UPC超精金刚石刀具采用超精磨削技术制备

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分析超精金刚石刀具的超精加工技术

超精金刚石刀具实现模具超精加工关键要素之一。本文对日本Allied Diamond株式会社生产UPC（Ultra Precision Cutting Tool）Tuck Point Blade超精金刚石刀具性能、超精切削不同工件材料时刀具磨损状态及加工实例作一介绍。


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! D; a' A/ C5 V. z　　1.UPC超精金刚石刀具性能
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8 ~3 i6 t: [, k　　单晶金刚石具有碳原子间以共价键牢固结合立方晶体结构，其晶格常数为3.567埃，结合原子间距离为1.544埃。由于单晶金刚石原子结构特点，将其作为刀具材料能获得其它材料所不具备优异硬度平滑、锋利切削刃。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超精加工。
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　　为了满足模具超精加工要求，切削深度应设定纳米级范围内。为此，对切削刀具要求为：①刀尖圆弧半径R达到数十纳米锋利程度；②切削刃棱线平滑度达到纳米级水平。采用与刀尖圆弧半径大小相同切深进行加工时，不易损伤工件工作面，加工平稳，排屑流畅，因工件弹性变形引起切削厚度变化也极小，能实现超精加工。
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% g# p! \/ t) _* ]. y5 O　　2.UPC刀具加工不同工件材料磨损状态差异

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. |# y2 C: M1 }$ r. U* J1 f　　金刚石刀具热化学磨损状态根据被加工材料种类不同而有很大差异。超精密车床上使用刀尖角130Tuck Point Blade°直线切削刃超精金刚石车刀对无氧铜纯铝进行端面车削后,Travel qingdao，刀尖磨损状态表明，切削无氧铜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#x；切削纯铝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。从这些磨损状态差异可以看出各不相同磨损机理：切削铜时，刀具前刀面产生月牙洼磨损由于铜触媒作用使金刚石氧化而引起，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），故不会产生前刀面月牙洼磨损。


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( I% Y# T6 T" b4 o; A: ~　　由于不同工件材料热化学现象不同，刀具磨损状态也不同，因此应根据不同种类工件材料来设计合理刀具前角与后角。



　　3.UPC-R超精金刚石刀具加工实例

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6 `2 p2 X3 h5 b  K$ z" ^: S3 g　　UPC-R一种采用圆弧切削刃UPC超精金刚石刀具，其典型用途用于DVDTuck Point Blade等非球面镜模具超精加工。UPC-R刀具圆弧切削刃轮廓精度小于50nm，目前世界上最高精度；圆弧R仅为5μm，也世界上最小。使用UPC-R超精金刚石刀具CNC两坐标超精密机床上加工非球面镜模具加工要点包括：①如何连续形成薄而稳定切屑并流畅排出；②工件旋转时应具有高水平动平衡性能；③工件能精确地定心；④切削液稳定供给等。由于加工钢时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超精加工。但如果钢模具表面用非电解方法镀上数十微米至数百微米厚镍镀层，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非晶质镀层。



　　4.UPC-T超精金刚石刀具加工实例



& o0 D: [2 b) g1 B　　UPC-T一种采用三角切削刃UPC超精金刚石刀具，主要用于菲涅尔透镜模具液晶导光板等衍射光栅模具超精加工。近年来，光学元件高精密化、小型化集成化发展迅速，从非球面透镜到能够实现薄型轻量化、集成化菲涅尔透镜，对超精加工技术要求越来越高。本加工模式用1把UPC-T#x超精金刚石刀具超精加工微细光栅部分非球面形状实例，因此要求车刀刀尖切削刃R＜100nm并具有优异切削性能。UPC-T刀尖切削刃为50nm微小切削刃，能够实现超精加工。
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" E7 Y' r! V2 S! q* c6 ^5 E4 C　　用超精金刚石刀具加工模具已发展为透镜模具加工不可缺少加工方法。今后，随着模具品位提高对成型零件高精密化、多功能化市场需求不断高涨，以及医疗生物学领域模具加工需求增长，将不断推进新型刀具开发。


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