1 金剛石刀具的研磨方法
單晶金剛石刀具的制造工序一般包括選料、定向、鋸割、開(kāi)坯、裝卡、粗磨、精磨和檢驗(yàn)。將選定的金剛石原石經(jīng)定向后沿最大平面鋸割開(kāi)，可得到兩把刀具的坯料，這樣既能提高金剛石材料的利用率，又可減少總研磨量。通過(guò)開(kāi)坯可使刀具形狀達(dá)到裝卡(鑲嵌或釬焊)要求。開(kāi)坯和粗、精磨加工均采用研磨的方法。
金剛石的研磨加工在鑄鐵研磨盤(pán)上進(jìn)行。研磨盤(pán)的直徑約為300mm，由材料組織中孔隙的形狀、大小和比例均經(jīng)過(guò)優(yōu)化的研磨金剛石專(zhuān)用高磷鑄鐵制成。研磨盤(pán)的表面鑲嵌有金剛石研磨粉，其顆粒尺寸可從小于1µm直到40µm。粗顆粒的金剛石粉具有較高的研磨速率，但研磨質(zhì)量較差，因此粗磨時(shí)一般采用粗粉，而精磨時(shí)則采用尺寸小于1µm的細(xì)粉。研磨前，首先將金剛石粉與橄欖油或其它類(lèi)似物質(zhì)混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盤(pán)表面，放置一段時(shí)間使研磨膏充分滲入研磨盤(pán)的鑄鐵孔隙中，再用一較大的金剛石在研磨盤(pán)表面進(jìn)行來(lái)回預(yù)研磨，以進(jìn)一步強(qiáng)化金剛石粉在鑄鐵孔隙中的鑲嵌作用。研磨時(shí)，一般將被研磨的金剛石包埋在錫斗中，只露出需研磨的面。研磨時(shí)的研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速約為2500r/min，研磨壓力約為1kg/mm2。
金剛石的研磨與其它刀具材料的加工有很大區(qū)別，其研磨機(jī)理至今尚未得到令人信服的闡釋?zhuān)绊懷心ベ|(zhì)量的因素也是多方面的。下面就金剛石刀具研磨的一些工藝問(wèn)題進(jìn)行討論。
2 磨削量的影響因素
通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨削量與研磨條件的關(guān)系為
V=kvp
式中 V——研磨體積
k——磨削率
v——磨削速度
p——研磨壓力
此外，金剛石的磨向、磨料的粒度、磨粒在鑄鐵孔隙中的鑲嵌狀況等因素也會(huì)改變磨削率的大小，從而影響磨削量。
3 研磨質(zhì)量的影響因素
金剛石硬度高、脆性大，研磨時(shí)雖然刀具表面粗糙度較易保證，但刀刃容易出現(xiàn)崩口，刀刃鋸齒度不易降低。超精密加工要求刀具刃口在500倍顯微鏡下觀察無(wú)崩口，因此需要從各方面優(yōu)化研磨過(guò)程，以獲得平直完美的刀刃。
研磨粉粒度和研磨盤(pán)表面狀態(tài)對(duì)研磨質(zhì)量的影響
可以看出，由于粗粉對(duì)刀刃的沖擊性較大，研磨后刀刃鋸齒度也較大，基本上難以研磨出無(wú)崩口的刀刃；而采用細(xì)粉時(shí)，經(jīng)過(guò)幾分鐘的研磨后刀刃即變得平直，鋸齒度趨向于零。
新制造的研磨盤(pán)因加工精度的限制，其盤(pán)面不平度較大，對(duì)于研磨的穩(wěn)定性有一定影響。此外，剛涂敷在盤(pán)面上的磨粒本身的等高性也較差。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研磨后，盤(pán)面上的高點(diǎn)被研平，磨粒中的較大顆粒也被打碎或鏟離盤(pán)面，從而使磨粒的等高性得到改善，刀刃鋸齒度穩(wěn)定減小。所以對(duì)于金剛石刀具的開(kāi)刃或精磨等關(guān)鍵工序，必須在穩(wěn)定的研磨盤(pán)盤(pán)面上進(jìn)行。
由于研磨過(guò)程中磨粒會(huì)被不斷打碎或損失，若不及時(shí)加以補(bǔ)充，將導(dǎo)致因盤(pán)面磨粒密度不夠而使金剛石直接與鑄鐵接觸，不但會(huì)影響刀具研磨質(zhì)量，還會(huì)因金剛石的擠刮作用破壞或堵塞盤(pán)面上的孔隙，從而降低研磨盤(pán)的使用壽命。因此，在研磨過(guò)程中需要經(jīng)常向盤(pán)面添加新的研磨膏。
