CVD金刚石刀具的应用及其前景

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一、主要性能指标

1. -机械性能

CVD金刚石-刀具机械性能见表1。 8 L k& ^- Y9 W8 O5 |

由于CVD 金刚石（CVDD）为100%纯金刚石，其晶粒之间的间隙为基团间隙，而PCD是通过添加Co、Ni、Cu等金属结合剂高温高压而成，故二者是有区别的。单晶金刚石其价格昂贵，且受其几何尺寸大小和性能（解理—方向性）的限制，无法大量应用于品种多样的工具。 ! ~3 l- p6 a* C" u6 j4 ]9 u% ^7 [- V. H6 S0 x* \. k: @: E* q& @& a7 Z: b/ j o0 S: o* L9 P9 }( e. j* p' e t# k% [+ \$ } \* Q8 G, G

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2. CVDD、PCD刀具的性能比较

CVDD、PCD刀具的性能比较见表2。

1. CVDD刀具刀刃强度高，具有接近于单晶金刚石刀具的抗冲击性能，能制作具有各种尺寸的刀具；
2. CVDD刀具耐磨性好，耐用度比硬质合金高100 倍以上； 8 v y% X& {) E
3. 用单晶金刚石刀具的研磨方法将刃部精细研磨抛光至Ra0.05 µm以下，工件表面可达到镜面； 7 P5 f* `2 b W9 [7 n4 y
4. 热导率5～10W/cm·K在干切过程中，可将刀尖的热量及时扩散，减少对工件表面损伤，降低刀具使用温度以及提高刀具寿命。

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二、CVDD刀具在机械加工中的应用

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CVDD包括工具（主要是机械加工）、热学应用等方面。目前，CVDD的产品主要有如下几类：

1. CVDD普通刀具，高精度刀具； " s* P l3 C% j
2. CVDD砂轮修整笔；
3. CVDD拉丝模及成品模具； , G; l+ w: O2 o, L9 y/ O! g
4. CVDD新型高压、水射流耐磨喷嘴；
5. CVDD强化木地板加工工具；
6. CVDD精密轴承支撑器及耐磨器件等。

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CVDD不含任何金属或非金属添加剂，机械性能兼具单晶金刚石和PCD 的优点，又在一定程度上克服了它们的不足。大量实践表明，焊接型CVDD工具的使用寿命超过PCD 工具，其抗冲击性优于单晶金刚石膜。因此，CVDD被认为是非铁类材料加工工业中理想的工具材料，如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨以及各种增强玻璃纤维和碳纤维结构材料的加工等。 : a) D# T$ F6 D

1. CVDD刀具用于金属切削加工

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CVDD可用于制作车刀、铣刀、刨刀、趟刀等机械加工刀具。

近两年来，各种型号的金刚石膜车刀、键刀已在国内几十家企业使用，并正向国外推广，其应用情况如下： " h1 y6 J5 X) u- {* o

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1. 代替硬质合金刀具，工效提高十几倍到百倍，降低了劳动强度，工件加工精度明显提高，表面粗糙度显著降低。
2. 超硬材料和有机复合材料的理想加工刀具；
3. 和PCD 刀具相比，CVDD刀具表面粗造度低，刃口好；
4. 在一些领域可代替天然金刚石刀具。

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就国内汽车行业中使用的硅铝合金材料来看，含硅量在12%左右，一方面由于其材质不均匀，有硬点，目前PCD刀具占有绝大部分市场，CVDD的份额微乎其微，如轮毅刀具、槽加工刀具等。另一方面，由于现在的CVDD不导电，而PCD导电的性能，使二者在刀具的制作工艺上存在差别，PCD可用电加工方式加工，而CVDD却不行，若能很好地解决CVDD刀具制作工艺问题，则可与PCD刀具在汽车行业中一争高下。 9 H% n& c7 V; Z; N& l2 P+ W W

实践表明，CVDD刀具采用正确的几何角度，经过精研完全能作为有色金属及超硬材料的精密切削刀具，如车削紫铜的电机刀（也称整流子刀）等。曾经做过试验，条件如下： : @2 ?% }( l8 M7 m2 N

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1. 刀具：CVDD车刀，刀尖修光刃L=1mm，前角8°，后角8°，主偏角60°，刃口粗糙度Ra0.1µm;
2. 机床：CJ6125 ; 1 l0 R" t( K7 D" m& N
3. 环境：精密加工实验室；
4. 工件材料：含硅8%的硅铝合金，紫铜； 9 K8 i( b- n' X5 M2 A
5. 切削参数：n=1400r/min , f=4mm/min, a_p=0.015mm/r

在上述试验条件下，车削加工后工件的粗糙度Ra0.012µm ，这是PCD产品所无法达到的。由此可见，CVDD刀具可以达到以车代磨的效果，加工到镜面粗糙度，而其成本远低于天然金刚石（单晶金刚石）刀具。 , V, v7 R6 p6 w+ }2 f( N$ w: a n

2. CVDD用于非金属加工

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CVDD以其高耐磨性，在木工刀具方面也广受欢迎。如时下正热的木地板行业，由于Al₂O₃强化木地板的性能优于三聚氢胺木地板，其耐磨层更坚硬，硬质合金刀具加工Al₂O₃强化木地板已无能为力，必须使用金刚石刀具。两年来的市场调查结果显示，CVDD是优质的木工刀具材料。 1 ] c7 Y6 g2 O

对于石材等硬脆材料、玻璃纤维、碳复合材料及有机复合材料的加工，CVDD是理想的刀具材料。 / n7 l* Y+ ]3 Z5 U; c3 v

3. 高精度刀具

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普通刀具材料（如高速钢）和硬质合金材料因受其本身性能（如耐磨性、硬度等）影响，很难达到很高精度，如制版行业用的制版精修刀、首饰行业用的首饰刀（俗称劈花刀）等。这类刀具要求其本身的精度很高和表面粗糙度很低（粗糙度Ra0.05µm ） ，利用高精度研磨机（主轴跳动为0.1µm ） ，制成了表面粗糙度Ra0 .05µm 的CVDD精密刀具，其尺寸精度为5µm，现已用于制版加工和防伪商标加工，效果良好，工件表面粗糙度可达Ra0.012µm 。 $ @1 p0 a, D4 A/ }5 m" x/ q

目前，CVDD刀具已广泛应用于超精加工、精加工、半精加工和连续切削，耐磨性比PCD刀具高2～10倍，其性能价格比优于其它金刚石刀具。

据1998年外刊报导，切削用CVDD刀片的市场约为1.5亿美元。

三、CVDD刀具的应用前景

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CVDD膜的制造成本图

1. 据2000年De-Beers公司资料显示，新型的导电型的CVDD即将出现，故CVDD的加工工艺也会发生变化，可能用电加工方式代替传统的激光加工和磨削加工的方式，使其在复杂形状刀具、成形刀具方面广泛应用。另外，涂层金刚石工具的出现及使用，也将推动CVDD在机械加工方面的应用。如国内有上海交通大学的涂层刀具，国外有美国的SP3公司的P1-diamoiid涂层刀具等。 " I. q5 |, ]. O! ?+ w
2. 随着CVDD制作成本进一步降低（见附图）在各方面的应用将会越来越广泛。

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金刚石材料被誉为21 世纪的材料，在这个超精密加工的时代，应该用好金刚石材料，开发出更多更好的刀具。

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