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单晶金刚石刀具的刃磨特点 单晶金刚石的物理特性有哪些

单晶金刚石刀具的刃磨特点 单晶金刚石的物理特性有哪些

  单晶金刚石是由具有饱和性和方向性的共价键结合起来的晶体,因此它具有极高的硬度和耐磨性,是目前所知自然界中最硬的物质。单晶金刚石刀具有哪些优点?由于单晶金刚石本身的物理特性,切削时不易黏刀及产生积屑瘤,加工表面质量好,加工有色金属时,表面粗糙度可达Rz0.1~0.05μm。下面就来详细了解单晶金刚石刀具的相关知识吧!

  金刚石刀具的材料分为三种:天然单晶金刚石刀具(也就是咱们常说的钻石)、人造聚晶金刚石、金刚石烧结体。由于天然金刚石过于昂贵,所以市面上我们常用的都是人造聚晶金刚石刀具。

  一、单晶金刚石用作超精密加工的优势

  1、有较高的硬度和耐磨性,在超精密加工时可以最大限度避免刀尖磨损对工件尺寸的影响。

  2、有很好的导热性,较低的热膨胀系数。因此,切削加工时不会产生很大的热变形,有利于精密加工。

  3、刃面粗糙度较小,刃口非常锋利,可达Ra0.01~0.006μm。因此,能胜任薄层切削,有利于超精密加工。

  4、摩擦系数低,切削时不宜产生积屑瘤,因此加工表面质量很高。加工有色金属表面粗糙度可小达Ra0.04~0.012μm,加工精度可达IT5以上。

  注意:金刚石刀具不适合加工钢铁材料,因为金刚石和铁有很强的化学亲和力,在高温下铁原子极易与碳原子作用而使其转化为石墨结构,刀具极易损坏。用作铝硅合金的精加工及超精加工,压缩木材、陶瓷、刚玉、玻璃等的精加工都是不错的选择。

  二、单晶金刚石刀具的刃磨特点

  超精密加工中,单晶金刚石刀具的两个基本精度是刀刃轮廓精度和刃口的钝圆半径。要求加工非球面透镜用的圆弧刀具刃口的圆度为0.05μm以下,加工多面体反射镜用的刀刃直线度为0.02μm;刀具刃口的钝圆半径(ρ值)表示了刀具刃口的锋利程度,为了适应各种加工要求,刀刃刃口半径范围从20nm~1μm。

  三、单晶金刚石刀具的晶面选择

  金刚石晶体属于平面立方晶系,由于每个晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之间距离的不同,造成天然金刚石晶体的各向异性,因此金刚石不仅各晶面表现的物理机械性能不同、其制造难易程度和使用寿命都不相同,各晶面的微观破损强度也有明显差别。金刚石晶体的微观强度可用Hertz试验法来测定,由于金刚石是典型的脆性材料,其强度数值一般偏差较大,主要依赖于应力分布的形态和分布范围,因此适合用概率论来分析。当作用应力相同时,(110)晶面的破损概率最大,(111)晶面次之,(100)晶面产生破损的概率最小。即在外力作用下,(110)晶面最易破损,(111)晶面次之,(100)最不易破损。尽管(110)晶面的磨削率高于(100)晶面,但实验结果表明,(100)晶面较其它晶面具有更高的抗应力、腐蚀和热退化能力。结合微观强度综合考虑,用(100)面做刀具的前后刀面,容易刃磨出高质量的刀具刃口,不易产生微观崩刃。

  通常应根据刀具的要求来进行单晶金刚石刀具的晶面选择。一般来说,如果要求金刚石刀具获得最高的强度,应选用(100)晶面作为刀具的前、后刀面;如果要求金刚石刀具抗机械磨损,则选用(110)晶面作为刀具的前、后刀面;如果要求金刚石刀具抗化学磨损,则宜采用(110)晶面作刀具的前刀面,(100)晶面作后刀面,或者前、后刀面都采用(100)晶面。这些要求都需要借助晶体定向技术来实现。

  四、单晶金刚石的物理特性

  金刚石是单一碳原子的结晶体,其晶体结构属于等轴面心立方晶系(一种原子密度最高的晶系)。由于金刚石中碳原子间的连接键为sp3杂化共价键,因此具有很强的结合力、稳定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物质,其显微硬度可达10000HV,其它物理特性见以下内容。

  物理性能-数值

  硬度-60000~100000MPa,随晶体方向和温度而定

  抗弯强度-210~490MPa

  抗压强度-1500~2500MPa

  弹性模量-(9~10.5)×10的12次方MPa

  热导率-8.4~16.7J/cm·s·℃

  质量热容-0.156J/(g·℃)(常温)

  开始氧化温度-900~1000K

  开始石墨化温度-1800K(在惰性气体中)

  和铝合金、黄铜间的摩擦系数-0.05~0.07(在常温下)


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