剛石是單一碳原子的結(jié)晶體,其晶體結(jié)構(gòu)屬原子密度最高的等軸面心立方晶系。金剛石晶體中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價(jià)鍵，具有極強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。金剛石獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有自然界最高的硬度、剛性、折射率和導(dǎo)熱系數(shù)，以及極高的抗磨損性、抗腐蝕性及化學(xué)穩(wěn)定性。
　　
　　單晶金剛石的優(yōu)良特性可以滿(mǎn)足精密及超精密切削對(duì)刀具材料的大多數(shù)要求，是理想的精密切削刀具材料。金剛石無(wú)內(nèi)部晶界的均勻晶體結(jié)構(gòu)使刀具刃口在理論上可以達(dá)到原子級(jí)的平直度與鋒利度，切削時(shí)切薄能力強(qiáng)、精度高、切削力小；其高硬度及良好的抗磨損性、抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性可保證刀具具有超長(zhǎng)壽命，從而能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)切削，并可減小因刀具磨損對(duì)零件精度的影響；其高導(dǎo)熱系數(shù)可降低切削溫度和零件的熱變形。
　　
　　單晶金剛石刀具在機(jī)械加工領(lǐng)域具有重要地位，廣泛應(yīng)用于諸如反射鏡、導(dǎo)彈和火箭的導(dǎo)航陀螺、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)基片、加速器電子槍等超精密鏡面零件的加工。單晶金剛石還可用于制造眼科、腦外科手術(shù)刀、超薄生物切片刀等醫(yī)用刀具。此外，單晶金剛石刀具在民用產(chǎn)品加工中的應(yīng)用也日趨廣泛，從手表零件、鋁活塞、首飾等的加工到制筆、高光標(biāo)牌及有色金屬鏡面裝飾零件的加工，其應(yīng)用已進(jìn)入機(jī)械加工的多種領(lǐng)域。
　　
　　本文重點(diǎn)討論單晶金剛石刀具的設(shè)計(jì)原則及使用技術(shù)。
　　
　　1.單晶金剛石刀具鏡面加工機(jī)理
　　
　　切削加工后的殘留面積高度h=f/(ctgkr+ctgkr')即為已加工表面的理論粗糙度值，它隨進(jìn)給量f、刀具主偏角kr和副偏角kr'的減小而減小。由于主偏角kr的減小會(huì)使Fy力迅速增大而引起刀具振動(dòng)，減小進(jìn)給量f則會(huì)影響切削效率，所以一般通過(guò)減小副偏角kr'來(lái)降低表面粗糙度值。
　　
　　常規(guī)切削用刀具表面較粗糙，刀刃平整性差，若選用的副偏角過(guò)小，一方面副切削刃的不平整會(huì)復(fù)映到已加工表面上；另一方面還會(huì)加劇副后刀面與已加工表面的摩擦，將已加工表面“拉毛”。所以在常規(guī)切削中，副偏角約為2°時(shí)加工表面粗糙度值最小，進(jìn)一步減小副偏角則會(huì)使已加工表面質(zhì)量惡化。
　　
　　單晶金剛石刀具的表面粗糙度值可小于Ra0.01µm，刀刃質(zhì)量至少可達(dá)到在100倍顯微鏡下觀(guān)察無(wú)缺陷，加之摩擦系數(shù)極小，所以其副偏角極限值可減小至0～2'，從而可使加工表面粗糙度理論值接近或等于零，實(shí)際表面粗糙度值可達(dá)到鏡面或超光滑表面的要求。
　　
　　由此可見(jiàn)，就刀具本身而言，單晶金剛石刀具的鏡面加工機(jī)理是通過(guò)刀具的超光潔表面和無(wú)缺陷的副切削刃(修光刃)的作用，使加工表面粗糙度理論值接近于零來(lái)獲得鏡面加工效果。
　　
　　2單晶金剛石刀具的設(shè)計(jì)
　　
　　設(shè)計(jì)單晶金剛石刀具時(shí)需要考慮的主要因素有：①被加工零件精度要求；②實(shí)際加工條件；③金剛石材料的特性。
　　
　　設(shè)計(jì)單晶金剛石刀具時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：①由于單晶金剛石硬度高、加工困難，因此刀具的形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單；②根據(jù)單晶金剛石脆性大、抗沖擊能力差的特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際加工條件，通過(guò)對(duì)刀具幾何形狀的優(yōu)化，提高刀頭的抗沖擊能力；③根據(jù)被加工零件的精度要求設(shè)計(jì)修光刃長(zhǎng)度，同時(shí)應(yīng)考慮刀具的切薄能力。
　　
　　下面以幾種常用刀具為例，討論單晶金剛石刀具的設(shè)計(jì)方案。
　　
　　圖1 硬盤(pán)基片車(chē)刀刀頭形狀
　　
　　
　　圖2 首飾批花刀刀頭形狀
　　
　　
　　圖3 隱形眼鏡車(chē)刀刀頭形狀
　　
　　計(jì)算機(jī)硬盤(pán)基片車(chē)刀
　　
　　計(jì)算機(jī)硬盤(pán)基片用于信息的存儲(chǔ)，其材料為鋁或鋁合金，基片表面粗糙度值越低，存儲(chǔ)密度越大，因此降低其加工表面粗糙度值十分關(guān)鍵。同時(shí)由于基片厚度小于0.9mm，為防止其變形，應(yīng)盡量減小加工時(shí)的切削力和擠壓。