此外，在涂粉之前對(duì)研磨盤(pán)盤(pán)面的預(yù)處理也至關(guān)重要，一般需用油石或較粗的SiC研磨粉對(duì)盤(pán)面進(jìn)行推磨，以去除車(chē)削溝紋，提高盤(pán)面的平整性。通過(guò)用各種油石和SiC粉研磨盤(pán)面的比較試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用TL280ZY1油石推磨盤(pán)面1小時(shí)后再涂以W1細(xì)金剛石粉，可獲得最理想的研磨盤(pán)面，此時(shí)盤(pán)面達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間最短，研磨后的刀刃鋸齒度最小。而采用游離的SiC研磨粉則容易堵塞盤(pán)面上的孔隙，使金剛石粉難以大量而牢固地鑲嵌于研磨盤(pán)上。
刃磨角對(duì)研磨質(zhì)量的影響
刃磨角q是研磨的線速度方向與刀刃的夾角。當(dāng)q>0°時(shí)，研磨方向從刀體指向刀刃，稱(chēng)為順磨；當(dāng)q<0°時(shí)，研磨方向從刀刃指向刀體，稱(chēng)為逆磨。圖2所示為刀刃鋸齒度與刃磨角的關(guān)系。由于金剛石的抗拉強(qiáng)度極高，順磨時(shí)，刀刃承受拉應(yīng)力，因此磨后鋸齒度較�。荒婺r(shí)，刀刃承受壓應(yīng)力，因此磨后鋸齒度較大。從圖2可看出，當(dāng)q大于且接近于0°時(shí)刀刃可獲得最小的鋸齒度，此時(shí)刃口處的應(yīng)力方向與刀刃基本平行,而刀刃在此方向上有最高的抗拉應(yīng)力強(qiáng)度。平行于刀刃研磨的另一個(gè)好處是刀面的磨痕也與刀刃平行，在切削加工中不會(huì)復(fù)映到已加工表面，有助于提高切削加工質(zhì)量。
盤(pán)面端跳和機(jī)床振動(dòng)對(duì)研磨質(zhì)量的影響
研磨盤(pán)面的端跳和機(jī)床的振動(dòng)會(huì)引起研磨時(shí)盤(pán)面對(duì)刀刃的沖擊，從而破壞刀刃的平直性，其中尤以盤(pán)面端跳的影響更為直接，這是因?yàn)橛啥颂鸬臎_擊方向垂直于盤(pán)面。圖3和圖4分別為刀刃鋸齒度與盤(pán)面端跳和機(jī)床振動(dòng)的關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，盤(pán)面端跳和機(jī)床振動(dòng)對(duì)刀刃鋸齒度的影響都分別存在一個(gè)臨界值，當(dāng)小于臨界值時(shí)，刀刃鋸齒度趨向于零；而當(dāng)大于臨界值時(shí)，刀刃鋸齒度急劇上升。
為了減小盤(pán)面端跳，在用油石研磨盤(pán)面時(shí)，應(yīng)同時(shí)檢測(cè)盤(pán)面的端跳情況，并盡可能通過(guò)研磨消除端跳。然后還需進(jìn)行研磨盤(pán)的在線動(dòng)平衡，以減小運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因機(jī)構(gòu)不平衡而產(chǎn)生的振動(dòng)。
端跳和振動(dòng)還與研磨機(jī)的精度及減振性能有關(guān)。傳統(tǒng)的木制頂尖研磨機(jī)因頂尖與轉(zhuǎn)軸之間需要墊以纖維襯墊，同時(shí)由于木材剛性的限制，會(huì)導(dǎo)致研磨盤(pán)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生0.05～0.1mm的動(dòng)態(tài)跳動(dòng)；此外，木材和纖維物質(zhì)的耐熱性差，在高速滑動(dòng)條件下很容易磨損而使轉(zhuǎn)軸與頂尖之間產(chǎn)生間隙，因此需要經(jīng)常調(diào)整間隙、更換襯墊或木制頂尖。由于使用此類(lèi)設(shè)備時(shí)不穩(wěn)定因素較多，只有在設(shè)備狀態(tài)最佳的某些不長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)才能研磨出基本合格的天然金剛石刀具，即使是技術(shù)熟練的操作人員，也只能達(dá)到30%～50%的加工合格率。
靜壓空氣軸承的精度高于0.5µm，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，且承托主軸的高壓空氣具有較強(qiáng)的吸振能力。所以采用靜壓空氣軸承的研磨機(jī)即使研磨刀刃楔角只有45°的金剛石刀具，也能獲得完美無(wú)缺的刀刃。對(duì)于一般的民用金剛石刀具，基本上可以達(dá)到100%的加工合格率。
