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。金剛石晶體中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，具有極強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。金剛石獨特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有自然界最高的硬度、剛性、折射率和導(dǎo)熱系數(shù)，以及極高的抗磨損性、抗腐蝕性及化學(xué)穩(wěn)定性。
　　
　　單晶金剛石的優(yōu)良特性可以滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數(shù)要求，是理想的精密切削刀具材料。金剛石無內(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)到原子級的平直度與鋒利度，切削時切薄能力強(qiáng)、精度高、切削力??；其高硬度及良好的抗磨損性、抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性可保證刀具具有超長壽命，從而能進(jìn)行長時間的持續(xù)切削，并可減小因刀具磨損對零件精度的影響；其高導(dǎo)熱系數(shù)可降低切削溫度和零件的熱變形。
　　
　　單晶金剛石刀具在機(jī)械加工領(lǐng)域具有重要地位，廣泛應(yīng)用于諸如反射鏡、導(dǎo)彈和火箭的導(dǎo)航陀螺、計算機(jī)硬盤基片、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、腦外科手術(shù)刀、超薄生物切片刀等醫(yī)用刀具。此外，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，從手表零件、鋁活塞、首飾等的加工到制筆、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。
　　
　　本文重點討論單晶金剛石刀具的設(shè)計原則及使用技術(shù)。
　　
　　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、刀具主偏角kr和副偏角kr'的減小而減小。由于主偏角kr的減小會使Fy力迅速增大而引起刀具振動，減小進(jìn)給量f則會影響切削效率，所以一般通過減小副偏角kr'來降低表面粗糙度值。
　　
　　常規(guī)切削用刀具表面較粗糙，刀刃平整性差，若選用的副偏角過小，一方面副切削刃的不平整會復(fù)映到已加工表面上；另一方面還會加劇副后刀面與已加工表面的摩擦，將已加工表面“拉毛”。所以在常規(guī)切削中，副偏角約為2°時加工表面粗糙度值最小，進(jìn)一步減小副偏角則會使已加工表面質(zhì)量惡化。
　　
　　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倍顯微鏡下觀察無缺陷，加之摩擦系數(shù)極小，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，實際表面粗糙度值可達(dá)到鏡面或超光滑表面的要求。
　　
　　由此可見，就刀具本身而言，單晶金剛石刀具的鏡面加工機(jī)理是通過刀具的超光潔表面和無缺陷的副切削刃(修光刃)的作用，使加工表面粗糙度理論值接近于零來獲得鏡面加工效果。
　　
　　2單晶金剛石刀具的設(shè)計
　　
　　設(shè)計單晶金剛石刀具時需要考慮的主要因素有：①被加工零件精度要求；②實際加工條件；③金剛石材料的特性。
　　
　　設(shè)計單晶金剛石刀具時，應(yīng)遵循以下原則：①由于單晶金剛石硬度高、加工困難，因此刀具的形狀應(yīng)盡可能簡單；②根據(jù)單晶金剛石脆性大、抗沖擊能力差的特點，應(yīng)結(jié)合實際加工條件，通過對刀具幾何形狀的優(yōu)化，提高刀頭的抗沖擊能力；③根據(jù)被加工零件的精度要求設(shè)計修光刃長度，同時應(yīng)考慮刀具的切薄能力。
　　
　　下面以幾種常用刀具為例，討論單晶金剛石刀具的設(shè)計方案。
　　
　　圖1 硬盤基片車刀刀頭形狀
　　
　　
　　圖2 首飾批花刀刀頭形狀
　　
　　
　　圖3 隱形眼鏡車刀刀頭形狀
　　
　　計算機(jī)硬盤基片車刀
　　
　　計算機(jī)硬盤基片用于信息的存儲，其材料為鋁或鋁合金，基片表面粗糙度值越低，存儲密度越大，因此降低其加工表面粗糙度值十分關(guān)鍵。同時由于基片厚度小于0.9mm，為防止其變形，應(yīng)盡量減小加工時的切削力和擠壓。
　　
　　硬盤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車床。切削深度約為0.01～0.02mm,進(jìn)給量約為0.5mm。
