[其他]黑金属及难加工材料的金刚石超精切削工艺

说明书

本发明属于机械制造及加工领域。

长期以来，黑色金属及难加工材料的金刚石超精密切削一直是大家公认的难题。由于金刚石和钢、钛等金属的化学亲和力较强，在切削过程中金刚石的碳向工件表面扩散的较快，因此造成了金刚石车刀的急剧磨损。国外有人试验了富碳气体保护法切削，其基本原理是优先扩散现象，即在切削过程中，和固体金刚石相比，气体中的碳比金刚石的碳更活泼，会首先和工件表面发生反应，以减缓金刚石中碳的扩散，从而达到保护金刚石刀具的目的。但是由于在切削过程中，刀具前刀面和切削层在切削区接触致密，保护气体不能和刀具刃口完全直接接触，因此也就不能完全起到保护作用，还是不可避免地要造成金刚石刀具的磨损，所以气体保护法金刚石切削钢还不能达到应用。〔1〕〔2〕

现代工业的发展，对黑色金属及难加工材料要求加工精度越来越高，但使用传统的超精密切削加工艺难以实现，金刚石刀具价格昂贵，如不能保证其使用寿命，就不能解决材料的加工精度，本发明的目的是提高金刚石刀具的使用寿命，使之可用于黑色金属及难加工材料的超精切削。

金刚石车刀的磨损机理是由于切削温度高，是导致金刚石车刀磨损主要因素之一。从控制切削温度出发，采用了低温液体做为冷却液，来冷却金刚石刀具及工件，从而抑制刀具磨损，使切削可顺利进行。本发明采用液氮（-130--182℃），液体CO₂（-50--76℃）为冷却液，利用压缩空气为动力，将液氮从专门的容器（杜瓦瓶）内抽压出来，经过一个喷嘴，直接浇在切削区内。为了保证一定的尺寸精度，还需解决钢的低温收缩问题，这可通过多次重复试验，用预测其收缩量，从而确定切削量。由于切削过程中刀具和工件的相对运动，还应解决冷却效果的问题，为了保证冷却充分，降低切削温度，本发明采用了两个措施：（1）先对工件进行预冷，即将工件浸泡在液氮中，然后利用其温度梯度，保证切削区温度低于600℃，（2）采用超大流量的低温液体致冷。因为金刚石切削切深较小，当冷却液足够充分时，切削区的热量可通过工件刀具与切屑的及时换热被减少，从而保证切削温度被限制在一定范围，这是因为金刚石车刀在磨损时存在一个临界温度，如果不把切削温度控制在临界温度以下，则不能有效的控制刀具磨损，这是本发明的关键。

本发明可提高金刚石刀具的寿命，其经济效益十分明显，根据国家现行价格，一把一级1.5克拉左右的金刚石车刀2，600元，如提高寿命十倍，就可节约两万余元，全国每年金刚石车刀需要数百把，共节约价值可超过百万元。更为重要的是应用本方法可进行过去根本无法实现的黑色金属及难加工材料的超精密切削。

实施例：

超低温切削钢，工件材料45^＃钢，正火状态，工件直径φ50mm，机床S1-25S高精度车床，转速n＝200n/min，走刀量S＝0.5/min，吃刀深度T＝1～10μm，刀具：天然金刚石单晶车刀。寿命比较：常温切削1分钟刀具磨损量达0.01mm，加工表面精度明显变坏，使得切削无法进行，采用本工艺在达10-20分钟的切削中，切削表面光洁度无明显变化，用普通的显微镜难以观察到刀具的磨损，切削过程稳定，刀具寿命提高10-20倍，足以维持切削的顺利进行，其加工精度可控制0.005mm，表面粗糙度为0.04μm。