1 前言
在超精密加工中，包管加工外貌質量的重要因素除了高精度的機床、超穩固的加工環境外，高質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、導熱性好、與有色金屬摩擦係數低、抗黏結性好以及精良的抗腐化性和化學穩固性，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料，在機器加工範疇尤其是超精密加工範疇有著緊張因素並得到廣泛應用。
2 單晶金剛石的物理特性
金剛石是大略碳原子的結晶體，其晶體布局屬於等軸面心立方晶系（一種原子密度最高的晶系）。由於金剛石中碳原子間的相連鍵為sp3雜化共價鍵，因此具有很強的結協力、穩固性和方向性。它是如今天然界已知的最硬物質，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
熱導率－8.4～16.7J/cm·s·℃
質量熱容－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、黃銅間的摩擦係數－0.05～0.07(在常溫下)
二十世紀七十年代後期，在激光核融合技能的切磋中，必要大量加工高精度軟質金屬反射鏡，要求軟質金屬外貌粗糙度和外形精度到達超精密程度。如採取枯燥的研磨、拋光加工要領，不但加工時間長、用度高、支配難度大，並且不易到達要求的精度。因此，亟需開闢新的加工要領。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。由於單晶金剛石本身的物理特性，切削時不易黏刀及產生積屑瘤，加工外貌質量好，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料和非金屬質料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結硬質合金、種種纖維和顆粒加強複合質料、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等複合質料）。
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，刀刃刃口半徑範疇從 20nm～1μm。
3.1 單晶金剛石刀具的晶面選擇
金剛石晶體屬於立方晶系，由於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的物理機器性能差別、其製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，由於金剛石是典範的脆性子料，其強度數值平常過失較大，重要依賴於應力散布的形態和散布範疇，因此適實用概率論來分析。當作用應力雷同時，（110）晶面的破壞概率最大，（111）晶面次之，（100）晶面產生破壞的概率最小。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）晶面的磨削率高於（100）晶面，但實行結果證明，（100）晶面較別的晶面具有更高的抗應力、腐化和熱退化本領。聯合微觀強度綜合思考，用（100）面做刀具的前後刀面，容易刃磨出高質量的刀具刃口，不易產生微觀崩刃。
通常應根據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磨損，則宜採取（110）晶面作刀具的前刀面，（100）晶面作后刀面，大概前、后刀面都採取（100）晶面。這些要求都必要藉助晶體定向技能來實現。
3.2 金剛石刀具的定向要領
如今，晶體定向重要有三種要領：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
該要領是根據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係，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。該要領大略、易行、不必要藉助配置，但定向結果精確性差，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係性較好的激光照射到金剛石晶體外貌上，在差別結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，要議決得當的人工腐化，以形成特性形貌。
（3）X射線晶體定向
由於X射線的波長靠近晶體的晶格常數，當X射線透過晶體或從晶體外貌反射返來時，會產生衍射。利用這個原理已開闢有專用的X射線晶體定向儀。這種晶體定向要領精度高，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。
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。同時由於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（即採納逆磨），以包管刃磨效果並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，後者以熱化學磨損為主。多見的金剛石刀具磨破壞形態為前刀面磨損、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，但若產生了不必要的磨損就大概毀傷已經刃磨好的前、后刀面。而刃口倒塌(即崩刃)是在刃口上的應力超出金剛石刀具的局部遭受本領時產生的，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，其本身又屬於硬脆質料，同時由於其各向異性且（111）面易產生解理，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，由於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，然後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、主軸往複活動速率和擺幅等參數，細緻尋覓刀具得當的刃磨角度。當刃磨的聲音比較煩悶費力、手感機床有較大振動時，應立刻退出刀具，禁止刀體毀傷砂輪，並重新調解角度。調理得當后，刃磨的聲音比較輕快柔軟，手感機床振動微小，並且連續上刀0.05mm，機床不會出現振動顛簸。
議決各次刃磨環境的比對，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方嚮應指向刃口受壓方向，並與之形成 15～30o角。根據機床資料並綜合思考質料往除率和磨削比率，保舉採取的砂輪速率為8～65m/s。議決試驗發覺，砂輪速率在22～28m/s時，研磨結果最佳；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左右的地區內，粗磨時選擇砂輪轉速為2100rev/min，精磨時選擇砂輪轉速為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。主軸往複擺動幅度不宜過大，平常比刃磨刀口寬度略寬即可，擺動頻率也不宜過快。
為得到經濟性的刃磨結果，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，會出現質料往除率的正向突變。在超精磨時，質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，質料往除率轉而漸漸低落。精拋時刀具與研磨盤之間的打仗壓力在12～14N時最有利於包管刃磨面的外貌光潔度。因此刃磨時刀具與砂輪外貌應有得當的打仗力。粗磨時，只管即便採取機床的壓力控制，在對刀之後應儘快上刀，並且按住機床變位支配拉杆（該拉杆用於支配勞動台在勞動位與丈量位之間舉行轉換），以包管所需較大打仗力，禁止引起機床振動導致崩刃。
