在超精密加工中，保證加工表面質(zhì)量的主要因素除了高精度的機(jī)床、超穩(wěn)定的加工環(huán)境外，高質(zhì)量的刀具也是很重要的一個方面。天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、與有色金屬摩擦系數(shù)低、抗黏結(jié)性好以及優(yōu)良的抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以磨出極其鋒利的刀刃，被認(rèn)為是最理想的超精密切削用刀具材料，在機(jī)械加工領(lǐng)域尤其是超精密加工領(lǐng)域有著重要地位并得到廣泛應(yīng)用。

      單晶金剛石的物理特性

      金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體，其晶體結(jié)構(gòu)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連接鍵為sp3雜化共價鍵，因此具有很強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物質(zhì)，其顯微硬度可達(dá)10000HV，其它物理特性見以下內(nèi)容。

      金剛石的物理性能講解

      物理性能-數(shù)值

      硬度-60000～100000MPa，隨晶體方向和溫度而定

      抗彎強(qiáng)度-210～490MPa

      抗壓強(qiáng)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）

      加工方法

      二十世紀(jì)七十年代后期，在激光核融合技術(shù)的研究中，需要大量加工高精度軟質(zhì)金屬反射鏡，要求軟質(zhì)金屬表面粗糙度和形狀精度達(dá)到超精密水平。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法，不僅加工時間長、費(fèi)用高、操作難度大，而且不易達(dá)到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實(shí)需求的推動下，單晶金剛石超精密切削技術(shù)得以迅速發(fā)展。

      優(yōu)勢

      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，加工表面質(zhì)量好，加工有色金屬時，表面粗糙度可達(dá)Rz0.1～0.05μm。金剛石還能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結(jié)硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材（尤其是實(shí)心木和膠合板、MDF等復(fù)合材料）。

      天然單晶金剛石刀具的刃磨特點(diǎn)

      超精密加工中，單晶金剛石刀具的兩個基本精度是刀刃輪廓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）表示了刀具刃口的鋒利程度，為了適應(yīng)各種加工要求，刀刃刃口半徑范圍從20nm～1μm。

      單晶金剛石刀具的晶面選擇

      金剛石晶體屬于平面立方晶系，由于每個晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之間距離的不同，造成天然金剛石晶體的各向異性，因此金剛石不僅各晶面表現(xiàn)的物理機(jī)械性能不同、其制造難易程度和使用壽命都不相同，各晶面的微觀破損強(qiáng)度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強(qiáng)度可用Hertz試驗(yàn)法來測定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強(qiáng)度數(shù)值一般偏差較大，主要依賴于應(yīng)力分布的形態(tài)和分布范圍，因此適合用概率論來分析。當(dāng)作用應(yīng)力相同時，（110）晶面的破損概率最大，（111）晶面次之，（100）晶面產(chǎn)生破損的概率最小。即在外力作用下，（110）晶面最易破損，（111）晶面次之，（100）最不易破損。盡管（110）晶面的磨削率高于（100）晶面，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，（100）晶面較其它晶面具有更高的抗應(yīng)力、腐蝕和熱退化能力。結(jié)合微觀強(qiáng)度綜合考慮，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)刀具的要求來進(jìn)行單晶金剛石刀具的晶面選擇。一般來說，如果要求金剛石刀具獲得最高的強(qiáng)度，應(yīng)選用（100）晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗機(jī)械磨損，則選用（110）晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗化學(xué)磨損，則宜采用（110）晶面作刀具的前刀面，（100）晶面作后刀面，或者前、后刀面都采用（100）晶面。這些要求都需要借助晶體定向技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

      金剛石刀具的定向方法

      目前，晶體定向主要有三種方法：人工目測晶體定向、激光晶體定向和X射線晶體定向。

      人工目測晶體定向

      該方法是根據(jù)天然晶體外部幾何形狀、表面生長、腐蝕特征及各晶面之間的幾何角度關(guān)系，憑借操作者長期的工作經(jīng)驗(yàn)，通過觀察和試驗(yàn)所做的粗略晶體定向。該方法簡單、易行、不需要借助設(shè)備，但定向結(jié)果準(zhǔn)確性差，對操作者經(jīng)驗(yàn)要求高，且對于經(jīng)過加工、失去了天然單晶晶體特征的刀具就無法再進(jìn)行人工目測定向。

      激光晶體定向

      激光晶體定向是用相干性較好的激光照射到金剛石晶體表面上，在不同結(jié)晶方向上表面存在的在生長過程中形成的形狀規(guī)則的晶面晶紋和微觀凹坑被反射到屏幕上形成特征衍射光圖像。但實(shí)際上因受到外界干擾因素，自然形成的規(guī)則晶面晶紋和微觀凹坑往往不明顯或根本無法觀察到。因此這種晶體在定向之前，要經(jīng)過適當(dāng)?shù)娜斯じg，以形成特征形貌。

      X射線晶體定向

      由于X射線的波長接近晶體的晶格常數(shù)，當(dāng)X射線透過晶體或從晶體表面反射回來時，會發(fā)生衍射。利用這個原理已開發(fā)有專用的X射線晶體定向儀。這種晶體定向方法精度高，但是因X射線對人體有一定的危害，在使用時需注重對操作人員的保護(hù)。

      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、耐磨性不同，就是同一晶面不同方向的耐磨性也不同。如果晶向選擇不當(dāng)，即使晶面選擇正確，刃磨效率也會大大降低。同時由于金剛石晶體的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大5～7倍，所以在刃磨過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度的正方向（即采取逆磨），以保證刃磨效率并減小刃口的微觀解理程度。

