1、,第四部分 高效高精机械加工工艺,教材: 先进制造技术 第三章 先进制造工艺与装备 3.2,基本概念,3,1,2,内 容 提 要,机床与刀具技术,工艺方法,4 . 刀具技术,精密加工中常用的刀具材料金刚石材料结构与特性,本节基本要求,掌握:(超)精密加工中的常用刀具材料种类金刚石作为刀具材料的特点,4.1.1 刀具的基本要求 4.1.2 典型的刀具材料,4.1(超)精密加工中 常见的刀具材料,很好的高温强度很好的高温硬度 （否则刀具很快会被磨损和软化）,4.1.1 刀具的基本要求,刀具刃口的锋利程度（能切除极薄的金属层）。钝圆半径 rn rn 越小，刀具越锋利；rn 越小，切削变形越小（要求r
2、n ap，其中ap -切削厚度 ）。,4.1.1 刀具的基本要求,4.1.2典型的刀具材料,研磨： （rn）min= 0.002um（理论上） （rn）min =0.30.08um（我国）,单晶体天然金刚石刀具 (Crude Single Point Diamond Cutter),4.2.1 金刚石晶体构成 4.2.2 金刚石形状 4.2.3 金刚石的特性 4.2.4 人造金刚石,4.2 金刚石刀具材料,金刚石(俗称金刚)是一种矿物名称。化学成分：C，是碳的同素异形体之一， 常含有Cr、Mn、Ti、Mg、Al、Ca、Si、N、B等。金刚石是碳的结晶体。,金刚石,结构最小单元 - 单位晶胞-
3、晶体,4.2.1 金刚石晶体构成,由五个碳原子构成的一个正四面体。,1. 结构最小单元,最小单元中中心的原子，同其他四个锥角顶端的原子保持着等距离（0.154nm）。金刚石为共价键结合，键与键之间的角度为10928。,2. 结构最小单元,许多结构最小单元构成了单位晶胞。一个单位晶胞呈平行六面体形状。,2. 单位晶胞,一个单位晶胞内共有18个原子。分布情况：六面体角点和各个面的中心。晶胞的内部（四个碳原子）。单位晶胞的棱长 为0.356nm。,2. 单位晶胞,单位晶胞有序地排列成晶体。,3.晶体,单晶 结晶时，由一个晶核生长而成，且原子均按同一取向排列的晶体。多晶 结晶后的金属如由许多位向不同的
4、小晶体组成。,关于“晶体”,晶面 晶体的外形表面。网面 晶体结构内部分布有原子的面。面网之间的距离为面网间距。面网的单位表面上的原子数目为面网密度。,关于“晶体”,天然单晶金刚石(crude single point diamond) 一般为八面体和十二面体，有时也会有六面体或其他形式。人造单晶金刚石常常为六面体、八面体和十二面体,4.2.2 金刚石晶体形状,金刚石的八面体对称结构,三个主要晶面： 100-立方体晶面 111-八面体晶面 110-十二面体晶面,1.金刚石晶体的晶面,（1）金刚石晶体的晶面,当用X光对这些晶面垂直照射时，形成的衍射图形上的黑点显示出4次、3次、2次对称现象，故和上
5、述晶面垂直的轴依次称为4次对称轴、 3次对称轴、2次对称轴。,（2）金刚石晶体晶面的衍射特性,晶体的宏观对称,100-立方体晶面（4次对称轴） 111-八面体晶面（3次对称轴） 110-十二面体晶面（2次对称轴）,100 111 110,金刚石晶体的晶面,(111)面网距(100)面网距(110)面网距(111)密度(110)密度(100)密度,2.金刚石晶体的网面,各晶面的硬度和耐磨性,3.金刚石晶体各晶向的性能,111面100面110面,网面密度和面网距离的差异造成的。网面密度，面网距离越大，硬度和耐磨性越好。但是面网距离比网面密度的作用更强。 面网中碳原子共价键密度不同。,各晶面的相对磨
6、削率和研磨方向,金刚石晶体各晶面的耐磨性不同，并且同一晶面不同方向上的耐磨性也具有很大的差异。,好磨方向上：（110）面磨削率（100）面磨削率（111）面磨削率,3.金刚石晶体各晶向的性能,金刚石不同晶向物理性能差别很大;金刚石具有各向异性的特性；金刚石具有解理现象。,4.2.3 金刚石的特性,解理就是晶体受到定向的机械力的作用时，可以沿着一个或多个平整的面劈开（裂开）的特性。解理是沿着晶体某个面容易裂开的纹理，裂开的面叫解理面。,(1)晶体的解理,解理面一般处于原子层间或原子化学键力最弱的方向。解理具有特定的形状，方向和规律。破碎没有一定的方向和规律。 解理不是破碎。,关于晶体的解理,金刚
