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,、開坯,、裝卡,、粗磨、精磨和檢驗,。將選定的金剛石原石經(jīng)定向后沿最大平面鋸割開,，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,。通過開坯可使刀具形狀達到裝卡(鑲嵌或釬焊)要求。開坯和粗,、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上進行。研磨盤的直徑約為300mm,，由材料組織中孔隙的形狀,、大小和比例均經(jīng)過優(yōu)化的研磨金剛石專用高磷鑄鐵制成。研磨盤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,，但研磨質量較差，因此粗磨時一般采用粗粉,，而精磨時則采用尺寸小于1µm的細粉,。研磨前,，首先將金剛石粉與橄欖油或其它類似物質混合成研磨膏,，然后涂敷在研磨盤表面，放置一段時間使研磨膏充分滲入研磨盤的鑄鐵孔隙中,，再用一較大的金剛石在研磨盤表面進行來回預研磨,，以進一步強化金剛石粉在鑄鐵孔隙中的鑲嵌作用。研磨時,，一般將被研磨的金剛石包埋在錫斗中,，只露出需研磨的面。研磨時的研磨盤轉速約為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，其研磨機理至今尚未得到令人信服的闡釋,，影響研磨質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題進行討論。
2 磨削量的影響因素
通過實驗發(fā)現(xiàn),，磨削量與研磨條件的關系為
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改變磨削率的大小,，從而影響磨削量。
3 研磨質量的影響因素
金剛石硬度高,、脆性大,，研磨時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倍顯微鏡下觀察無崩口，因此需要從各方面優(yōu)化研磨過程,，以獲得平直完美的刀刃,。
研磨粉粒度和研磨盤表面狀態(tài)對研磨質量的影響
可以看出，由于粗粉對刀刃的沖擊性較大,，研磨后刀刃鋸齒度也較大,，基本上難以研磨出無崩口的刀刃；而采用細粉時,，經(jīng)過幾分鐘的研磨后刀刃即變得平直,，鋸齒度趨向于零,。
新制造的研磨盤因加工精度的限制，其盤面不平度較大,，對于研磨的穩(wěn)定性有一定影響,。此外，剛涂敷在盤面上的磨粒本身的等高性也較差,。經(jīng)過一段時間的研磨后,，盤面上的高點被研平，磨粒中的較大顆粒也被打碎或鏟離盤面,，從而使磨粒的等高性得到改善,，刀刃鋸齒度穩(wěn)定減小。所以對于金剛石刀具的開刃或精磨等關鍵工序,，必須在穩(wěn)定的研磨盤盤面上進行,。
由于研磨過程中磨粒會被不斷打碎或損失，若不及時加以補充,，將導致因盤面磨粒密度不夠而使金剛石直接與鑄鐵接觸,，不但會影響刀具研磨質量，還會因金剛石的擠刮作用破壞或堵塞盤面上的孔隙,，從而降低研磨盤的使用壽命,。因此，在研磨過程中需要經(jīng)常向盤面添加新的研磨膏,。
此外,，在涂粉之前對研磨盤盤面的預處理也至關重要，一般需用油石或較粗的SiC研磨粉對盤面進行推磨,，以去除車削溝紋,，提高盤面的平整性。通過用各種油石和SiC粉研磨盤面的比較試驗,，發(fā)現(xiàn)用TL280ZY1油石推磨盤面1小時后再涂以W1細金剛石粉,，可獲得最理想的研磨盤面，此時盤面達到穩(wěn)定的時間最短,，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面上的孔隙，使金剛石粉難以大量而牢固地鑲嵌于研磨盤上,。
刃磨角對研磨質量的影響
刃磨角q是研磨的線速度方向與刀刃的夾角,。當q>0°時，研磨方向從刀體指向刀刃,，稱為順磨,；當q<0°時，研磨方向從刀刃指向刀體，稱為逆磨,。圖2所示為刀刃鋸齒度與刃磨角的關系,。由于金剛石的抗拉強度極高，順磨時,，刀刃承受拉應力,，因此磨后鋸齒度較小,；逆磨時,，刀刃承受壓應力，因此磨后鋸齒度較大,。從圖2可看出,，當q大于且接近于0°時刀刃可獲得最小的鋸齒度，此時刃口處的應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力強度,。平行于刀刃研磨的另一個好處是刀面的磨痕也與刀刃平行，在切削加工中不會復映到已加工表面,，有助于提高切削加工質量,。
盤面端跳和機床振動對研磨質量的影響