      金剛石刀具的磨、破損

      金剛石刀具的磨損機(jī)理比較復(fù)雜，可分為宏觀磨損和微觀磨損，前者以機(jī)械磨損為主，后者以熱化學(xué)磨損為主。常見的金剛石刀具磨破損形態(tài)為前刀面磨損、后刀面磨損和刃口崩裂。在單晶金剛石刀具刃磨過程中，需要其磨損以刃磨出滿足要求的刀具，但若產(chǎn)生了不需要的磨損就可能損傷已經(jīng)刃磨好的前、后刀面。而刃口崩裂（即崩刃）是在刃口上的應(yīng)力超過金剛石刀具的局部承受能力時發(fā)生的，一般是由金剛石晶體沿（111）晶面的微觀解理破損造成的。在超精密加工中，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑比較小，其本身又屬于硬脆材料，同時由于其各向異性且（111）面易發(fā)生解理，隨著振動和砂輪砂粒對刀具刃口的沖擊作用，故常常會伴隨產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。

      刃磨試驗(yàn)

      試驗(yàn)在EWAG RS-12磨刀機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中，由于缺乏有效的晶體定向手段，只有通過對報廢刀具的結(jié)構(gòu)分析，大致判定刀具的晶面方向，然后通過刃磨過程中刀具與砂輪表面的接觸力、接觸聲音等信息，兼顧砂輪速度、主軸往復(fù)運(yùn)動速度和擺幅等參數(shù)，仔細(xì)尋找刀具合適的刃磨角度。當(dāng)刃磨的聲音比較沉悶吃力、手感機(jī)床有較大振動時，應(yīng)立即退出刀具，避免刀體損傷砂輪，并重新調(diào)整角度。調(diào)節(jié)適當(dāng)后，刃磨的聲音比較輕快柔軟，手感機(jī)床振動微小，并且連續(xù)上刀0.05mm，機(jī)床不會出現(xiàn)振動波動[1]  。

      通過各次刃磨情況的比對，確定主切削刃和副切削刃較為合理的刃磨選向?yàn)樯拜喰D(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(jī)床資料并綜合考慮材料去除率和磨削比率，推薦采用的砂輪速度為8～65m/s。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂輪速度在22～28m/s時，研磨效果最好；速度在15 m/s時刃口的Rt值最小。因此，在實(shí)際的刃磨過程中，將刀頭放置在研磨盤φ140左右的區(qū)域內(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，保證粗磨時的砂輪速度為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，一般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(jì)性的刃磨效果，磨削接觸壓力需隨著刃長的增加而增加。在粗磨時，隨著接觸壓力的升高，會出現(xiàn)材料去除率的正向突變。在超精磨時，材料去除率隨接觸壓力的增加先是逐漸升高，當(dāng)接觸壓力增加到180N時，材料去除率轉(zhuǎn)而逐漸降低。精拋時刀具與研磨盤之間的接觸壓力在12～14N時最有利于保證刃磨面的表面光潔度。因此刃磨時刀具與砂輪表面應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕佑|力。粗磨時，盡量采用機(jī)床的壓力控制，在對刀之后應(yīng)盡快上刀，并且按住機(jī)床變位操縱拉桿（該拉桿用于操縱工作臺在工作位與測量位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換），以保證所需較大接觸力，避免引起機(jī)床振動導(dǎo)致崩刃。

      單晶金剛石刀具的加工論文節(jié)選

      1 單晶金剛石刀具的選料與定向

      制作單晶金剛石刀具第1 步工作就是選料，根據(jù)不同的加工條件、方法，選擇合適的原材料不僅可以保證刀具的質(zhì)量，而且可以避免浪費(fèi)金剛石原材料而增加加工成本。一般刀具用金剛石原材料要求晶體完整、無裂痕，晶體表面應(yīng)該盡量平整，最小直徑一般應(yīng)不小于4 mm ,重量為0. 7～3 ct[2]  。

      由于刀具的要求，或金剛石形狀所決定，有時候需要將金剛石原石分割。金剛石具有平行完全解理，金剛石中的碳原子與碳原子之間是以較大力量的共價鍵結(jié)合在一起的。但是在金剛石結(jié)構(gòu)中的某些特定方向，如平行八面體面方向施加一定的力后，金剛石非常容易破裂，主要是因?yàn)榻饎偸w中連接此面的鍵相對較少。因此選擇金剛石的解理面進(jìn)行分割原石，劈開的方法如圖1 所示。在需要劈開的金剛石上開出一條稱為切縫的槽或刻痕。劈開的技巧在于知道從哪里開縫以及要切多深。切縫要想磨出一把高質(zhì)量單晶金剛石刀具，必須掌握單晶金剛石的晶體定向技術(shù)。這主要是由于單晶金剛石的各向異性的特點(diǎn)決定的，金剛石的各個方

      向上的硬度差別很大。要選擇合適的晶面和晶向作為刀具的前刀面、后刀面，即刀刃，使其耐磨性和加工性能達(dá)到最好。金剛石晶體各界面在好磨方向上， 晶面的磨削率最低， 晶面次之， 晶面磨削率最高。由于 晶面硬度太高，研磨加工困難，而且微觀強(qiáng)度不高，易解理，很難磨出鋒利刃口。晶面在好磨方向上磨削率比晶面高近一倍， 但從金剛石不同晶面產(chǎn)生破損的機(jī)率來適用各種型號的電機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)。對于不同的電機(jī)只需調(diào)整相應(yīng)閥值即可。

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