目前用于單晶金剛石刀具刃磨的工藝方法很多，如機械刃磨法、離子束濺蝕法、聚焦離子束濺蝕、飛秒激光刻蝕、熱—機耦合工藝等。機械刃磨法是普遍采用的刃磨方法，具有工藝簡單、成本低、加工效率高等優(yōu)點。但是由于單晶金剛石的硬度和耐磨性極高，使得單晶金剛石刀具的刃磨比較困難。與日本、美國等發(fā)達國家相比，我國在金剛石刀具機械刃磨工藝、刃磨機床等方面還存在較大差距，阻礙了國內單晶金剛石刀具機械刃磨技術的發(fā)展。因此，深入研究單晶金剛石刀具機械刃磨技術，提高刃磨機床特性，制造高質量、低成本的金剛石刀具具有重要意義。

1  單晶金剛石刀具機械刃磨技術

(1)機械刃磨工藝原理及機理

機械刃磨法是傳統(tǒng)的金剛石刀具刃磨方法，其本質是金剛石與金剛石的對研。一般是在直徑300-400mm的鑄鐵研磨盤的表面涂覆一層含細微金剛石微粒的研磨膏，靜置一段時間后進行初步預研，使金剛石微粒嵌入到研磨盤表面的微小孔隙中，然后以合適的速度、壓力等對金剛石刀具進行刃磨或直接利用金剛石砂輪對刀具進行刃磨。

機械刃磨過程中的金剛石晶體表層材料去除機理研究是當前金剛石刃磨工藝領域研究的熱門方向之一，但金剛石刀具的刃磨機理至今尚未有統(tǒng)一的定論。以單晶金剛石晶體為研究對象，學術界曾提出以下幾種學說，分別為微觀解理、熱磨損去除機理、電致磨損去除機理、脆性塑性轉變機制、金剛石晶體 sp3碳原子雜化向非晶態(tài)sp2碳原子雜化轉變機制、高溫氧化和石墨化等。目前，能夠較為系統(tǒng)完善地解釋金剛石晶體表層材料的去除機理是：在金剛石晶體的易磨方向(〈100〉方向)主要發(fā)生的是同素異構轉變，即金剛石晶體sp3碳原子雜化向稀疏的非晶態(tài)sp2碳原子雜化轉變；在金剛石晶體的難磨方向(〈110〉方向)主要是微觀尺度上的解理斷裂，以納米級微小裂紋的脆性斷裂為主。

(2)刃磨面和刃磨方向

以常用單晶金剛石刀具材料八面體金剛石為例，其各典型晶面、晶向如圖1所示。

圖1  八面體單晶金剛石的典型晶面、晶向

金剛石刀具在刃磨時，考慮到(111)晶面硬度太高，難以刃磨出鋒利的切削刃，通常根據(jù)工藝經(jīng)驗選擇刀具前后刀面，主要有三種方案(見表1)。

表1  前后刀面選擇方案

單晶金剛石晶體具有硬度高、各向異性的特點，不同晶面之間存在較大的物理特性和力學性能差異。選擇不同晶面作為刀具的刃磨面可獲得不同性能的金剛石刀具。李增強等深入分析金剛石刀具表面材料去除機理，通過周期鍵鏈(PBC)理論建立用于評價金剛石刀具各向異性的PBC模型，定量描述了金剛石不同晶面的耐磨性能，該PBC模型得出的結論與刃磨實驗結果一致，推薦前刀面和后刀面均使用(110)晶面作為刀具刃磨面。周天劍等認為應根據(jù)刀具的使用要求來確定刀具刃磨面，選用(100)晶面作為刀具的前、后刀面能夠獲得強度較高的金剛石刀具；選用(110)晶面作為刀具的前、后刀面能夠獲得抗機械磨損性能較高的刀具；選用(110)晶面作為刀具的前刀面，(100)晶面作為后刀面，或者前、后刀面都采用(100)晶面能夠獲得抗化學磨損性能較高的刀具。

在實際刃磨金剛石刀具時，要考慮刃磨質量和刃磨效率。刃磨方向是影響金剛石刀具刃磨效率的主要因素，單晶金剛石各向異性，不但各晶面的硬度、耐磨性不同，而且同一晶面不同方向的耐磨性也不同。如果晶向選擇不當，即使晶面選擇正確，也會降低刃磨效率，所以在刃磨時宜選擇易磨方向(〈100〉方向)，同時采取逆磨方式(沿切削刃口指向刀體內的方向刃磨)，以保證刃磨效率并減小刃口的微觀解理程度。李智等通過金剛石砂輪刃磨單晶金剛石刀具試驗證明了易磨方向和難磨方向刃磨效率的差異性。

(3)刃磨參數(shù)

在精密、超精密切削加工中，目前使用最廣泛的是圓弧刃金剛石刀具。圓弧刃金剛石刀具制造的主要目標是獲得刃口鋒利、刀面光滑、刀刃輪廓精度高的金剛石刀頭。合理選擇刃磨參數(shù)對于控制刀具的刀尖圓弧輪廓度、刃口鋒利度以及刀具表面粗糙度具有重要意義。

