解密超精金剛石刀具的超精加工技術

    超精金剛石刀具是實現模具超精加工的關鍵要素之一。本文對日本AlliedDiamond株式會社生產的UPC（UltraPrecisionCuttingTool）超精金剛石刀具的性能、超精切削不同工件材料時刀具的磨損狀態及加工實例作一介紹。

    1.UPC超精金剛石刀具的性能

    單晶金剛石具有碳原子間以共價鍵牢固結合的立方晶體結構，其晶格常數為3.567埃，結合原子間的距離為1.544埃。由于單晶金剛石原子結構的特點，將其作為刀具材料能獲得其它材料所不具備的優異硬度和平滑、鋒利的切削刃。UPC超精金剛石刀具采用超精磨削技術制備，可最大限度地發揮材料特性，獲得平滑鋒利性與耐磨性兼備的切削刃，與超精加工機床匹配能實現高精度非球面形狀及微細形狀的超精加工。

    為了滿足模具超精加工的要求，切削深度應設定在納米級范圍內。為此，對切削刀具的要求為：①刀尖圓弧半徑R達到數十納米的鋒利程度；②切削刃棱線的平滑度達到納米級水平。采用與刀尖圓弧半徑大小相同的切深進行加工時，不易損傷工件的工作面，加工平穩，排屑流暢，因工件彈性變形引起的切削厚度變化也極小，能實現超精加工。

   2.UPC刀具加工不同工件材料的磨損狀態差異

   金剛石刀具的熱化學磨損狀態根據被加工材料種類的不同而有很大差異。在超精密車床上使用刀尖角130°的直線切削刃超精金剛石車刀對無氧銅和純鋁進行端面車削后，刀尖的磨損狀態表明，切削無氧銅的刀具前刀面產生了月牙洼磨損，但切削刃棱線仍保持鋒利狀態；切削純鋁的刀具切削刃棱線磨損變為圓弧刃，但前刀面未發現月牙洼磨損。從這些磨損狀態的差異可以看出各不相同的磨損機理：切削銅時，刀具前刀面產生月牙洼磨損是由于銅的觸媒作用使金剛石氧化而引起的，而刀具切削刃棱線因與工件無間隙地完全接觸而未產生氧化磨損；切削鋁時，由于工作表面與刀具表面直接接觸而生成碳化鋁，工件材料被切削刃切除而使切削刃產生磨損，但因磨損擴展方向與切削銅時相反（從切削刃向后刀面擴展），故不會產生前刀面的月牙洼磨損。

    由于不同工件材料的熱化學現象不同，刀具的磨損狀態也不同，因此應根據不同種類的工件材料來設計合理的刀具前角與后角。

   3.UPC-R超精金剛石刀具加工實例

    UPC-R是一種采用圓弧切削刃的UPC超精金剛石刀具，其典型用途是用于DVD等非球面鏡模具的超精加工。UPC-R刀具圓弧切削刃的輪廓精度小于50nm，是目前世界上最高的精度；圓弧R僅為5μm，也是世界上最小的。使用UPC-R超精金剛石刀具在CNC兩坐標超精密機床上加工非球面鏡模具的加工要點包括：①如何連續形成薄而穩定的切屑并流暢排出；②工件旋轉時應具有高水平的動平衡性能；③工件能精確地定心；④切削液的穩定供給等。由于加工鋼時的熱化學反應會使金剛石石墨化并向工件擴散，因此UPC金剛石刀具不適合鋼模具的超精加工。但如果在鋼模具表面用非電解方法鍍上數十微米至數百微米厚的鎳鍍層，則可用UPC金剛石刀具進行超精加工。關于涂鍍質量，應選擇不會產生氣孔、偏析等結晶構造缺陷的非晶質鍍層。

    4.UPC-T超精金剛石刀具加工實例

    UPC-T是一種采用三角切削刃的UPC超精金剛石刀具，主要用于菲涅爾透鏡模具和液晶導光板等衍射光柵模具的超精加工。

    近年來，光學元件的高精密化、小型化和集成化發展迅速，從非球面透鏡到能夠實現薄型輕量化、集成化的菲涅爾透鏡，對超精加工技術的要求越來越高。本加工模式是用1把UPC-T超精金剛石刀具超精加工微細光柵部分和非球面形狀的實例，因此要求車刀刀尖切削刃R＜100nm并具有優異的切削性能。UPC-T的刀尖切削刃為50nm的微小切削刃，能夠實現超精加工。

    用超精金剛石刀具加工模具已發展為透鏡模具加工中不可缺少的加工方法。今后，隨著模具品位的提高和對成型零件高精密化、多功能化的市場需求不斷高漲，以及醫療和生物學領域模具加工需求的增長，將不斷推進新型刀具的開發。