偏向角對(duì)研磨質(zhì)量的影響
偏向角w是在金剛石的被研磨面上實(shí)際研磨方向與最好磨方向之間的夾角。對(duì)于(1 1 0)面，當(dāng)在最好磨方向(w=0°)研磨時(shí)，金剛石表面非常光潔，且表面有較大起伏，這是因?yàn)樵谧詈媚シ较蛏�，研磨盤(pán)面的不平度在金剛石表面得到了充分復(fù)映；當(dāng)w=45°時(shí)，金剛石表面仍然相當(dāng)光潔，但起伏程度變小，并出現(xiàn)細(xì)小溝痕；當(dāng)w=60°時(shí)，金剛石表面產(chǎn)生密集的深溝，研磨速率變得很低；在最難磨方向，金剛石表面充滿一個(gè)個(gè)凹坑，研磨速率基本為零。w<45°的區(qū)域均可認(rèn)為是好磨方向，可以獲得光潔的表面。對(duì)于(1 0 0)面，其好磨區(qū)域?yàn)閣<15°。
在好磨區(qū)域內(nèi)鋸齒度趨向于零，當(dāng)w>45°后，刀刃上迅速出現(xiàn)較大崩口。對(duì)于(1 0 0)面同樣可得到類(lèi)似結(jié)果。
偏向角對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律還可用于判斷金剛石的最好磨方向，因?yàn)樵谧詈媚シ较蜓心r(shí)，金剛石表面光亮且有較大起伏。
綜上所述，金剛石刀具的研磨質(zhì)量對(duì)各種加工條件都相當(dāng)敏感，特別在研磨小刀刃楔角的金剛石刀具(如眼科手術(shù)刀、光纖切割刀和生物切片刀等)時(shí)尤其如此。因此，在研磨時(shí)必須仔細(xì)處理研磨盤(pán)表面，使用極細(xì)的金剛石研磨粉，找到最好磨方向，并采用精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且振動(dòng)小的研磨機(jī)床(如空氣靜壓軸承研磨機(jī))，在保證各種加工條件處于較理想狀態(tài)時(shí)，即可研磨出無(wú)崩口、刀刃鋸齒度小的高質(zhì)量金剛石刀具。
單晶金剛石刀具的制造工序一般包括選料、定向、鋸割、開(kāi)坯、裝卡、粗磨、精磨和檢驗(yàn)。將選定的金剛石原石經(jīng)定向后沿最大平面鋸割開(kāi)，可得到兩把刀具的坯料，這樣既能提高金剛石材料的利用率，又可減少總研磨量。通過(guò)開(kāi)坯可使刀具形狀達(dá)到裝卡(鑲嵌或釬焊)要求。開(kāi)坯和粗、精磨加工均采用研磨的方法。
金剛石的研磨加工在鑄鐵研磨盤(pán)上進(jìn)行。研磨盤(pán)的直徑約為300mm，由材料組織中孔隙的形狀、大小和比例均經(jīng)過(guò)優(yōu)化的研磨金剛石專(zhuān)用高磷鑄鐵制成。研磨盤(pán)的表面鑲嵌有金剛石研磨粉，其顆粒尺寸可從小于1µm直到40µm。粗顆粒的金剛石粉具有較高的研磨速率，但研磨質(zhì)量較差，因此粗磨時(shí)一般采用粗粉，而精磨時(shí)則采用尺寸小于1µm的細(xì)粉。研磨前，首先將金剛石粉與橄欖油或其它類(lèi)似物質(zhì)混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盤(pán)表面，放置一段時(shí)間使研磨膏充分滲入研磨盤(pán)的鑄鐵孔隙中，再用一較大的金剛石在研磨盤(pán)表面進(jìn)行來(lái)回預(yù)研磨，以進(jìn)一步強(qiáng)化金剛石粉在鑄鐵孔隙中的鑲嵌作用。研磨時(shí)，一般將被研磨的金剛石包埋在錫斗中，只露出需研磨的面。研磨時(shí)的研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速約為2500r/min，研磨壓力約為1kg/mm2。
金剛石的研磨與其它刀具材料的加工有很大區(qū)別，其研磨機(jī)理至今尚未得到令人信服的闡釋?zhuān)绊懷心ベ|(zhì)量的因素也是多方面的。下面就金剛石刀具研磨的一些工藝問(wèn)題進(jìn)行討論。
2 磨削量的影響因素
通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨削量與研磨條件的關(guān)系為
V=kvp
式中 V——研磨體積
k——磨削率