　　
　　硬盤基片單晶金剛石車刀的刀頭形狀如圖1所示。刀頭有兩個主切削刃，加工時可以左右進(jìn)刀。較長的修光刃可保證左右兩個方向加工時修光刃后刀面的磨損不會互相干涉。兩個主前刀面在進(jìn)給方向下傾5°，從而得到約2.5°的負(fù)前角，使切屑流向待加工表面，以避免切屑劃傷已加工表面。金剛石車刀非常鋒利，刀刃圓弧半徑小于100nm，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倍顯微鏡下觀察無缺陷。其設(shè)計原則同樣適用于其它超精密鏡面加工刀具。
　　
　　首飾批花刀
　　
　　首飾批花刀用于在金、銀首飾上銑削出樹葉形的花紋圖案，實際上是一種成型銑刀，其刀頭形狀如圖2所示。刀尖角在110°～150°之間，以適應(yīng)不同大小及深度的花紋加工。由于批花機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、剛性差、振動大，加之采用斷續(xù)干切削，加工條件很差，因此批花刀刀頭需要具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。5°的負(fù)前角和1°～1.5°的后角可有效增加刀刃強(qiáng)度，同時較小的后角還可使刀具與工件之間適當(dāng)擠靠，使切削不至于“發(fā)虛”，防止切削振動在已加工表面形成“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)計原則大致相同，該類刀具要求刀刃在200～500倍顯微鏡下觀察無崩口。
　　
　　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，一般材料刀具由于刀刃圓弧過大，很難對其進(jìn)行切削加工。由于車削加工后還有一道研磨工序，因此車削加工的表面粗糙度只要求達(dá)到Ra0.1µm，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，對刀具的主要要求是刀刃的鋒利性。隱形眼鏡車刀的刀頭形狀如圖3所示。為滿足切削凹圓弧面的需要，采用15°的后角，要求刀刃在100倍顯微鏡下觀察無崩口。
　　
　　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，受到?jīng)_擊時容易產(chǎn)生崩刃，因此應(yīng)盡可能在平穩(wěn)、無振動的工作條件下使用；同時還應(yīng)盡可能提高工件和刀具的裝卡剛性及整個系統(tǒng)的剛性，增加其抗振能力。切削用量以不超過0.1mm為宜。
　　
　　較高的切削速度可減小切削力，而低速切削則會增大切削力，從而加速刀具崩刃失效，因此采用金剛石刀具加工時切削速度不宜過低。
　　
　　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，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，用指甲或手指直接刮擦刀刃也可能損壞金剛石刀刃。金剛石刀具的檢測和調(diào)刀應(yīng)采用光學(xué)儀器等非接觸式測量方法。
　　
　　應(yīng)采用脫脂棉加適量酒精或丙酮清洗金剛石刀具。刀具不使用時應(yīng)套上橡膠或塑料保護(hù)套，并放置于單獨的刀盒中。
　　
　　使用直線修光刃金剛石刀具進(jìn)行鏡面切削時，要求副偏角小于幾分，而刀具在安裝過程中可能產(chǎn)生達(dá)1°的安裝誤差，所以加工前需要對刀具進(jìn)行對刀，通過調(diào)整刀具修光刃與進(jìn)給方向的平行度，以獲得最佳的加工表面粗糙度。對刀方法如下：首先在工件上加工出一小段表面，然后在10～30倍顯微鏡下調(diào)整刀具，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，因此必須進(jìn)行耐心而精細(xì)的反復(fù)調(diào)整。應(yīng)注意：擰動刀桿夾緊螺釘時可能使刀具產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致對刀失敗。
　　
　　由于直線修光刃刀具的對刀過程費時費力，因此對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。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，增大了刀尖圓弧半徑。使用這種刀具不但可簡化對刀過程，而且當(dāng)一段圓弧磨損后，稍微轉(zhuǎn)動刀具后還可使用另一段新圓弧，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。