单晶金刚石刀具刃磨的工艺原理和发展趋势-誉和钻石刀具

单晶金刚石刀具刃磨的工艺原理和发展趋势-朗赛德刀具

单晶金刚石刀具加工精度高、使用寿命长，在超精密切削加工中应用广泛。近年来，采用金刚石刀具加工的产品(如隐形眼镜片、菲涅尔透镜、复印机的感光磁鼓等)越来越多地进入到普通家庭和工作场所。金刚石刀具的广泛应用对刀具刃磨技术提出了更高的要求。单晶金刚石刀具刃磨的工艺方法很多，如机械刃磨法、离子束溅蚀法、聚焦离子束溅蚀、飞秒激光刻蚀等。

机械刃磨法是目前采用最多的刃磨方法，具有工艺简单、成本低、加工效率高等优点。但是由于单晶金刚石的硬度和耐磨性极高，使得单晶金刚石刀具的刃磨比较困难。

与日本、美国等发达国家相比，我国在金刚石刀具机械刃磨工艺、刃磨机床等方面还存在较大差距。因此，深入研究金刚石刀具刃磨技术，对制造高质量、低成本的金刚石刀具具有重要意义。

一、单晶金刚石刀具机械刃磨技术

1、机械刃磨工艺原理及机理

机械刃磨法是传统的金刚石刀具刃磨方法，其本质是金刚石与金刚石的对研。一般是在直径300-400mm的铸铁研磨盘的表面涂覆一层含细微金刚石微粒的研磨膏，静置一段时间后进行初步预研，使金刚石微粒嵌入到研磨盘表面的微小孔隙中，然后以合适的速度、压力等对金刚石刀具进行刃磨或直接利用金刚石砂轮对刀具进行刃磨。

2、刃磨参数

在精密、超精密切削加工中，目前使用最广泛的是圆弧刃金刚石刀具。合理选择刃磨参数对于控制刀具的刀尖圆弧轮廓度、刃口锋利度以及刀具表面粗糙度具有重要意义。

①磨料粒度

磨料粒度指金刚石微粉(刃磨膏的主要成分)粒度或金刚石砂轮粒度。磨料粒度对刀具刃磨质量的影响符合磨削理论，即磨料粒度越细，磨削力越小，产生的磨削热越少，越不容易产生崩刃，磨削率也越低，同时能获得更锋利的切削刃。

②刃磨线速率

刃磨线速率对金刚石刀具刃磨效率和刃磨质量具有重要影响。较大的刃磨线速率能带来较高的刃磨效率，但也加大了金刚石磨粒对刃口的撞击程度。同时因主轴转速增加，主轴的回转精度降低，必然加大研磨盘的端面跳动，进而降低金刚石刀具与刃磨盘之间的接触精度，使切削刃钝圆半径增大，刀具质量下降。

③刃磨压力

刃磨压力越大，金刚石微粒与金刚石刀具之间的相互作用力越大，刃磨效率越高。压力过大会产生崩刃现象，降低金刚石刀具的表面质量会加剧研磨盘的磨损；压力过小会引起刀具与研磨盘表面接触不充分，影响刀具与研磨盘表面的接触精度，导致刃磨质量降低。

3、刃磨机床振动

影响单晶金刚石刀具刃磨质量和刃磨效率的因素较多，如刃磨机床振动、研磨盘表面质量、主轴动平衡精度、刃磨轨迹等。其中，刃磨机床振动是影响金刚石刀具刃磨质量的主要因素之一。

在金刚石刀具的机械刃磨过程中，刃磨机床本身及其刀具装夹系统的振动干扰会降低金刚石刀具与研磨盘间的接触精度，影响金刚石刀具的刃磨精度与表面质量。尤其在精密刃磨时，振动干扰会直接影响刀具锋利度和刀具表面粗糙度。通过检测刃磨机床隔振前和隔振后的金刚石刀具刃磨质量发现，降低机床固有频率和振动幅值，提高金刚石刀具和刃磨盘之间的接触精度，可明显改善金刚石刀具的质量。刃磨机床和刀架结构的振动干扰会影响刀具的锋锐度和表面粗糙度，通过改进刀架结构使刀具刃磨质量得到显著提高。