v——磨削速度
p——研磨壓力
此外，金剛石的磨向、磨料的粒度、磨粒在鑄鐵孔隙中的鑲嵌狀況等因素也會(huì)改變磨削率的大小，從而影響磨削量。
3 研磨質(zhì)量的影響因素
金剛石硬度高、脆性大，研磨時(shí)雖然刀具表面粗糙度較易保證，但刀刃容易出現(xiàn)崩口，刀刃鋸齒度不易降低。超精密加工要求刀具刃口在500倍顯微鏡下觀察無(wú)崩口，因此需要從各方面優(yōu)化研磨過(guò)程，以獲得平直完美的刀刃。
研磨粉粒度和研磨盤(pán)表面狀態(tài)對(duì)研磨質(zhì)量的影響
可以看出，由于粗粉對(duì)刀刃的沖擊性較大，研磨后刀刃鋸齒度也較大，基本上難以研磨出無(wú)崩口的刀刃；而采用細(xì)粉時(shí)，經(jīng)過(guò)幾分鐘的研磨后刀刃即變得平直，鋸齒度趨向于零。
新制造的研磨盤(pán)因加工精度的限制，其盤(pán)面不平度較大，對(duì)于研磨的穩(wěn)定性有一定影響。此外，剛涂敷在盤(pán)面上的磨粒本身的等高性也較差。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研磨后，盤(pán)面上的高點(diǎn)被研平，磨粒中的較大顆粒也被打碎或鏟離盤(pán)面，從而使磨粒的等高性得到改善，刀刃鋸齒度穩(wěn)定減小。所以對(duì)于金剛石刀具的開(kāi)刃或精磨等關(guān)鍵工序，必須在穩(wěn)定的研磨盤(pán)盤(pán)面上進(jìn)行。
由于研磨過(guò)程中磨粒會(huì)被不斷打碎或損失，若不及時(shí)加以補(bǔ)充，將導(dǎo)致因盤(pán)面磨粒密度不夠而使金剛石直接與鑄鐵接觸，不但會(huì)影響刀具研磨質(zhì)量，還會(huì)因金剛石的擠刮作用破壞或堵塞盤(pán)面上的孔隙，從而降低研磨盤(pán)的使用壽命。因此，在研磨過(guò)程中需要經(jīng)常向盤(pán)面添加新的研磨膏。
此外，在涂粉之前對(duì)研磨盤(pán)盤(pán)面的預(yù)處理也至關(guān)重要，一般需用油石或較粗的SiC研磨粉對(duì)盤(pán)面進(jìn)行推磨，以去除車(chē)削溝紋，提高盤(pán)面的平整性。通過(guò)用各種油石和SiC粉研磨盤(pán)面的比較試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用TL280ZY1油石推磨盤(pán)面1小時(shí)后再涂以W1細(xì)金剛石粉，可獲得最理想的研磨盤(pán)面，此時(shí)盤(pán)面達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間最短，研磨后的刀刃鋸齒度最小。而采用游離的SiC研磨粉則容易堵塞盤(pán)面上的孔隙，使金剛石粉難以大量而牢固地鑲嵌于研磨盤(pán)上。
刃磨角對(duì)研磨質(zhì)量的影響
刃磨角q是研磨的線速度方向與刀刃的夾角。當(dāng)q>0°時(shí)，研磨方向從刀體指向刀刃，稱(chēng)為順磨；當(dāng)q<0°時(shí)，研磨方向從刀刃指向刀體，稱(chēng)為逆磨。圖2所示為刀刃鋸齒度與刃磨角的關(guān)系。由于金剛石的抗拉強(qiáng)度極高，順磨時(shí)，刀刃承受拉應(yīng)力，因此磨后鋸齒度較�。荒婺r(shí)，刀刃承受壓應(yīng)力，因此磨后鋸齒度較大。從圖2可看出，當(dāng)q大于且接近于0°時(shí)刀刃可獲得最小的鋸齒度，此時(shí)刃口處的應(yīng)力方向與刀刃基本平行,而刀刃在此方向上有最高的抗拉應(yīng)力強(qiáng)度。平行于刀刃研磨的另一個(gè)好處是刀面的磨痕也與刀刃平行，在切削加工中不會(huì)復(fù)映到已加工表面，有助于提高切削加工質(zhì)量。
盤(pán)面端跳和機(jī)床振動(dòng)對(duì)研磨質(zhì)量的影響
研磨盤(pán)面的端跳和機(jī)床的振動(dòng)會(huì)引起研磨時(shí)盤(pán)面對(duì)刀刃的沖擊，從而破壞刀刃的平直性，其中尤以盤(pán)面端跳的影響更為直接，這是因?yàn)橛啥颂鸬臎_擊方向垂直于盤(pán)面。圖3和圖4分別為刀刃鋸齒度與盤(pán)面端跳和機(jī)床振動(dòng)的關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，盤(pán)面端跳和機(jī)床振動(dòng)對(duì)刀刃鋸齒度的影響都分別存在一個(gè)臨界值，當(dāng)小于臨界值時(shí)，刀刃鋸齒度趨向于零；而當(dāng)大于臨界值時(shí)，刀刃鋸齒度急劇上升。