　　
　　硬盤(pán)基片的切削采用具有良好剛性和穩(wěn)定性的超高精度磁盤(pán)車(chē)床。切削深度約為0.01～0.02mm,進(jìn)給量約為0.5mm。
　　
　　硬盤(pán)基片單晶金剛石車(chē)刀的刀頭形狀如圖1所示。刀頭有兩個(gè)主切削刃，加工時(shí)可以左右進(jìn)刀。較長(zhǎng)的修光刃可保證左右兩個(gè)方向加工時(shí)修光刃后刀面的磨損不會(huì)互相干涉。兩個(gè)主前刀面在進(jìn)給方向下傾5°，從而得到約2.5°的負(fù)前角，使切屑流向待加工表面，以避免切屑劃傷已加工表面。金剛石車(chē)刀非常鋒利，刀刃圓弧半徑小于100nm，5°的后角已可充分減小后刀面與已加工表面的擠壓和摩擦。
　　
　　該刀具的關(guān)鍵質(zhì)量要求是刀刃及刀尖在500倍顯微鏡下觀(guān)察無(wú)缺陷。其設(shè)計(jì)原則同樣適用于其它超精密鏡面加工刀具。
　　
　　首飾批花刀
　　
　　首飾批花刀用于在金、銀首飾上銑削出樹(shù)葉形的花紋圖案，實(shí)際上是一種成型銑刀，其刀頭形狀如圖2所示。刀尖角在110°～150°之間，以適應(yīng)不同大小及深度的花紋加工。由于批花機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性差、振動(dòng)大，加之采用斷續(xù)干切削，加工條件很差，因此批花刀刀頭需要具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。5°的負(fù)前角和1°～1.5°的后角可有效增加刀刃強(qiáng)度，同時(shí)較小的后角還可使刀具與工件之間適當(dāng)擠靠，使切削不至于“發(fā)虛”，防止切削振動(dòng)在已加工表面形成“振紋”。
　　
　　首飾批花刀與加工表殼及一些高光裝飾零件用刀具的設(shè)計(jì)原則大致相同，該類(lèi)刀具要求刀刃在200～500倍顯微鏡下觀(guān)察無(wú)崩口。
　　
　　隱形眼鏡車(chē)刀
　　
　　隱形眼鏡所用材料非常柔軟，且有一定的抗拉強(qiáng)度，一般材料刀具由于刀刃圓弧過(guò)大，很難對(duì)其進(jìn)行切削加工。由于車(chē)削加工后還有一道研磨工序，因此車(chē)削加工的表面粗糙度只要求達(dá)到Ra0.1µm，車(chē)削加工的主要目的是得到具有一定形狀精度的凹凸圓弧面，對(duì)刀具的主要要求是刀刃的鋒利性。隱形眼鏡車(chē)刀的刀頭形狀如圖3所示。為滿(mǎn)足切削凹圓弧面的需要，采用15°的后角，要求刀刃在100倍顯微鏡下觀(guān)察無(wú)崩口。
　　
　　3單晶金剛石刀具的使用與維護(hù)
　　
　　單晶金剛石刀具脆性大，加之刀刃非常鋒利，受到?jīng)_擊時(shí)容易產(chǎn)生崩刃，因此應(yīng)盡可能在平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)的工作條件下使用；同時(shí)還應(yīng)盡可能提高工件和刀具的裝卡剛性及整個(gè)系統(tǒng)的剛性，增加其抗振能力。切削用量以不超過(guò)0.1mm為宜。
　　
　　較高的切削速度可減小切削力，而低速切削則會(huì)增大切削力，從而加速刀具崩刃失效，因此采用金剛石刀具加工時(shí)切削速度不宜過(guò)低。
　　
　　應(yīng)避免在靜止?fàn)顟B(tài)下使金剛石刀具與工件或其它硬物接觸，以防止碰傷刀具刃口。操作人員的指甲和指紋中容易夾帶砂粒等硬質(zhì)物，用指甲或手指直接刮擦刀刃也可能損壞金剛石刀刃。金剛石刀具的檢測(cè)和調(diào)刀應(yīng)采用光學(xué)儀器等非接觸式測(cè)量方法。
　　
　　應(yīng)采用脫脂棉加適量酒精或丙酮清洗金剛石刀具。刀具不使用時(shí)應(yīng)套上橡膠或塑料保護(hù)套，并放置于單獨(dú)的刀盒中。
　　
　　使用直線(xiàn)修光刃金剛石刀具進(jìn)行鏡面切削時(shí)，要求副偏角小于幾分，而刀具在安裝過(guò)程中可能產(chǎn)生達(dá)1°的安裝誤差，所以加工前需要對(duì)刀具進(jìn)行對(duì)刀，通過(guò)調(diào)整刀具修光刃與進(jìn)給方向的平行度，以獲得最佳的加工表面粗糙度。對(duì)刀方法如下：首先在工件上加工出一小段表面，然后在10～30倍顯微鏡下調(diào)整刀具，使修光刃與其在新加工表面中的鏡像平行。由于平行度要求較高，因此必須進(jìn)行耐心而精細(xì)的反復(fù)調(diào)整。應(yīng)注意：擰動(dòng)刀桿夾緊螺釘時(shí)可能使刀具產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致對(duì)刀失敗。
　　
　　由于直線(xiàn)修光刃刀具的對(duì)刀過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此對(duì)于一些精度要求稍低的鏡面切削可采用半徑為10～30mm的圓弧刃刀具代替直線(xiàn)修光刃刀具。這種圓弧刃刀具的形狀與隱形眼鏡車(chē)刀類(lèi)似，只是減小了后角，增大了刀尖圓弧半徑。使用這種刀具不但可簡(jiǎn)化對(duì)刀過(guò)程，而且當(dāng)一段圓弧磨損后，稍微轉(zhuǎn)動(dòng)刀具后還可使用另一段新圓弧，從而增加了刀具壽命。高精度的單晶金剛石圓弧刀具也是加工凹面反射鏡的必備刀具。