在超精密加工中,保證加工表面質(zhì)量的主要因素除了高精度的機(jī)床、超穩(wěn)定的加工環(huán)境外,高質(zhì)量的刀具也是很重要的一個(gè)方面。金剛石具有硬度高、耐磨性好、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、與有色金屬摩擦系數(shù)低、抗黏結(jié)性好以及優(yōu)良的抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性,可以刃磨出極其鋒利的刀刃,被認(rèn)為是理想的超精密切削用刀具材料,在機(jī)械加工領(lǐng)域尤其是超精密加工領(lǐng)域有著重要地位并得到廣泛應(yīng)用。
2、單晶金剛石的物理特性
金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體,其晶體結(jié)構(gòu)屬于等軸面心立方晶系(一種原子密度高的晶系)。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價(jià)鍵,因此具有很強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物質(zhì),其顯微硬度可達(dá)10000HV,其它物理特性見表。
二十世紀(jì)七十年代后期,在激光核融合技術(shù)的研究中,需要大量加工高精度軟質(zhì)金屬反射鏡,要求軟質(zhì)金屬表面粗糙度和形狀精度達(dá)到超精密水平。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法,不僅加工時(shí)間長、費(fèi)用高、操作難度大,而且不易達(dá)到要求的精度。因此,亟需開發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)下,單晶金剛石超精密切削技術(shù)得以迅速發(fā)展。由于單晶金剛石本身的物理特性,切削時(shí)不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤,加工表面質(zhì)量好,加工有色金屬時(shí),表面粗糙度可達(dá)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(jié)硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實(shí)心木和膠合板、MDF等復(fù)合材料)。
3、單晶金剛石刀具的刃磨特點(diǎn)
超精密加工中,單晶金剛石刀具的兩個(gè)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(yīng)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(gè)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,造成金剛石晶體的各向異性,因此金剛石不僅各晶面表現(xiàn)的物理機(jī)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(qiáng)度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強(qiáng)度可用Hertz試驗(yàn)法來測定,由于金剛石是典型的脆性材料,其強(qiáng)度數(shù)值一般偏差較大,主要依賴于應(yīng)力分布的形態(tài)和分布范圍,因此適合用概率論來分析。當(dāng)作用應(yīng)力相同時(shí),(110)晶面的破損概率大,(111)晶面次之,(100)晶面產(chǎn)生破損的概率小。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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,(100)晶面較其它晶面具有更高的抗應(yīng)力、腐蝕和熱退化能力。結(jié)合微觀強(qiáng)度綜合考慮,用(100)面做刀具的前后刀面,容易刃磨出高質(zhì)量的刀具刃口,不易產(chǎn)生微觀崩刃。