①磨料粒度

磨料粒度指金剛石微粉(刃磨膏的主要成分)粒度或金剛石砂輪粒度。磨料粒度對刀具刃磨質量的影響符合磨削理論，即磨料粒度越細，磨削力越小，產(chǎn)生的磨削熱越少，越不容易產(chǎn)生崩刃，磨削率也越低，同時能獲得更鋒利的切削刃。秦子龍等利用金剛石砂輪刃磨微型金剛石刀具，通過分析正交試驗結果發(fā)現(xiàn)，砂輪粒度直接影響刃口半徑，即砂輪粒度越小，刃口半徑也越小，刀具越鋒利。丁立宇運用正交試驗法分析了不同因素(磨盤轉速、車刀擺速、車刀進給量、磨料粒度等)對刀尖圓弧輪廓精度的影響。結果表明，金剛石磨料粒度對刀尖圓弧輪廓度的影響最大。

②刃磨線速率

刃磨線速率對金剛石刀具刃磨效率和刃磨質量具有重要影響。較大的刃磨線速率能帶來較高的刃磨效率，但也加大了金剛石磨粒對刃口的撞擊程度。同時因主軸轉速增加，主軸的回轉精度降低，必然加大研磨盤的端面跳動，進而降低金剛石刀具與刃磨盤之間的接觸精度，使切削刃鈍圓半徑增大，刀具質量下降。宗文俊進行了理論分析，通過刃磨實驗研究表明，隨著刃磨線速率的不斷增大，切削刃鈍圓半徑也在增大；雷大江等通過優(yōu)化刃磨工藝，合理控制刀具刃磨過程中的線速率和刃磨壓力等，最終穩(wěn)定獲得了刃口質量較高的金剛石刀具，其刀具表面粗糙度0.5nm，刃口鋒利度達到50nm左右。

③刃磨壓力

刃磨壓力越大，金剛石微粒與金剛石刀具之間的相互作用力越大，刃磨效率越高。壓力過大會產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，降低金剛石刀具的表面質量會加劇研磨盤的磨損；壓力過小會引起刀具與研磨盤表面接觸不充分，影響刀具與研磨盤表面的接觸精度，導致刃磨質量降低。陳俊運用正交試驗法對影響刀具表面粗糙度、切削刃鈍圓半徑的因素進行實驗，得到表面粗糙度Sa和切削刃鈍圓半徑Rn在不同條件下的變化趨勢。結果表明，隨著刃磨壓力的逐漸增大，切削刃鈍圓半徑先減小后增大，壓力最佳值10N；當刃磨壓力超過15N時，刀具表面質量顯著下降。劉志平等通過實驗研究了刃磨線速率、刃磨壓力、研磨盤和研磨粉等對刃磨質量和刃磨效率的影響情況，認為增加刃磨正壓力P，刃磨效率提高，此外，隨著刃磨壓力加大，刃磨溫度升高，可以提高金剛石的刃磨效率。

(4)刃磨機床振動

影響單晶金剛石刀具刃磨質量和刃磨效率的因素較多，如刃磨機床振動、研磨盤表面質量、主軸動平衡精度、刃磨軌跡等。其中，刃磨機床振動是影響金剛石刀具刃磨質量的主要因素之一。

在金剛石刀具的機械刃磨過程中，刃磨機床本身及其刀具裝夾系統(tǒng)的振動干擾會降低金剛石刀具與研磨盤間的接觸精度，影響金剛石刀具的刃磨精度與表面質量。尤其在精密刃磨時，振動干擾會直接影響刀具鋒利度和刀具表面粗糙度。宗文俊等通過檢測刃磨機床隔振前和隔振后的金剛石刀具刃磨質量發(fā)現(xiàn)，降低機床固有頻率和振動幅值，提高金剛石刀具和刃磨盤之間的接觸精度，可明顯改善金剛石刀具的質量。雷大江等發(fā)現(xiàn)刃磨機床和刀架結構的振動干擾會影響刀具的鋒銳度和表面粗糙度，通過改進刀架結構使刀具刃磨質量得到顯著提高。

2  單晶金剛石刀具機械刃磨技術發(fā)展趨勢

(1)進一步探索刃磨機理

從金剛石刀具刃磨技術的發(fā)展歷程來看，刃磨機理一直是研究的熱點，先后出現(xiàn)的多種刃磨理論主要由國外研究人員提出。到目前為止，提出的各種刃磨理論主要是從刃磨實驗的觀測結果和現(xiàn)象推測得到的，很少有學者從金剛石晶體學的微觀角度去研究刃磨機理。從晶體學的微觀角度來看，化學鍵的鍵強決定材料的強度與硬度，也必然與金剛石晶體表層材料去除有著密不可分的關系。因此，今后需要進一步從晶體學微觀角度出發(fā)，綜合考慮影響金剛石晶體材料去除的各個因素，包括刃磨參數(shù)、刃磨過程中金剛石發(fā)生的相變和化學反應等，并結合金剛石晶體的共價鍵結構和鍵強，從原子量級揭示金剛石晶體在刃磨過程中晶體易磨方向和難磨方向的材料去除理論，完善刃磨機理。