二、单晶金刚石刀具机械刃磨技术发展趋势

1、进一步探索刃磨机理

从金刚石刀具刃磨技术的发展历程来看，刃磨机理一直是研究的热点，先后出现的多种刃磨理论主要由国外研究人员提出。到目前为止，提出的各种刃磨理论主要是从刃磨实验的观测结果和现象推测得到的，很少有学者从金刚石晶体学的微观角度去研究刃磨机理。从晶体学的微观角度来看，化学键的键强决定材料的强度与硬度，也必然与金刚石晶体表层材料去除有着密不可分的关系。因此，今后需要进一步从晶体学微观角度出发，综合考虑影响金刚石晶体材料去除的各个因素，包括刃磨参数、刃磨过程中金刚石发生的相变和化学反应等，并结合金刚石晶体的共价键结构和键强，从原子量级揭示金刚石晶体在刃磨过程中晶体易磨方向和难磨方向的材料去除理论，完善刃磨机理。

2、创新刃磨工艺

单晶金刚石刀具的刃磨质量和刃磨效率与刃磨工艺方法密切相关。虽然目前有多种加工方法，但由于单晶金刚石有极高的硬度，采用单一刃磨工艺方法不能很好地实现高效、经济、高精度的加工。为兼顾各种加工方法的优点，可以通过不同工艺方法的结合，创新金刚石刀具的刃磨技术。

3、提高刃磨机床性能

近年来，我国在金刚石刃磨机床的研发中做了大量工作，并自主研发了多台不同型号的刃磨机床。但是这些刃磨机床在抗振性、工作可靠性以及主轴回转精度水平上与国外技术顶尖的刃磨机床还存在差距，在一定程度上阻碍了金刚石刀具刃磨质量的提高。目前，从提高刃磨机床主轴回转精度方面看，各研究机构在刃磨机床的设计制造过程中均采用静压轴承主轴(包括气体静压轴承和液体静压轴承)，不仅极大提高主轴回转精度，而且为研磨盘的端面跳动达到亚微米创造了条件；从降低刃磨机床振动和机床变形方面看，通过不断优化摆轴部件、刀夹部件等结构，同时采用高刚度、高抗振性、低热膨胀系数的优质大理石作为刃磨工作平台，大幅提高了刃磨机床的抗振性能和整体抗变形能力。

4、研发刃磨辅助装置

由于对金刚石刀具需求量的增加，各国都在研发刃磨机床的辅助装置，以实现刀具的自动化刃磨。目前，国外已研发出多台不同型号的数控刃磨机床，配备有监测设备，实时监测刀具的磨削情况和刃磨机床精度状况，并将监测结果反馈给用户以调整刃磨参数，初步实现金刚石刀具的半自动和全自动加工。国内建立了基于在线图像处理的圆弧刃金刚石刀具研磨系统，该辅助系统可对CCD摄像头监测到的图像进行数据处理，并将结果作为反馈信号用于调节研磨机运动，最后得到刃口轮廓精度为±0.5μm、刃口半径为0.5mm的单晶金刚石刀具。此外，在金刚石刀具刃磨前需要对刀，但是目前缺少高精度的对刀装置，通过调整微调机构来实现刀具定位不仅费时费力，而且难以保证对刀精度。因此，要加大刀具几何参数在线监测设备、对刀装置等一些刀具刃磨辅助装置的研发力度，使金刚石刀具的刃磨向实现数控化、自动化的方向发展，逐渐摆脱目前刃磨调刀只能依赖工人技术水平的局面。

合理选择刀具的刃磨面、刃磨方向、刃磨参数以及降低刃磨机床振动能有效提高单晶金刚石刀具的机械刃磨质量和刃磨效率。随着对刃磨机理、刃磨参数的深入研究，刃磨工艺的创新以及刃磨机床精度的提高和刃磨辅助装置的研发，金刚石刀具将向高质量、低成本的方向进一步发展。

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