1 前言 N l@ Hx
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金剛石是單一碳原子的結晶體，其晶體結構屬等軸面心立方晶系(一種原子密度最高的晶系)。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，因此具有很強的結合力、穩(wěn)定性和方向性。獨特的晶體結構使金剛石具有自然界物質中最高的硬度、剛性、折射率、導熱系數(shù)以及優(yōu)良的抗磨損、抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性等。 >Le
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天然金剛石的優(yōu)良特性可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。天然金剛石無內部晶界的均勻晶體結構使刀具刃口理論上可達到原子級的平直度與鋒利度，切削時切薄能力強、精度高、切削力�。惶烊唤饎偸挠捕�、抗磨損與抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性保證了刀具的超長壽命，能保證持續(xù)長久的正常切削，并減少由于刀具磨損對零件精度的影響；其較高的導熱系數(shù)又可降低切削溫度和零件的熱變形。因此，天然金剛石作為超硬刀具材料在機械加工領域有著重要地位并得到了廣泛應用，尤其在超精密加工領域(如加工用于原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、用于導彈或火箭中的導航陀螺、計算機硬盤基片、加速器電子槍等超精密零件)，采用天然金剛石刀具無論在價格上還是在精度上都比傳統(tǒng)加工方法具有明顯優(yōu)勢。表1為采用天然金剛石刀具與傳統(tǒng)的研磨、拋光方法加工各種反射鏡的精度、價格比較結果。 表1 天然金剛石刀具與研磨、拋光方法在加工精度、價格上的比較
E>g' ! 除高科技領域外，天然金剛石刀具在普通工業(yè)和民用產(chǎn)品加工中的應用也逐年增長，已從傳統(tǒng)的手表零件加工發(fā)展到鋁活塞、首飾、制筆、高光標牌、有色金屬裝飾件等的加工，可以說天然金剛石刀具已深入機械加工各個領域，起著越來越重要的作用。
C3_*o>8 5;^8 wh( 另一方面，由于天然金剛石的獨特性能，使得對其本身的加工非常困難。由于天然金剛石具有極高硬度，必須采用特殊方法進行研磨，對操作工人的技術也有很高要求；由于天然金剛石具有良好的化學穩(wěn)定性，過去長期無法對其進行焊接，只能采用機械方法夾持大顆粒金剛石，造成金剛石材料的浪費與刀具價格居高不下，同時還影響了刀具和零件的精度。
8Peqm?{5Y5 }dXL= ul 近百年來，科技人員對金剛石刀具在機械加工中的重要作用、應用前景及實現(xiàn)方法等進行了長期研究及開發(fā)，取得了豐碩成果。下面分階段回顧天然金剛石刀具技術的發(fā)展概況，介紹最新的金剛石刀具尖端技術，并探討今后的發(fā)展趨勢。
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yAL 2 天然金剛石刀具傳統(tǒng)加工工藝 by06!-P0[ 9xKFX|*$ 天然金剛石刀具是二戰(zhàn)后為滿足手表精密零件、光飾件以及首飾雕花等加工需要而發(fā)展起來的，其制造工藝起源于鉆石首飾的研磨拋光技術，它的發(fā)展帶來了手表及相關制造技術的重大變革。
cn\_;TYiJ g ]ihwm~ 鉆石首飾的研磨拋光工藝方法為：在鑄鐵研磨盤的上表面涂敷金剛石微粉與橄欖油混合而成的研磨膏，并使金剛石微粉鑲嵌在鑄鐵表面的微小孔隙中，固定于夾具滑板上的鉆石首飾靠夾具的自重壓在高速旋轉的研磨盤上進行研磨。
e.jgV=dT- uyA9`~p=# 采用鉆石首飾加工方法研磨天然金剛石刀具時，需完成以下特殊工藝：
NFSPw` f q(r2 \ 1) 刀刃處理及檢測：刀刃質量將直接影響被加工零件質量。
vv 8$u3H 2) 定向：將刀具最劇烈磨損面置于金剛石最硬晶面上，使刀具使用壽命最長。傳統(tǒng)的定向方法一般采用肉眼定向。
Z0'3.D,l 3) 裝卡：在切削過程中，天然金剛石刀具要承受來自各個方向的切削力，為保證連續(xù)、穩(wěn)定的切削，必須將金剛石刀具牢固安裝在刀桿上。由于當時尚未發(fā)明金剛石釬焊技術，因此只能采用機械夾持。
Yj"UD:p uo{QF5z] 由于傳統(tǒng)的金剛石刀具加工方法工藝簡單，設備造價低，因此直至今天仍用于金剛石刀具的粗加工。為進一步完善金剛石刀具加工工藝，半個世紀以來科技人員對金剛石晶體的物理、化學性質以及金剛石刀具研磨機理、刀刃形成機理、切削理論、釬焊技術、精密刃磨設備等課題進行了大量研究，為天然金剛石刀具超精密加工技術的開發(fā)打下了堅實基礎，許多研究課題今天仍在繼續(xù)進行。
v[|iuOU cu"%>>, , 3 天然金剛石刀具超精密加工技術 I &xRK' QAJ>93 二十世紀七十年代后期，在激光核融合技術的研究中，需要大量加工高精度軟質金屬反射鏡，要求軟質金屬表面粗糙度和形狀精度達到超精密水平。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法，不僅加工時間長、費用高、操作難度大，而且不易達到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實需求的推動下，天然金剛石超精密鏡面切削技術得以迅速發(fā)展，在已有的金剛石車削技術基礎上，通過提高機床精度與剛性、嚴格控制加工時的振動和溫度漂移、研制超精密天然金剛石刀具等，形成了鏡面切削工藝，并發(fā)展成為一項專門技術。作為超精密鏡面切削的關鍵技術之一，天然金剛石刀具技術在理論及實踐上都取得了顯著的創(chuàng)新與發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
8zGzn%^ ;|^fAc~9{r 3.1 超精密金剛石刀具的開發(fā)
{0LdLRNZ S; c=6@" 1) 在主切削刃與副切削刃之間引入修光刃，使已加工表面的理論粗糙度接近于零且修光刃在500× 或更高倍顯微鏡下檢測時無缺陷。
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