7、石晶体的解理现象,金刚石的破碎和磨损都和解理现象有关。,金刚石是自然界中最硬的材料。摩(莫)氏硬度10。显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍.,（2） 金刚石的硬度,莫氏硬度计中等级高的矿物可以刻划等级低的矿物。,摩(莫)斯(F.Mohs)的硬度标准:从硬度最小(1级)的滑石到硬度最大(10级)的金刚石。,石膏2 石英7 立方氮化硼9 金刚石10,摩(莫)斯(F.Mohs)硬度,金刚石硬度具有方向性(111-八面体晶面)(110-十二面体晶面)(100-立方体晶面),(2) 金刚石的硬度,金刚石具有极大的弹性模量，是自然界最高的磨削材料，弹性模量达900
8、00kg/mm。金刚石极脆，不能承受正向的外力撞击。,（3）金刚石的刚度、强度,摩擦系数小极高的抗磨能力采用球磨机、锥形磨矿机来分离金刚石（金刚石选矿中）,（4）金刚石的耐磨性,无色透明质纯的金刚石密度为3.52g/cm3；具有包含物时，密度为3.443.53g/cm3。,（5）金刚石的密度,金刚石熔点达4000在空气中燃烧温度为8501000在纯氧中720800燃烧，金刚石发出浅蓝色火焰，并转化成二氧化碳。,（6）金刚石的熔点,热导性 金刚石热导性好，热导率高达669.892009.66W/(m)。热膨胀 热膨胀系数小,（7）金刚石的热性能,金刚石是一种亲油疏水性矿物。 （切削时冷却液的选择
9、很重要）利用油选可将金刚石分离出来（选矿中）。,（8）金刚石亲油疏水、电磁性,金刚石为无磁性重部分矿物(p2.9) 在选矿中不能采用电磁选(中磁性、弱磁性)方法。,（9）金刚石电磁性,金刚石性能综述,天然金刚石较少，目前大多数均通过合成的方法人工制取：人造聚晶金刚石(PCD： Polycrystalline diamond）1955年美国首先用石墨合成金刚石，这是材料合成领域的一项重大成就。,4.2.4 人造金刚石 (Artificial Synthetic Diamond),石墨在高温高压下转变为金刚石。,1. 石墨-金刚石,1. 石墨-金刚石,2.六面顶压机合成金刚石原理,金刚石和钻石属同
10、一物质而又具某些差异。金刚石是矿物名称，钻石是宝石学名称，它们两者的物理、化学性质是同一的。钻石作为一种饰品又增加了切工因素和规范内容，在金刚石、钻石饰品的检测过程中就要针对这些特点采用相应的方法。,3.金刚石与钻石,宝石一般指硬度较大（凡硬度在7级以上)、透明度高、色泽美丽，与空气和许多化学试剂不起反应，产量稀少，极为宝贵的矿物统称为宝石。性优者如：金刚石、红宝石、蓝宝石、黄玉等。质地较差或稍差的如：玛瑙、琥珀、孔雀石、水晶等，常称为饰石而非宝石。,4.金刚石与其他宝石,立方氮化硼- Cubic Boron Nitride，简称CBN。它是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。,4.3 立方氮化硼,立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的一种人工合成无机晶体材料 。,1.立方氮化硼,具有很高的硬度（仅次于金钢石）热稳定性（远高于金钢石） （对铁系金属元素）具有很好的化学惰性（化学稳定性）良好的热导性较低的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数约为0.10.3，比硬质合金的摩擦系数（0.40.6）小得多。,2.立方氮化硼的性能,精密加工对刀具的基本要求。金刚石材料作为精密加工中的刀具材料，从性能上来讲，主要有哪些优点？,思考题,