研磨盤面的端跳和機床的振動會引起研磨時盤面對刀刃的沖擊，從而破壞刀刃的平直性,，其中尤以盤面端跳的影響更為直接,，這是因為由端跳引起的沖擊方向垂直于盤面。圖3和圖4分別為刀刃鋸齒度與盤面端跳和機床振動的關系,。從圖中可見,，盤面端跳和機床振動對刀刃鋸齒度的影響都分別存在一個臨界值，當小于臨界值時,，刀刃鋸齒度趨向于零,；而當大于臨界值時，刀刃鋸齒度急劇上升,。
為了減小盤面端跳,，在用油石研磨盤面時，應同時檢測盤面的端跳情況,，并盡可能通過研磨消除端跳,。然后還需進行研磨盤的在線動平衡，以減小運轉時因機構不平衡而產(chǎn)生的振動,。
端跳和振動還與研磨機的精度及減振性能有關,。傳統(tǒng)的木制頂尖研磨機因頂尖與轉軸之間需要墊以纖維襯墊，同時由于木材剛性的限制,，會導致研磨盤在高速旋轉時產(chǎn)生0.05～0.1mm的動態(tài)跳動,；此外，木材和纖維物質的耐熱性差,，在高速滑動條件下很容易磨損而使轉軸與頂尖之間產(chǎn)生間隙,，因此需要經(jīng)常調整間隙,、更換襯墊或木制頂尖。由于使用此類設備時不穩(wěn)定因素較多,，只有在設備狀態(tài)最佳的某些不長的時間段內(nèi)才能研磨出基本合格的天然金剛石刀具,，即使是技術熟練的操作人員，也只能達到30%～50%的加工合格率,。
靜壓空氣軸承的精度高于0.5µm,，旋轉平穩(wěn)，且承托主軸的高壓空氣具有較強的吸振能力,。所以采用靜壓空氣軸承的研磨機即使研磨刀刃楔角只有45°的金剛石刀具,，也能獲得完美無缺的刀刃。對于一般的民用金剛石刀具,，基本上可以達到100%的加工合格率,。
偏向角對研磨質量的影響
偏向角w是在金剛石的被研磨面上實際研磨方向與最好磨方向之間的夾角。對于(1 1 0)面,，當在最好磨方向(w=0°)研磨時,，金剛石表面非常光潔，且表面有較大起伏,，這是因為在最好磨方向上,，研磨盤面的不平度在金剛石表面得到了充分復映；當w=45°時,，金剛石表面仍然相當光潔,，但起伏程度變小，并出現(xiàn)細小溝痕,；當w=60°時,，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個凹坑，研磨速率基本為零,。w<45°的區(qū)域均可認為是好磨方向,，可以獲得光潔的表面。對于(1 0 0)面,，其好磨區(qū)域為w<15°,。
在好磨區(qū)域內(nèi)鋸齒度趨向于零，當w>45°后,，刀刃上迅速出現(xiàn)較大崩口,。對于(1 0 0)面同樣可得到類似結果。
偏向角對表面質量的影響規(guī)律還可用于判斷金剛石的最好磨方向，因為在最好磨方向研磨時,，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量對各種加工條件都相當敏感,，特別在研磨小刀刃楔角的金剛石刀具(如眼科手術刀,、光纖切割刀和生物切片刀等)時尤其如此。因此,，在研磨時必須仔細處理研磨盤表面,，使用極細的金剛石研磨粉，找到最好磨方向,，并采用精度高,、運轉平穩(wěn)且振動小的研磨機床(如空氣靜壓軸承研磨機)，在保證各種加工條件處于較理想狀態(tài)時,，即可研磨出無崩口,、刀刃鋸齒度小的高質量金剛石刀具。
單晶金剛石刀具的制造工序一般包括選料,、定向、鋸割,、開坯,、裝卡,、粗磨、精磨和檢驗,。將選定的金剛石原石經(jīng)定向后沿最大平面鋸割開,，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,。通過開坯可使刀具形狀達到裝卡(鑲嵌或釬焊)要求。開坯和粗,、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上進行。研磨盤的直徑約為300mm,，由材料組織中孔隙的形狀,、大小和比例均經(jīng)過優(yōu)化的研磨金剛石專用高磷鑄鐵制成。研磨盤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,，但研磨質量較差，因此粗磨時一般采用粗粉,，而精磨時則采用尺寸小于1µm的細粉,。研磨前,，首先將金剛石粉與橄欖油或其它類似物質混合成研磨膏,，然后涂敷在研磨盤表面，放置一段時間使研磨膏充分滲入研磨盤的鑄鐵孔隙中,，再用一較大的金剛石在研磨盤表面進行來回預研磨,，以進一步強化金剛石粉在鑄鐵孔隙中的鑲嵌作用。研磨時,，一般將被研磨的金剛石包埋在錫斗中,，只露出需研磨的面。研磨時的研磨盤轉速約為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，其研磨機理至今尚未得到令人信服的闡釋,，影響研磨質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題進行討論。
2 磨削量的影響因素
通過實驗發(fā)現(xiàn),，磨削量與研磨條件的關系為
