1引言 在超精密加工......



1 引言
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，可以刃磨出極其鋒

利的刀刃，被認為是最理想的超精密切削用刀具材料，在機械加工領(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。
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2 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10000HV，其它物理特性見下表。
表 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(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、費用高、操作難度大，而且不易達到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加

工方法。在現(xiàn)實需求的推動下，單晶金剛石超精密切削技術(shù)得以迅速發(fā)展。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 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復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材（尤其是實心木和膠合板、

MDF等復(fù)合材料）。
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。
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度也有明顯差別。金剛石晶體的

微觀強度可用Hertz試驗法來測定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強度數(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，但實驗結(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)來實現(xiàn)。
3.2 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。
（1）人工目測晶體定向
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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，通過觀察和試

驗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行人工目測定向。
（2）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。
（3）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。
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度比抗拉強度大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。
3.4 金剛石刀具的磨、破損
金剛石刀具的磨損機理比較復(fù)雜，可分為宏觀磨損和微觀磨損，前者以機械磨損為主，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