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(jī)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(gè)方面。天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、強(qiáng)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(rèn)為是最理想的超精密切削用刀具材料，在機(jī)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。


    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(jià)鍵，因此具有很強(qiáng)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(dá)10000HV，其它物理特性見表。

    表1 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(qiáng)度－210～490MPa
    抗壓強(qiáng)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(dá)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(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、操作難度大，而且不易達(dá)到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)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(shí)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(shí)，表面粗糙度可達(dá) 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(qiáng)復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材（尤其是實(shí)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(diǎn)

     超精密加工中，單晶金剛石刀具的兩個(gè)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(gè)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(jī)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(qiáng)度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強(qiáng)度可用Hertz試驗(yàn)法來測(cè)定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強(qiáng)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(shí)，（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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(shí)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(cè)晶體定向、激光晶體定向和X射線晶體定向。


    （1）人工目測(cè)晶體定向

     該方法是根據(jù)天然晶體外部幾何形狀、表面生長(zhǎng)、腐蝕特征及各晶面之間的幾何角度關(guān)系，憑借操作者長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)，通過觀察和試驗(yàn)所做的粗略晶體定向。該方法簡(jiǎn)單、易行、不需要借助設(shè)備，但定向結(jié)果準(zhǔn)確性差，對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)要求高，且對(duì)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(jìn)行人工目測(cè)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(zhǎng)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(shí)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�蝕，以形成特征形貌。


    （3）X射線晶體定向

    由于X射線的波長(zhǎng)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(shí)，會(huì)發(fā)生衍射。利用這個(gè)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(duì)人體有一定的危害，在使用時(shí)需注重對(duì)操作人員的保護(hù)。


    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(huì)大大降低。同時(shí)由于金剛石晶體的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)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(shí)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(jī)理比較復(fù)雜，可分為宏觀磨損和微觀磨損，前者以機(jī)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(shí)發(fā)生的，一般是由金剛石晶體沿（111）晶面的微觀解理破損造成的。在超精密加工中，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑比較小，其本身又屬于硬脆材料，同時(shí)由于其各向異性且（111）面易發(fā)生解理，隨著振動(dòng)和砂輪砂粒對(duì)刀具刃口的沖擊作用，故常常會(huì)伴隨產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。


    4 刃磨試驗(yàn)

     試驗(yàn)在EWAG RS-12磨刀機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中，由于缺乏有效的晶體定向手段，只有通過對(duì)報(bào)廢刀具的結(jié)構(gòu)分析，大致判定刀具的晶面方向，然后通過刃磨過程中刀具與砂輪表面的接觸力、接觸聲音等信息，兼顧砂輪速度、主軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度和擺幅等參數(shù)，仔細(xì)尋找刀具合適的刃磨角度。當(dāng)刃磨的聲音比較沉悶吃力、手感機(jī)床有較大振動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即退出刀具，避免刀體損傷砂輪，并重新調(diào)整角度。調(diào)節(jié)適當(dāng)后，刃磨的聲音比較輕快柔軟，手感機(jī)床振動(dòng)微小，并且連續(xù)上刀0.05mm，機(jī)床不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)。


    通過各次刃磨情況的比對(duì)，確定主切削刃和副切削刃較為合理的刃磨選向?yàn)樯拜喰�轉(zhuǎn)方向應(yīng)指向刃口受壓方向，并與之形成 15～30º角。根據(jù)機(jī)床資料并綜合考慮材料去除率和磨削比率，推薦采用的砂輪速度為8～65m/s。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂輪速度在22～28m/s時(shí)，研磨效果最好；速度在15 m/s時(shí)刃口的Rt值最小。因此，在實(shí)際的刃磨過程中，將刀頭放置在研磨盤φ140左右的區(qū)域內(nèi)，粗磨時(shí)選擇砂輪轉(zhuǎn)速為2100rev/min，精磨時(shí)選擇砂輪轉(zhuǎn)速為1000rev/min，保證粗磨時(shí)的砂輪速度為23m/s左右，精磨時(shí)為15 m/s左右。主軸往復(fù)擺動(dòng)幅度不宜過大，一般比刃磨刀口寬度略寬即可，擺動(dòng)頻率也不宜過快。


    為得到經(jīng)濟(jì)性的刃磨效果，磨削接觸壓力需隨著刃長(zhǎng)的增加而增加。在粗磨時(shí)，隨著接觸壓力的升高，會(huì)出現(xiàn)材料去除率的正向突變。在超精磨時(shí)，材料去除率隨接觸壓力的增加先是逐漸升高，當(dāng)接觸壓力增加到 180N時(shí)，材料去除率轉(zhuǎn)而逐漸降低。精拋時(shí)刀具與研磨盤之間的接觸壓力在12～14N時(shí)最有利于保證刃磨面的表面光潔度。因此刃磨時(shí)刀具與砂輪表面應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕佑|力。粗磨時(shí)，盡量采用機(jī)床的壓力控制，在對(duì)刀之后應(yīng)盡快上刀，并且按住機(jī)床變位操縱拉桿（該拉桿用于操縱工作臺(tái)在工作位與測(cè)量位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換），以保證所需較大接觸力，避免引起機(jī)床振動(dòng)導(dǎo)致崩刃。


    5 結(jié)語

    針對(duì)金剛石晶體各向異性的特點(diǎn)，在刃磨前需要進(jìn)行準(zhǔn)確的晶體定向。同時(shí)在刃磨過程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度、機(jī)床振動(dòng)、砂輪粒度、轉(zhuǎn)速和往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，選擇回轉(zhuǎn)精度高的研磨設(shè)備和平面精度高的研磨盤，避免由于金剛石晶體的硬脆性和較差的熱穩(wěn)定性而出現(xiàn)不必要的磨、破損。另外，應(yīng)解決人工手動(dòng)加壓而無法保證壓力穩(wěn)定性的問題，同時(shí)配套與刃磨過程相匹配的檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器，以保證刃磨的質(zhì)量穩(wěn)定性。

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