单晶金刚石刀具刃磨特点的研究

　　 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。


    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，其它物理特性见表。

    表1 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

     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。


    4 刃磨试验

     试验在EWAG RS-12磨刀机上进行。试验中，由于缺乏有效的晶体定向手段，只有通过对报废刀具的结构分析，大致判定刀具的晶面方向，然后通过刃磨过程中刀具与砂轮表面的接触力、接触声音等信息，兼顾砂轮速度、主轴往复运动速度和摆幅等参数，仔细寻找刀具合适的刃磨角度。当刃磨的声音比较沉闷吃力、手感机床有较大振动时，应立即退出刀具，避免刀体损伤砂轮，并重新调整角度。调节适当后，刃磨的声音比较轻快柔软，手感机床振动微小，并且连续上刀0.05mm，机床不会出现振动波动。


    通过各次刃磨情况的比对，确定主切削刃和副切削刃较为合理的刃磨选向为砂轮旋转方向应指向刃口受压方向，并与之形成 15～30º角。根据机床资料并综合考虑材料去除率和磨削比率，推荐采用的砂轮速度为8～65m/s。通过试验发现，砂轮速度在22～28m/s时，研磨效果最好；速度在15 m/s时刃口的Rt值最小。因此，在实际的刃磨过程中，将刀头放置在研磨盘φ140左右的区域内，粗磨时选择砂轮转速为2100rev/min，精磨时选择砂轮转速为1000rev/min，保证粗磨时的砂轮速度为23m/s左右，精磨时为15 m/s左右。主轴往复摆动幅度不宜过大，一般比刃磨刀口宽度略宽即可，摆动频率也不宜过快。


    为得到经济性的刃磨效果，磨削接触压力需随着刃长的增加而增加。在粗磨时，随着接触压力的升高，会出现材料去除率的正向突变。在超精磨时，材料去除率随接触压力的增加先是逐渐升高，当接触压力增加到 180N时，材料去除率转而逐渐降低。精抛时刀具与研磨盘之间的接触压力在12～14N时最有利于保证刃磨面的表面光洁度。因此刃磨时刀具与砂轮表面应有适当的接触力。粗磨时，尽量采用机床的压力控制，在对刀之后应尽快上刀，并且按住机床变位操纵拉杆（该拉杆用于操纵工作台在工作位与测量位之间进行转换），以保证所需较大接触力，避免引起机床振动导致崩刃。


    5 结语

    针对金刚石晶体各向异性的特点，在刃磨前需要进行准确的晶体定向。同时在刃磨过程中应严格控制温度、机床振动、砂轮粒度、转速和往复运动速度，选择回转精度高的研磨设备和平面精度高的研磨盘，避免由于金刚石晶体的硬脆性和较差的热稳定性而出现不必要的磨、破损。另外，应解决人工手动加压而无法保证压力稳定性的问题，同时配套与刃磨过程相匹配的检测方法和检测仪器，以保证刃磨的质量稳定性。

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