(2)創(chuàng)新刃磨工藝

單晶金剛石刀具的刃磨質量和刃磨效率與刃磨工藝方法密切相關。雖然目前有多種加工方法，但由于單晶金剛石有極高的硬度，采用單一刃磨工藝方法不能很好地實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、高精度的加工。為兼顧各種加工方法的優(yōu)點，可以通過不同工藝方法的結合，創(chuàng)新金剛石刀具的刃磨技術。宗文俊等通過熱—機耦合刃磨工藝，可在10min內使金剛石刀具刃口鋒利度從30-50nm(由機械刃磨法獲得)降低到2-9nm，該工藝簡單，成本低，是應用前景較好的金剛石刀具刃磨方法。李強等采用機械刃磨法高效獲得所需幾何形狀的金剛石刀具，然后以化學輔助機械刃磨法對單晶金剛石進行拋光。實驗證明，用該工藝拋光單晶金剛石，表面粗糙度Ra可達0.8nm，此工藝對加工設備、加工環(huán)境等要求不高，可高效經(jīng)濟地獲得優(yōu)異加工表面，具有較好的應用前景。今后的發(fā)展趨勢是金剛石刀具粗磨和精磨兩個階段將采用不同的刃磨工藝。即在粗磨階段，由于金剛石刀具的材料去除量較大，考慮到加工效率，采用普通的機械刃磨法；在精磨階段，考慮到刀具質量，采用熱—機耦合刃磨工藝、化學輔助機械拋光等復合工藝。

(3)提高刃磨機床性能

近年來，我國在金剛石刃磨機床的研發(fā)中做了大量工作，并自主研發(fā)了多臺不同型號的刃磨機床。但是這些刃磨機床在抗振性、工作可靠性以及主軸回轉精度水平上與國外技術頂尖的刃磨機床還存在差距，在一定程度上阻礙了金剛石刀具刃磨質量的提高。目前，從提高刃磨機床主軸回轉精度方面看，各研究機構在刃磨機床的設計制造過程中均采用靜壓軸承主軸(包括氣體靜壓軸承和液體靜壓軸承)，不僅極大提高主軸回轉精度，而且為研磨盤的端面跳動達到亞微米創(chuàng)造了條件；從降低刃磨機床振動和機床變形方面看，通過不斷優(yōu)化擺軸部件、刀夾部件等結構，同時采用高剛度、高抗振性、低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)質大理石作為刃磨工作平臺，大幅提高了刃磨機床的抗振性能和整體抗變形能力。今后還需繼續(xù)優(yōu)化靜壓軸承主軸結構，同時努力提高金剛石刀具刃磨機床關鍵部件的剛度和精度，逐漸縮小與國外刃磨機床之間的差距。

(4)研發(fā)刃磨輔助裝置

由于對金剛石刀具需求量的增加，各國都在研發(fā)刃磨機床的輔助裝置，以實現(xiàn)刀具的自動化刃磨。目前，國外已研發(fā)出多臺不同型號的數(shù)控刃磨機床，配備有監(jiān)測設備，實時監(jiān)測刀具的磨削情況和刃磨機床精度狀況，并將監(jiān)測結果反饋給用戶以調整刃磨參數(shù)，初步實現(xiàn)金剛石刀具的半自動和全自動加工。國內建立了基于在線圖像處理的圓弧刃金剛石刀具研磨系統(tǒng)，該輔助系統(tǒng)可對CCD攝像頭監(jiān)測到的圖像進行數(shù)據(jù)處理，并將結果作為反饋信號用于調節(jié)研磨機運動，最后得到刃口輪廓精度為±0.5μm、刃口半徑為0.5mm的單晶金剛石刀具。此外，在金剛石刀具刃磨前需要對刀，但是目前缺少高精度的對刀裝置，通過調整微調機構來實現(xiàn)刀具定位不僅費時費力，而且難以保證對刀精度。因此，要加大刀具幾何參數(shù)在線監(jiān)測設備、對刀裝置等一些刀具刃磨輔助裝置的研發(fā)力度，使金剛石刀具的刃磨向實現(xiàn)數(shù)控化、自動化的方向發(fā)展，逐漸擺脫目前刃磨調刀只能依賴工人技術水平的局面。

小結

單晶金剛石刀具加工精度高、使用壽命長，在超精密切削加工中應用廣泛。近年來，采用金剛石刀具加工的產(chǎn)品(如隱形眼鏡片、菲涅爾透鏡、復印機的感光磁鼓等)越來越多地進入到普通家庭和工作場所。金剛石刀具的廣泛應用對刀具刃磨技術提出了更高的要求。機械刃磨法具有工藝簡單、成本低、加工效率高等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的刃磨工藝方法之一。合理選擇刀具的刃磨面、刃磨方向、刃磨參數(shù)以及降低刃磨機床振動等能有效提高單晶金剛石刀具的機械刃磨質量和刃磨效率。隨著對刃磨機理、刃磨參數(shù)的深入研究，刃磨工藝的創(chuàng)新以及刃磨機床精度的提高和刃磨輔助裝置的研發(fā)，金剛石刀具將向高質量、低成本的方向進一步發(fā)展。