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1.UPC超精金刚石刀具的性能
单晶金刚石具有碳原子间以共价键牢固结合的立方晶体结构,其晶格常数为3.567埃,结合原子间的距离为1.544埃。由于单晶金刚石原子结构的特点,将其作为刀具材料能获得其它材料所不具备的优异硬度和平滑、锋利的切削刃。UPC超精金刚石刀具采用超精磨削技术制备,可最大限度地发挥材料特性,获得平滑锋利性与耐磨性兼备的切削刃,与超精加工机床匹配能实现高精度非球面形状及微细形状的超精加工。
为了满足模具超精加工的要求,切削深度应设定在纳米级范围内。为此,对切削刀具的要求为:①刀尖圆弧半径R达到数十纳米的锋利程度;②切削刃棱线的平滑度达到纳米级水平。采用与刀尖圆弧半径大小相同的切深进行加工时,不易损伤工件的工作面,加工平稳,排屑流畅,因工件弹性变形引起的切削厚度变化也极小,能实现超精加工。
2.UPC机床刀具加工不同工件材料的磨损状态差异
金刚石刀具的热化学磨损状态根据被加工材料种类的不同而有很大差异。在超精密车床上使用刀尖角130°的直线切削刃超精金刚石车刀对无氧铜和纯铝进行端面车削后,刀尖的磨损状态表明,切削无氧铜的刀具前刀面产生了月牙洼磨损,但切削刃棱线仍保持锋利状态;切削纯铝的刀具切削刃棱线磨损变为圆弧刃,但前刀面未发现月牙洼磨损。从这些磨损状态的差异可以看出各不相同的磨损机理:切削铜时,刀具前刀面产生月牙洼磨损是由于铜的触媒作用使金刚石氧化而引起的,而刀具切削刃棱线因与工件无间隙地完全接触而未产生氧化磨损;切削铝时,由于工作表面与刀具表面直接接触而生成碳化铝,工件材料被切削刃切除而使切削刃产生磨损,但因磨损扩展方向与切削铜时相反(从切削刃向后刀面扩展),故不会产生前刀面的月牙洼磨损。
由于不同工件材料的热化学现象不同,刀具的磨损状态也不同,因此应根据不同种类的工件材料来设计合理的刀具前角与后角。
3.UPC-R超精金刚石刀具加工实例
UPC-R是一种采用圆弧切削刃的UPC超精金刚石刀具,其典型用途是用于DVD等非球面镜模具的超精加工。UPC-R刀具圆弧切削刃的轮廓精度小于50nm,是目前世界上最高的精度;圆弧R仅为5μm,也是世界上最小的。使用UPC-R超精金刚石刀具在CNC两坐标超精密机床上加工非球面镜模具的加工要点包括:①如何连续形成薄而稳定的切屑并流畅排出;②工件旋转时应具有高水平的动平衡性能;③工件能精确地定心;④切削液的稳定供给等。
由于加工钢时的热化学反应会使金刚石石墨化并向工件扩散,因此UPC金刚石刀具不适合钢模具的超精加工。但如果在钢模具表面用非电解方法镀上数十微米至数百微米厚的镍镀层,则可用UPC金刚石刀具进行超精加工。关于涂镀质量,应选择不会产生气孔、偏析等结晶构造缺陷的非晶质镀层。
4.UPC-T超精金刚石刀具加工实例
UPC-T是一种采用三角切削刃的UPC超精金刚石刀具,主要用于菲涅尔透镜模具和液晶导光板等衍射光栅模具的超精加工。近年来,光学元件的高精密化、小型化和集成化发展迅速,从非球面透镜到能够实现薄型轻量化、集成化的菲涅尔透镜,对超精加工技术的要求越来越高。本加工模式是用1把UPC-T超精金刚石刀具超精加工微细光栅部分和非球面形状的实例,因此要求车刀刀尖切削刃R<100nm并具有优异的切削性能。UPC-T的刀尖切削刃为50nm的微小切削刃,能够实现超精加工。
目前国内碴浆泵生产厂的70%~80%已采用超硬刀具。碴浆泵广泛应用于矿山、电力等行业,是国内外急需的产品,其护套、护板是HRC63~67的Cr15Mo3高硬铸铁件。过去由于各种刀具难以车削这种材料,所以只得采用退火软化后粗加工,然后再淬火加工的工艺。采用超硬刀具以后,顺利实现了一次硬化加工,免除了退火再淬火2道工序,节约了大量工时和电力。
汽车加工行业
在汽车、拖拉机等行业中的曲轴、凸轮轴、传动轴的加工,刃具、量具的加工和设备维修中,经常会碰到淬硬工件的加工难题。如我国某机车车辆厂,在设备维修中需要对轴承内圈进行加工,轴承内圈(材料GCr15钢)的硬度为HRC60,内圈直径为f285mm,采用磨削工艺,磨削余量不均匀,需2h才能磨好;而先用超硬刀具,仅用45min就加工成一个内环。
经过多年的研究和探索,我国在超硬刀具方面取得了很大的进展,但是,超硬刀具在生产中的应用还不广泛。原因主要有以下几个方面:生产企业、操作者对采用超硬刀具进行硬车削的效果了解不够,普遍认为硬材料只能磨削;认为刀具成本太高。硬车削最初的刀具成本比普通硬质合金刀具高(如PCBN比普通硬质合金贵十多倍),但其分摊在每个零件上的成本比磨削还低,且带来的效益比普通硬质合金要好得多;对超硬刀具加工机理研究不够;超硬刀具加工的规范不足以指导生产实践。
因此,除了对超硬刀具加工机理进行深入研究外,还必须加强超硬刀具。