1 前言

    在超精密加工中，包管加工外貌質(zhì)量的重要因素除了高精度的機床、超穩(wěn)固的加工環(huán)境外，高質(zhì)量的刀具也是很緊張的一個方面。天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、強度高、導(dǎo)熱性好、與有色金屬摩擦系數(shù)低、抗黏結(jié)性好以及精良的抗腐化性和化學(xué)穩(wěn)固性，可以刃磨出極其鋒利的刀刃，被以為是最抱負的超精密切削用刀具質(zhì)料，在機器加工范疇尤其是超精密加工范疇有著緊張因素并得到廣泛應(yīng)用。 

 2 單晶金剛石的物理特性

     金剛石是大略碳原子的結(jié)晶體，其晶體布局屬于等軸面心立方晶系（一種原子密度最高的晶系）。由于金剛石中碳原子間的相連鍵為sp3雜化共價鍵，因此具有很強的結(jié)協(xié)力、穩(wěn)固性和方向性。它是如今天然界已知的最硬物質(zhì)，其顯微硬度可達10000HV，別的物理特性見表。
    表1 金剛石的物理性能
    物理性能－數(shù)值
    硬度－60000～100000MPa，隨晶體方向和溫度而定
    抗彎強度－210～490MPa
    抗壓強度－1500～2500MPa
    彈性模量－(9～10.5)×10的12次方MPa
    熱導(dǎo)率－8.4～16.7J/cm·s·℃
    質(zhì)量熱容－0.156J/(g·℃)(常溫)
    開始氧化溫度－900～1000K
    開始石墨化溫度－1800K(在惰性氣體中)
    和鋁合金、黃銅間的摩擦系數(shù)－0.05～0.07(在常溫下)

     二十世紀七十年代后期，在激光核融合技能的切磋中，必要大量加工高精度軟質(zhì)金屬反射鏡，要求軟質(zhì)金屬外貌粗糙度和外形精度到達超精密程度。如采取枯燥的研磨、拋光加工要領(lǐng)，不但加工時間長、用度高、支配難度大，并且不易到達要求的精度。因此，亟需開辟新的加工要領(lǐng)。在實際需求的推動下，單晶金剛石超精密切削技能得以敏捷成長。由于單晶金剛石本身的物理特性，切削時不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工外貌質(zhì)量好，加工有色金屬時，外貌粗糙度可達 Rz0.1～0.05μm。金剛石還能有效地加工非鐵金屬質(zhì)料和非金屬質(zhì)料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結(jié)硬質(zhì)合金、種種纖維和顆粒加強復(fù)合質(zhì)料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和種種耐磨木柴（尤其是實心木和膠合板、MDF等復(fù)合質(zhì)料）。 

 3 天然單晶金剛石刀具的刃磨特點
 

     超精密加工中，單晶金剛石刀具的兩個根本精度是刀刃形狀精度和刃口的鈍圓半徑。要求加工非球面透鏡用的圓弧刀具刃口的圓度為0.05μm以下,加工多面體反射鏡用的刀刃直線度為0.02μm；刀具刃口的鈍圓半徑(ρ值)表現(xiàn)了刀具刃口的鋒利程度，為了合適種種加工要求，刀刃刃口半徑范疇從 20nm～1μm。

    3.1 單晶金剛石刀具的晶面選擇

    金剛石晶體屬于立方晶系，由于每個晶面上原子分列式樣和原子密度的差別以及晶面之間隔斷的差別，造成天然金剛石晶體的各向異性，因此金剛石不但各晶面表現(xiàn)的物理機器性能差別、其制造難易水溫和利用壽命都不雷同，各晶面的微觀破壞強度也有顯然差別。金剛石晶體的微觀強度可用Hertz試驗法來測定，由于金剛石是典范的脆性子料，其強度數(shù)值平常過失較大，重要依賴于應(yīng)力散布的形態(tài)和散布范疇，因此適實用概率論來分析。當作用應(yīng)力雷同時，（110）晶面的破壞概率最大，（111）晶面次之，（100）晶面產(chǎn)生破壞的概率最小。即在外力作用下，（110）晶面最易破壞，（111）晶面次之，（100）最不易破壞。縱然（110）晶面的磨削率高于（100）晶面，但實行結(jié)果證明，（100）晶面較別的晶面具有更高的抗應(yīng)力、腐化和熱退化本領(lǐng)。聯(lián)合微觀強度綜合思考，用（100）面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高質(zhì)量的刀具刃口，不易產(chǎn)生微觀崩刃。

    通常應(yīng)根據(jù)刀具的要求來舉行單晶金剛石刀具的晶面選擇。平常來說，倘若要求金剛石刀具得到最高的強度，應(yīng)選用（100）晶面作為刀具的前、后刀面；倘若要求金剛石刀具抗機器磨損，則選用（110）晶面作為刀具的前、后刀面；倘若要求金剛石刀具抗化學(xué)磨損，則宜采取（110）晶面作刀具的前刀面，（100）晶面作后刀面，大概前、后刀面都采取（100）晶面。這些要求都必要借助晶體定向技能來實現(xiàn)。

    3.2 金剛石刀具的定向要領(lǐng)

    如今，晶體定向重要有三種要領(lǐng)：人工目測晶體定向、激光晶體定向和X射線晶體定向。

    （1）人工目測晶體定向

     該要領(lǐng)是根據(jù)天然晶體外部多少外形、外貌生長、腐化特性及各晶面之間的多少角度干系，依附支配者長期的勞動閱歷，議決查看和試驗所做的大概晶體定向。該要領(lǐng)大略、易行、不必要借助配置，但定向結(jié)果精確性差，對支配者閱歷要求高，且對付議決加工、失往了天然單晶晶體特性的刀具就無法再舉行人工目測定向。

    （2）激光晶體定向

     激光晶體定向是用干系性較好的激光照射到金剛石晶體外貌上，在差別結(jié)晶方向上外貌存在的在生長進程中形成的外形法則的晶面晶紋和微觀凹坑被反射到屏幕上形成特性衍射光圖像。但實際上因受到外界滋擾因素，天然形成的法則晶面晶紋和微觀凹坑每每不顯然或根本無法查看到。因此這種晶體在定向之前，要議決得當?shù)娜斯じ孕纬商匦孕蚊病?

