1、引言 在超精密加......



1、引言
在超精密加工中，保證加工表面質量的主要因素除了高精度的機床、超穩定的加工環境外，高質量的刀具也是很重要的一個方面。天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、強度高、導熱性好、與有色金屬摩擦系數低、抗黏結性好以及優良的抗腐蝕性和化學穩定性，可以刃磨出極其鋒利的刀刃，被認為是最理想的超精密切削用刀具材料，在機械加工領域尤其是超精密加工領域有著重要地位并得到廣泛應用。
2、單晶金剛石的物理特性
金剛石是單一碳原子的結晶體，其晶體結構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雜化共價鍵，因此具有很強的結合力、穩定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物質，其顯微硬度可達10000HV，其它物理特性見下表。
表 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
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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、黃銅間的摩擦系數－0.05～0.07(在常溫下)
二十世紀七十年代后期，在激光核融合技術的研究中，需要大量加工高精度軟質金屬反射鏡，要求軟質金屬表面粗糙度和形狀精度達到超精密水平。如采用傳統的研磨、拋光加工方法，不僅加工時間長、費用高、操作難度大，而且不易達到要求的精度。因此，亟需開發新的加工方法。在現實需求的推動下，單晶金剛石超精密切削技術得以迅速發展。由于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，加工表面質量好，加工有色金屬時，表面粗糙度可達 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、未燒結硬質合金、各種纖維和顆粒加強復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材（尤其是實心木和膠合板、MDF等復合材料）。
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的物理機械性能不同、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度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強度可用Hertz試驗法來測定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強度數值一般偏差較大，主要依賴于應力分布的形態和分布范圍，因此適合用概率論來分析。當作用應力相同時，（110）晶面的破損概率最大，（111）晶面次之，（100）晶面產生破損的概率最小。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，但實驗結果表明，（100）晶面較其它晶面具有更高的抗應力、腐蝕和熱退化能力。結合微觀強度綜合考慮，用（100）面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高質量的刀具刃口，不易產生微觀崩刃。