金刚石刀具的刃磨特点-金刚石的晶向及晶面选择

超精密切削是超精密加工中的一个重要领域，它是一项内容广泛的新技术。使用精密的单晶金刚石刀具加工有色金属和非金属，能够直接切出超光滑的加工表面，这样就可以取代超精密磨削等精加工工序，极大的提高加工效率，同时也可以保证加工精度和加工表面质量。近些年来，单晶金刚石刀具已经深入到机械加工的各个领域，起着越来越重要的作用。 金刚石的硬度大，耐磨性好，使得金刚石成为理想的刀具材料，但是与此同时单晶金刚石刀具的研磨难度大的问题也逐渐显现。


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。


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。


金刚石刀具的定向方法
（1）人工目测晶体定向 人工目测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射线晶体定向金刚石对称型为3L44L36L29PC,用X射线照射金刚石，旋转装金刚石的卡具，使金刚石的4次、3次或2次对称轴和射入x光束方向重合，出现对称衍射图像。 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。
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。 金刚石刀具的研磨 研磨包含粗磨与精磨，粗磨时应选择晶体的易磨方向；金刚石刀具的粗磨与研磨方向、研磨速度以及压力、所用的金刚石微粉粒度等有关。
金刚石刀具刃磨过程中的崩刃现象
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沿（111）晶面的微观解理破损造成的。在超精密加工中，金刚石刀具的切削刃钝圆半径比较小，其本身又属于硬脆材料，同时由于其各向异性且（111）面易发生解理，随着振动和砂轮砂粒对刀具刃口的冲击作用，故常常会伴随产生崩刃现象。