    （3）X射線晶體定向

    由于X射線的波長靠近晶體的晶格常數(shù)，當X射線透過晶體或從晶體外貌反射返來時，會產(chǎn)生衍射。利用這個原理已開辟有專用的X射線晶體定向儀。這種晶體定向要領(lǐng)精度高，但是因X射線對人體有肯定的危害，在利用時需重視對支配職員的保衛(wèi)。

    3.3 金剛石刀具的晶向選擇

     金剛石各向異性，因此不但各晶面的硬度、耐磨性差別，便是統(tǒng)一晶面差別方向的耐磨性也差別。倘若晶向選擇不當，縱然晶面選擇精確，刃磨效果也會大大低落。同時由于金剛石晶體的抗壓強度比抗拉強度大5～7倍，以是在刃磨進程中要選擇晶面的易磨方向，同時刃口要迎著刃磨砂輪線速率的正方向（即采納逆磨），以包管刃磨效果并減小刃口的微觀解理程度。

    3.4 金剛石刀具的磨、破壞

    金剛石刀具的磨損機理比較紛亂，可分為宏觀磨損和微觀磨損，前者以機器磨損為主，后者以熱化學(xué)磨損為主。多見的金剛石刀具磨破壞形態(tài)為前刀面磨損、后刀面磨損和刃口倒塌。在單晶金剛石刀具刃磨進程中，必要其磨損以刃磨出饜足要求的刀具，但若產(chǎn)生了不必要的磨損就大概毀傷已經(jīng)刃磨好的前、后刀面。而刃口倒塌(即崩刃)是在刃口上的應(yīng)力超出金剛石刀具的局部遭受本領(lǐng)時產(chǎn)生的，平常是由金剛石晶體沿（111）晶面的微觀解理破壞造成的。在超精密加工中，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑比較小，其本身又屬于硬脆質(zhì)料，同時由于其各向異性且（111）面易產(chǎn)生解理，隨著振動和砂輪砂粒對刀具刃口的打擊作用，故通常會陪伴產(chǎn)生崩刃表象。

4 刃磨試驗

     試驗在EWAG RS-12磨刀機上舉行。試驗中，由于缺乏有效的晶體定向伎倆，只有議決對報廢刀具的布局分析，大抵鑒定刀具的晶面方向，然后議決刃磨進程中刀具與砂輪外貌的打仗力、打仗聲音等信息，分身砂輪速率、主軸往復(fù)活動速率和擺幅等參數(shù)，細致尋覓刀具得當?shù)娜心ソ嵌取．斎心サ穆曇舯容^煩悶費力、手感機床有較大振動時，應(yīng)立刻退出刀具，禁止刀體毀傷砂輪，并重新調(diào)解角度。調(diào)理得當后，刃磨的聲音比較輕快柔軟，手感機床振動微小，并且連續(xù)上刀0.05mm，機床不會出現(xiàn)振動顛簸。

    議決各次刃磨環(huán)境的比對，確定主切削刃和副切削刃較為剛正的刃磨選向為砂輪旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)指向刃口受壓方向，并與之形成 15～30o角。根據(jù)機床資料并綜合思考質(zhì)料往除率和磨削比率，保舉采取的砂輪速率為8～65m/s。議決試驗發(fā)覺，砂輪速率在22～28m/s時，研磨結(jié)果最佳；速率在15 m/s時刃口的Rt值最小。因此，在實際的刃磨進程中，將刀頭安排在研磨盤φ140左右的地區(qū)內(nèi)，粗磨時選擇砂輪轉(zhuǎn)速為2100rev/min，精磨時選擇砂輪轉(zhuǎn)速為1000rev/min，包管粗磨時的砂輪速率為23m/s左右，精磨時為15 m/s左右。主軸往復(fù)擺動幅度不宜過大，平常比刃磨刀口寬度略寬即可，擺動頻率也不宜過快。

    為得到經(jīng)濟性的刃磨結(jié)果，磨削打仗壓力需隨著刃長的增長而增長。在粗磨時，隨著打仗壓力的舉高，會出現(xiàn)質(zhì)料往除率的正向突變。在超精磨時，質(zhì)料往除率隨打仗壓力的增長先是漸漸舉高，當打仗壓力增長到 180N時，質(zhì)料往除率轉(zhuǎn)而漸漸低落。精拋時刀具與研磨盤之間的打仗壓力在12～14N時最有利于包管刃磨面的外貌光潔度。因此刃磨時刀具與砂輪外貌應(yīng)有得當?shù)拇蛘塘Α４帜r，只管即便采取機床的壓力控制，在對刀之后應(yīng)盡快上刀，并且按住機床變位支配拉桿（該拉桿用于支配勞動臺在勞動位與丈量位之間舉行轉(zhuǎn)換），以包管所需較大打仗力，禁止引起機床振動導(dǎo)致崩刃。