述材料作超精密加工 ,但忌加工钢铁及其它铁族金属 国产主要品种有 :ＰＣＤ木工锯片及修边刀 ,ＰＣＤ转位式刀片 ,ＰＣＤ活塞系列刀具 ,ＰＣＤ轮毂刀具 ,ＰＣＤ整流子刀具 ,ＰＣＤ表壳、首饰刀具 ,各种ＰＣＤ焊接式车刀、镗刀 ＰＣＤ、ＰＣＢＮ和人工合成单晶金刚石均是在高温和高压下合成的 ,而ＣＶＤ金刚石是在低压下制备的碳基气体和氢气的混合物在高温和低于大气压的压力下分解形成金刚石沉积在基体上 沉积出的是交互生长极好的金刚石 ,形貌呈柱状结构非常致密 ,随着生长条件不同 ,ＣＶＤ金刚石也呈现出不同的晶粒尺寸和结构 ,ＣＶＤ金刚石不需金属催化剂 ,因此它的热稳定性接近天然金刚石根据不同的应用需要选择不同的ＣＶＤ沉积工艺可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的金刚石 由于对刀具性能的要求是多种多样的 ,所以可能要多种不同晶粒尺寸的ＣＶＤ才能满足各种应用的需要 实际上ＣＶＤ金刚石刀具有两种形式 ,第一种是在适当基体上沉积厚度小于30 μｍ的薄层 (薄膜 ) ,例如ＩＳＯ刀片和麻花钻头的刃口是两种典型的薄涂层 第二种是沉积厚度达 1ｍｍ的无衬底金刚石层 (厚膜 ) ,如果需要它可以钎焊在基体上<2> 金刚石涂层硬质合金刀具是涂层技术发展的一项重大突破 ,首次应用这一新工具材料的是瑞典山特维克公司 ,其ＣＤ1 81 0牌号采用精心设计的梯度烧结硬质合金作为基体 ,进行新型的等离子体活化化学气相沉积 (ＰＡＣＶＤ)金刚石涂层 ,解决了涂层与基体粘结力较差的问题 采用改进的低压等离子体工艺及设备 ,能够经济地批量生产金刚石涂层硬质合金刀具 金刚石涂层硬质合金刀具具有比ＰＣＤ刀具更复杂的几何形状 ,适合于加工铝等非铁材料 ,其寿命是未涂层硬质合金刀具的几十倍 ,不低于ＰＣＤ刀具的寿命<3> 金刚石刀具有 :车刀、铣刀、镗刀等品种 ,80 %以上用于汽车和摩托车行业 ,其它则用于家用电器 ,普通机械等领域金刚石刀具在汽车和摩托车行业中主要用于加工发动机活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等 由于这些部件材料含硅量较高 (1 0 %以上 ) ,并且大多采用流水线方式大批量生产 ,对刀具的使用寿命要求较高 ,硬质合金刀具难以胜任 ,而金刚石刀具耐用度是硬质合金刀具的 1 0～ 50倍 ,可保证零部件尺寸稳定性 ,并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面质量 国外工业金刚石领域最著名的是英国ＤｅＢｅｅｒｓ公司 ,其生产的ＳＹＮＤＩＴＥ聚晶金刚石已商品化 ,广泛应用于 :①加工铝、铜、黄铜、青铜、贵金属、未淬火及烧结的硬质合金等有色金属和合金 ②加工木材 (尤其是实心木和胶合板、ＭＤＦ等复合木材 ) ,塑料 (包括加强塑料 )、橡胶和陶瓷、石材及矿物材料 ③作为耐磨零件的加固物体 ,例如一个直径 60 0ｍｍ镶有ＳＹＮＤＩＴＥ(ＰＣＤ)聚晶金刚石的锯片 ,就可锯切 1 1 1× 1 0 4 ｍ、2 0 0ｍｍ厚重叠刨花板 ,无需重磨 ,这相当于硬质合金锯片使用寿命的 1 0 5倍 这种性能不只限于锯片 ,直铰或方形的刨花刀以及其它一些不同类型的修边刀具 ,只要镶上ＳＹＮＤＩＴＥ都可延长刀具寿命 ,尤其是用于锯切中纤维、定向刨花板、胶合板、水泥板等 ＰＣＢＮ按其制造工艺分 :有由ＣＢＮ经高温高压直接结合成烧结块的 ,也有加金属或陶瓷粘合剂再经高温高压烧结成的 按成品复合方式分 :有单独ＣＢＮ烧结块 ,也有ＣＢＮ/硬质合金复合烧结的ＰＣＢＮ复合片 以ＰＣＢＮ复合片刀具的切削性能为主进行介绍 :(1 )具有较高的硬度和耐磨性ＣＢＮ晶体结构与金刚石相似 ,化学键类型相同 ,晶格常数相近 ,因此具有与金刚石相近的硬度和强度 ＣＢＮ微粉的显微硬度为ＨＶ80 0 0～ 90 0 0 ,其烧结体ＰＣＢＮ的硬度一般为ＨＶ30 0 0～ 50 0 0 (2 )具有很高热稳定性 ＣＢＮ的耐热性可达1 40 0～ 1 50 0℃ ,ＰＣＢＮ在 1 0 0 0℃时的硬度还高于陶瓷或硬质合金的常温硬度 ,因此刀具尖端的相对高温不会对它产生任何不利影响 ,相反还能起到加速切削作用 (3)具有优良的化学稳定性 ＣＢＮ的化学惰性特别大 ,在 1 2 0 0～ 1 30 0℃时也不与铁系材料发生化学反应 ,与碳在 2 0 0 0℃时才发生反应 ;在中性还原性的气体中 ,对酸碱都是稳定的 ,它对各种材料的粘结扩散作用比硬质合金小得多 (4)具有较好的导热性 在各类刀具材料中ＣＢＮ的导热性仅次于金刚石 ,大大高于硬质合金 ,而且随着温度升高 ,ＰＣＢＮ的导热系数增加 (5)具有较低的摩擦系数 与不同材料间的摩擦系数ＣＢＮ为 0 1～ 0 3,硬质合金为 0 4～6 ,随着切削速度的提高 ,摩擦系数是减小的 ＰＣＢＮ刀具的最大特点是可以车削硬度大于ＨＲＣ45的黑色金属零件 ,由于ＰＣＢＮ与铁族金属不产生亲和力 ,可用于轴承钢 (ＨＲＣ60～ 62 )、工具钢 (ＨＲＣ57～ 60 )、高速钢 (ＨＲＣ62 )等材料的切削加工 ,用于灰铸铁零件的“高速切削” ;淬硬钢的“硬态加工”(切削硬度ＨＲＣ45～ 70 )、可实现“以车代磨”及“干式切削” ,大幅度提高加工效率 国产主要品种有 :发动机缸体缸孔精加工ＰＣＢＮ刀具 ;齿轮、连杆硬态加工ＰＣＢＮ刀具 ;缸套加工ＰＣＢＮ刀具 ;耐磨铸铁加工ＰＣＢＮ刀具 ;表面喷涂焊材料加工ＰＣＢＮ刀具 ;粉末冶金零件加工ＰＣＢＮ刀具等ＣＢＮ多角复合刀片的出现是超硬材料开发的一大进展 ,以往的ＰＣＢＮ复合刀片生产工艺是先制备出ＣＢＮ复合片 ,再切割成小块 ,然后焊接在硬质合金基体上 ,其缺点是存在焊接应力 ,现在能将ＣＢＮ切削刃直接复合到合金基体的多个部位上 ,消除了焊接应力 ,提高了刀片的利用率 ,降低了加工成本 立方氮化硼涂层正在研究开发之中 ,主要是由于ＣＢＮ涂层工艺复杂 ,特别是成膜困难、粘附不牢 ,—旦达到实用阶段其市场前景不容低估 ＣＢＮ刀具现在的生产工艺是高温高压烧结 ,如能中低温涂覆沉积生成薄膜或无衬底厚膜 ,对于降低成本 ,广泛推广使用具有诱人前景 2 超精密加工的影响因素对于金刚石刀具需要关注两个比较重要的问题 :一是晶面的选择 ,金刚石晶体是各向异性 ,用于制造刀具需要晶体定向 ,再就是金刚石刀具的研磨质量———刃口半径 ,它关系到切屑变形和最小切削厚度 ,刃口半径越小则最小切削厚度越小 ,切削厚度小过一定界限就不能正常切削 国外研磨最好的金刚石刀具 ,刃口半径可以小到数纳米 ,而国内目前研磨的金刚石刀具 ,刃口半径只能达到 0 1～ 0 3μｍ 目前刀具刃口半径测量用ＳＥＭ ,刃口半径小于 0 0 1 μｍ时 ,测量就是一个难题 工件材料对超精密切削有重要影响 ,其主要原因有 :①表面出现不纯物 ,造成不规则的空穴和划伤 ;②结晶的晶界出现阶梯 ;③加工工件有残留变形和残留应力 ;④对金刚石刀具的亲和性 ,产生粘结现象等
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