金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廷前。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)合力窜无、穩(wěn)定性和方向性贱甥。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、剛性柄错、折射率和導(dǎo)熱系數(shù)舷夺，以及極高的抗磨損性、抗腐蝕性及化學(xué)穩(wěn)定性鄙陡。

　　單晶金剛石的優(yōu)良特性可以滿足精密及超精密切削對(duì)刀具材料的大多數(shù)要求冕房，是理想的精密切削刀具材料躏啰。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)的平直度與鋒利度趁矾，切削時(shí)切薄能力強(qiáng)、精度高给僵、切削力泻恋贰；其高硬度及良好的抗磨損性帝际、抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性可保證刀具具有超長(zhǎng)壽命蔓同，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斑粱。

　　單晶金剛石刀具在機(jī)械加工領(lǐng)域具有重要地位弃揽，廣泛應(yīng)用于諸如反射鏡、導(dǎo)彈和火箭的導(dǎo)航陀螺褂省、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)基片巷卵、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葵稚、腦外科手術(shù)刀帘衣、超薄生物切片刀等醫(yī)用刀具。此外洁席，單晶金剛石刀具在民用產(chǎn)品加工中的應(yīng)用也日趨廣泛税则，從手表零件、鋁活塞值唉、首飾等的加工到制筆赡喻、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)域宦噩。

　　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)缅科。

　　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衰拄、刀具主偏角kr和副偏角kr'的減小而減小耗跛。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)影響切削效率攒发，所以一般通過(guò)減小副偏角kr'來(lái)降低表面粗糙度值调塌。

　　常規(guī)切削用刀具表面較粗糙，刀刃平整性差惠猿，若選用的副偏角過(guò)小羔砾，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偶妖，將已加工表面“拉毛”姜凄。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趾访，進(jìn)一步減小副偏角則會(huì)使已加工表面質(zhì)量惡化态秧。

　　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倍顯微鏡下觀察無(wú)缺陷扼鞋，加之摩擦系數(shù)極小申鱼，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云头，實(shí)際表面粗糙度值可達(dá)到鏡面或超光滑表面的要求捐友。

　　由此可見(jiàn)晋粱，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)的作用埋吊，使加工表面粗糙度理論值接近于零來(lái)獲得鏡面加工效果馁惨。

　　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)際加工條件愈苛；③金剛石材料的特性用噪。

　　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景顷、加工困難誓籽，因此刀具的形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單；②根據(jù)單晶金剛石脆性大强男、抗沖擊能力差的特點(diǎn)洪业，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)化眨仪，提高刀頭的抗沖擊能力峭桅；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柑爸。

　　下面以幾種常用刀具為例吵护，討論單晶金剛石刀具的設(shè)計(jì)方案。

　　計(jì)算機(jī)硬盤(pán)基片車刀

　　計(jì)算機(jī)硬盤(pán)基片用于信息的存儲(chǔ)表鳍，其材料為鋁或鋁合金馅而，基片表面粗糙度值越低，存儲(chǔ)密度越大譬圣，因此降低其加工表面粗糙度值十分關(guān)鍵瓮恭。同時(shí)由于基片厚度小于0.9mm，為防止其變形厘熟，應(yīng)盡量減小加工時(shí)的切削力和擠壓屯蹦。

　　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)車床。切削深度約為0.01～0.02mm,進(jìn)給量約為0.5mm绳姨。

　　硬盤(pán)基片單晶金剛石車刀的刀頭形狀如圖1所示登澜。刀頭有兩個(gè)主切削刃，加工時(shí)可以左右進(jìn)刀飘庄。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)互相干涉脑蠕。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)前角资担，使切屑流向待加工表面旬效，以避免切屑劃傷已加工表面炬费。金剛石車刀非常鋒利踱孕，刀刃圓弧半徑小于100nm讯匈，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倍顯微鏡下觀察無(wú)缺陷将窗。其設(shè)計(jì)原則同樣適用于其它超精密鏡面加工刀具策坏。

　　首飾批花刀

　　首飾批花刀用于在金、銀首飾上銑削出樹(shù)葉形的花紋圖案泻畏，實(shí)際上是一種成型銑刀烈肉，其刀頭形狀如圖2所示。刀尖角在110°～150°之間委丈，以適應(yīng)不同大小及深度的花紋加工甩高。由于批花機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性差什偷、振動(dòng)大霸督，加之采用斷續(xù)干切削，加工條件很差衅疙，因此批花刀刀頭需要具有較強(qiáng)的抗沖擊能力莲趣。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)擠靠饱溢，使切削不至于“發(fā)虛”喧伞，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)原則大致相同绩郎，該類刀具要求刀刃在200～500倍顯微鏡下觀察無(wú)崩口潘鲫。

　　隱形眼鏡車刀

　　隱形眼鏡所用材料非常柔軟，且有一定的抗拉強(qiáng)度肋杖，一般材料刀具由于刀刃圓弧過(guò)大次舌，很難對(duì)其進(jìn)行切削加工。由于車削加工后還有一道研磨工序兽愤，因此車削加工的表面粗糙度只要求達(dá)到Ra0.1μm彼念，車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浅萧。隱形眼鏡車刀的刀頭形狀如圖3所示逐沙。為滿足切削凹圓弧面的需要，采用15°的后角版挣，要求刀刃在100倍顯微鏡下觀察無(wú)崩口蔓酣。

　　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，加之刀刃非常鋒利婆裹，受到?jīng)_擊時(shí)容易產(chǎn)生崩刃载甸，因此應(yīng)盡可能在平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)的工作條件下使用乱险；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)的剛性齐犀，增加其抗振能力托习。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滥捣，而低速切削則會(huì)增大切削力虏淋，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)低沦昆。

　　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尸查，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)物愿凶，用指甲或手指直接刮擦刀刃也可能損壞金剛石刀刃竖伯。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因宇。刀具不使用時(shí)應(yīng)套上橡膠或塑料保護(hù)套黔夭，并放置于單獨(dú)的刀盒中。

　　使用直線修光刃金剛石刀具進(jìn)行鏡面切削時(shí)羽嫡，要求副偏角小于幾分本姥，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)刀杭棵，通過(guò)調(diào)整刀具修光刃與進(jìn)給方向的平行度婚惫，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魂爪，然后在10～30倍顯微鏡下調(diào)整刀具先舷，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滓侍，因此必須進(jìn)行耐心而精細(xì)的反復(fù)調(diào)整蒋川。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。

　　由于直線修光刃刀具的對(duì)刀過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力撩笆，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修光刃刀具倡挚。這種圓弧刃刀具的形狀與隱形眼鏡車刀類似，只是減小了后角筷疹，增大了刀尖圓弧半徑蒸拦。使用這種刀具不但可簡(jiǎn)化對(duì)刀過(guò)程，而且當(dāng)一段圓弧磨損后瞳竖，稍微轉(zhuǎn)動(dòng)刀具后還可使用另一段新圓弧蜘把，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乡捧。

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