為了減小盤(pán)面端跳，在用油石研磨盤(pán)面時(shí)，應(yīng)同時(shí)檢測(cè)盤(pán)面的端跳情況，并盡可能通過(guò)研磨消除端跳。然后還需進(jìn)行研磨盤(pán)的在線動(dòng)平衡，以減小運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因機(jī)構(gòu)不平衡而產(chǎn)生的振動(dòng)。
端跳和振動(dòng)還與研磨機(jī)的精度及減振性能有關(guān)。傳統(tǒng)的木制頂尖研磨機(jī)因頂尖與轉(zhuǎn)軸之間需要墊以纖維襯墊，同時(shí)由于木材剛性的限制，會(huì)導(dǎo)致研磨盤(pán)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生0.05～0.1mm的動(dòng)態(tài)跳動(dòng)；此外，木材和纖維物質(zhì)的耐熱性差，在高速滑動(dòng)條件下很容易磨損而使轉(zhuǎn)軸與頂尖之間產(chǎn)生間隙，因此需要經(jīng)常調(diào)整間隙、更換襯墊或木制頂尖。由于使用此類(lèi)設(shè)備時(shí)不穩(wěn)定因素較多，只有在設(shè)備狀態(tài)最佳的某些不長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)才能研磨出基本合格的天然金剛石刀具，即使是技術(shù)熟練的操作人員，也只能達(dá)到30%～50%的加工合格率。
靜壓空氣軸承的精度高于0.5µm，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，且承托主軸的高壓空氣具有較強(qiáng)的吸振能力。所以采用靜壓空氣軸承的研磨機(jī)即使研磨刀刃楔角只有45°的金剛石刀具，也能獲得完美無(wú)缺的刀刃。對(duì)于一般的民用金剛石刀具，基本上可以達(dá)到100%的加工合格率。
偏向角對(duì)研磨質(zhì)量的影響
偏向角w是在金剛石的被研磨面上實(shí)際研磨方向與最好磨方向之間的夾角。對(duì)于(1 1 0)面，當(dāng)在最好磨方向(w=0°)研磨時(shí)，金剛石表面非常光潔，且表面有較大起伏，這是因?yàn)樵谧詈媚シ较蛏�，研磨盤(pán)面的不平度在金剛石表面得到了充分復(fù)映；當(dāng)w=45°時(shí)，金剛石表面仍然相當(dāng)光潔，但起伏程度變小，并出現(xiàn)細(xì)小溝痕；當(dāng)w=60°時(shí)，金剛石表面產(chǎn)生密集的深溝，研磨速率變得很低；在最難磨方向，金剛石表面充滿一個(gè)個(gè)凹坑，研磨速率基本為零。w<45°的區(qū)域均可認(rèn)為是好磨方向，可以獲得光潔的表面。對(duì)于(1 0 0)面，其好磨區(qū)域?yàn)閣<15°。
在好磨區(qū)域內(nèi)鋸齒度趨向于零，當(dāng)w>45°后，刀刃上迅速出現(xiàn)較大崩口。對(duì)于(1 0 0)面同樣可得到類(lèi)似結(jié)果。
偏向角對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律還可用于判斷金剛石的最好磨方向，因?yàn)樵谧詈媚シ较蜓心r(shí)，金剛石表面光亮且有較大起伏。
綜上所述，金剛石刀具的研磨質(zhì)量對(duì)各種加工條件都相當(dāng)敏感，特別在研磨小刀刃楔角的金剛石刀具(如眼科手術(shù)刀、光纖切割刀和生物切片刀等)時(shí)尤其如此。因此，在研磨時(shí)必須仔細(xì)處理研磨盤(pán)表面，使用極細(xì)的金剛石研磨粉，找到最好磨方向，并采用精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且振動(dòng)小的研磨機(jī)床(如空氣靜壓軸承研磨機(jī))，在保證各種加工條件處于較理想狀態(tài)時(shí)，即可研磨出無(wú)崩口、刀刃鋸齒度小的高質(zhì)量金剛石刀具。
