单晶金刚石刀具刃磨特点的研究

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1引言 在超精密加工......



1 引言
在超精密加工中，保证加工表面质量的主要因素除了高精度的机床、超稳定的加工环境外，高质量的刀具也是很重要的一个方面。天然金

刚石具有硬度高、耐磨性好、强度高、导热性好、与有色金属摩擦系数低、抗黏结性好以及优良的抗腐蚀性和化学稳定性，可以刃磨出极其锋

利的刀刃，被认为是最理想的超精密切削用刀具材料，在机械加工领域尤其是超精密加工领域有着重要地位并得到广泛应用。
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2 单晶金刚石的物理特性
金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构属于等轴面心立方晶系（一种原子密度最高的晶系）。由于金刚石中碳原子间的连接键为sp3

杂化共价键，因此具有很强的结合力、稳定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物质，其显微硬度可达10000HV，其它物理特性见下表。
表 金刚石的物理性能
物理性能－数值
硬度－60000～100000MPa，随晶体方向和温度而定
抗弯强度－210～490MPa
抗压强度－1500～2500MPa
弹性模量－(9～10.5)×10的12次方MPa
热导率－8.4～16.7J/cm·s·℃
质量热容－0.156J/(g·℃)(常温)
开始氧化温度－900～1000K
开始石墨化温度－1800K(在惰性气体中)
和铝合金、黄铜间的摩擦系数－0.05～0.07(在常温下)
二十世纪七十年代后期，在激光核融合技术的研究中，需要大量加工高精度软质金属反射镜，要求软质金属表面粗糙度和形状精度达到

超精密水平。如采用传统的研磨、抛光加工方法，不仅加工时间长、费用高、操作难度大，而且不易达到要求的精度。因此，亟需开发新的加

工方法。在现实需求的推动下，单晶金刚石超精密切削技术得以迅速发展。由于单晶金刚石本身的物理特性，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，

加工表面质量好，加工有色金属时，表面粗糙度可达 Rz0.1～0.05μm。金刚石还能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色

金属及其合金、陶瓷、未烧结硬质合金、各种纤维和颗粒加强复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材（尤其是实心木和胶合板、

MDF等复合材料）。
3 天然单晶金刚石刀具的刃磨特点
超精密加工中，单晶金刚石刀具的两个基本精度是刀刃轮廓精度和刃口的钝圆半径。要求加工非球面透镜用的圆弧刀具刃口的圆度为

0.05μm以下,加工多面体反射镜用的刀刃直线度为0.02μm；刀具刃口的钝圆半径(ρ值)表示了刀具刃口的锋利程度，为了适应各种加工要求

，刀刃刃口半径范围从 20nm～1μm。
3.1 单晶金刚石刀具的晶面选择
金刚石晶体属于立方晶系，由于每个晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之间距离的不同，造成天然金刚石晶体的各向异性，

因此金刚石不仅各晶面表现的物理机械性能不同、其制造难易程度和使用寿命都不相同，各晶面的微观破损强度也有明显差别。金刚石晶体的

微观强度可用Hertz试验法来测定，由于金刚石是典型的脆性材料，其强度数值一般偏差较大，主要依赖于应力分布的形态和分布范围，因此

适合用概率论来分析。当作用应力相同时，（110）晶面的破损概率最大，（111）晶面次之，（100）晶面产生破损的概率最小。即在外力作

用下，（110）晶面最易破损，（111）晶面次之，（100）最不易破损。尽管（110）晶面的磨削率高于（100）晶面，但实验结果表明，（100

）晶面较其它晶面具有更高的抗应力、腐蚀和热退化能力。结合微观强度综合考虑，用（100）面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高质量的刀

具刃口，不易产生微观崩刃。
通常应根据刀具的要求来进行单晶金刚石刀具的晶面选择。一般来说，如果要求金刚石刀具获得最高的强度，应选用（100）晶面作为刀

具的前、后刀面；如果要求金刚石刀具抗机械磨损，则选用（110）晶面作为刀具的前、后刀面；如果要求金刚石刀具抗化学磨损，则宜采用

（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。这些要求都需要借助晶体定向技术来实现。
3.2 金刚石刀具的定向方法
目前，晶体定向主要有三种方法：人工目测晶体定向、激光晶体定向和X射线晶体定向。
（1）人工目测晶体定向
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该方法是根据天然晶体外部几何形状、表面生长、腐蚀特征及各晶面之间的几何角度关系，凭借操作者长期的工作经验，通过观察和试

验所做的粗略晶体定向。该方法简单、易行、不需要借助设备，但定向结果准确性差，对操作者经验要求高，且对于经过加工、失去了天然单

晶晶体特征的刀具就无法再进行人工目测定向。
（2）激光晶体定向
激光晶体定向是用相干性较好的激光照射到金刚石晶体表面上，在不同结晶方向上表面存在的在生长过程中形成的形状规则的晶面晶纹

和微观凹坑被反射到屏幕上形成特征衍射光图像。但实际上因受到外界干扰因素，自然形成的规则晶面晶纹和微观凹坑往往不明显或根本无法

观察到。因此这种晶体在定向之前，要经过适当的人工腐蚀，以形成特征形貌。
（3）X射线晶体定向
由于X射线的波长接近晶体的晶格常数，当X射线透过晶体或从晶体表面反射回来时，会发生衍射。利用这个原理已开发有专用的X射线晶

体定向仪。这种晶体定向方法精度高，但是因X射线对人体有一定的危害，在使用时需注重对操作人员的保护。
3.3 金刚石刀具的晶向选择
金刚石各向异性，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。如果晶向选择不当，即使晶面选择正

确，刃磨效率也会大大降低。同时由于金刚石晶体的抗压强度比抗拉强度大5～7倍，所以在刃磨过程中要选择晶面的易磨方向，同时刃口要迎

着刃磨砂轮线速度的正方向（即采取逆磨），以保证刃磨效率并减小刃口的微观解理程度。
3.4 金刚石刀具的磨、破损
金刚石刀具的磨损机理比较复杂，可分为宏观磨损和微观磨损，前者以机械磨损为主，后者以热化学磨损为主。常见的金刚石刀具磨破损

形态为前刀面磨损、后刀面磨损和刃口崩裂。在单晶金刚石刀具刃磨过程中，需要其磨损以刃磨出满足要求的刀具，但若产生了不需要的磨损

就可能损伤已经刃磨好的前、后刀面。而刃口崩裂(即崩刃)是在刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受能力时发生的，一般是由金刚石晶体