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改變磨削率的大小,，從而影響磨削量。
3 研磨質量的影響因素
金剛石硬度高,、脆性大,，研磨時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倍顯微鏡下觀察無崩口，因此需要從各方面優(yōu)化研磨過程,，以獲得平直完美的刀刃,。
研磨粉粒度和研磨盤表面狀態(tài)對研磨質量的影響
可以看出，由于粗粉對刀刃的沖擊性較大,，研磨后刀刃鋸齒度也較大,，基本上難以研磨出無崩口的刀刃；而采用細粉時,，經(jīng)過幾分鐘的研磨后刀刃即變得平直,，鋸齒度趨向于零,。
新制造的研磨盤因加工精度的限制，其盤面不平度較大,，對于研磨的穩(wěn)定性有一定影響,。此外，剛涂敷在盤面上的磨粒本身的等高性也較差,。經(jīng)過一段時間的研磨后,，盤面上的高點被研平，磨粒中的較大顆粒也被打碎或鏟離盤面,，從而使磨粒的等高性得到改善,，刀刃鋸齒度穩(wěn)定減小。所以對于金剛石刀具的開刃或精磨等關鍵工序,，必須在穩(wěn)定的研磨盤盤面上進行,。
由于研磨過程中磨粒會被不斷打碎或損失，若不及時加以補充,，將導致因盤面磨粒密度不夠而使金剛石直接與鑄鐵接觸,，不但會影響刀具研磨質量，還會因金剛石的擠刮作用破壞或堵塞盤面上的孔隙,，從而降低研磨盤的使用壽命,。因此，在研磨過程中需要經(jīng)常向盤面添加新的研磨膏,。
此外,，在涂粉之前對研磨盤盤面的預處理也至關重要，一般需用油石或較粗的SiC研磨粉對盤面進行推磨,，以去除車削溝紋,，提高盤面的平整性。通過用各種油石和SiC粉研磨盤面的比較試驗,，發(fā)現(xiàn)用TL280ZY1油石推磨盤面1小時后再涂以W1細金剛石粉,，可獲得最理想的研磨盤面，此時盤面達到穩(wěn)定的時間最短,，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面上的孔隙，使金剛石粉難以大量而牢固地鑲嵌于研磨盤上,。
刃磨角對研磨質量的影響
刃磨角q是研磨的線速度方向與刀刃的夾角,。當q>0°時，研磨方向從刀體指向刀刃,，稱為順磨,；當q<0°時，研磨方向從刀刃指向刀體，稱為逆磨,。圖2所示為刀刃鋸齒度與刃磨角的關系,。由于金剛石的抗拉強度極高，順磨時,，刀刃承受拉應力,，因此磨后鋸齒度較小,；逆磨時,，刀刃承受壓應力，因此磨后鋸齒度較大,。從圖2可看出,，當q大于且接近于0°時刀刃可獲得最小的鋸齒度，此時刃口處的應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力強度,。平行于刀刃研磨的另一個好處是刀面的磨痕也與刀刃平行，在切削加工中不會復映到已加工表面,，有助于提高切削加工質量,。
盤面端跳和機床振動對研磨質量的影響
研磨盤面的端跳和機床的振動會引起研磨時盤面對刀刃的沖擊，從而破壞刀刃的平直性,，其中尤以盤面端跳的影響更為直接,，這是因為由端跳引起的沖擊方向垂直于盤面。圖3和圖4分別為刀刃鋸齒度與盤面端跳和機床振動的關系,。從圖中可見,，盤面端跳和機床振動對刀刃鋸齒度的影響都分別存在一個臨界值，當小于臨界值時,，刀刃鋸齒度趨向于零,；而當大于臨界值時，刀刃鋸齒度急劇上升,。
為了減小盤面端跳,，在用油石研磨盤面時，應同時檢測盤面的端跳情況,，并盡可能通過研磨消除端跳,。然后還需進行研磨盤的在線動平衡，以減小運轉時因機構不平衡而產(chǎn)生的振動,。
端跳和振動還與研磨機的精度及減振性能有關,。傳統(tǒng)的木制頂尖研磨機因頂尖與轉軸之間需要墊以纖維襯墊，同時由于木材剛性的限制,，會導致研磨盤在高速旋轉時產(chǎn)生0.05～0.1mm的動態(tài)跳動,；此外，木材和纖維物質的耐熱性差,，在高速滑動條件下很容易磨損而使轉軸與頂尖之間產(chǎn)生間隙,，因此需要經(jīng)常調整間隙,、更換襯墊或木制頂尖。由于使用此類設備時不穩(wěn)定因素較多,，只有在設備狀態(tài)最佳的某些不長的時間段內(nèi)才能研磨出基本合格的天然金剛石刀具,，即使是技術熟練的操作人員，也只能達到30%～50%的加工合格率,。
靜壓空氣軸承的精度高于0.5µm,，旋轉平穩(wěn)，且承托主軸的高壓空氣具有較強的吸振能力,。所以采用靜壓空氣軸承的研磨機即使研磨刀刃楔角只有45°的金剛石刀具,，也能獲得完美無缺的刀刃。對于一般的民用金剛石刀具,，基本上可以達到100%的加工合格率,。
偏向角對研磨質量的影響
偏向角w是在金剛石的被研磨面上實際研磨方向與最好磨方向之間的夾角。對于(1 1 0)面,，當在最好磨方向(w=0°)研磨時,，金剛石表面非常光潔，且表面有較大起伏,，這是因為在最好磨方向上,，研磨盤面的不平度在金剛石表面得到了充分復映；當w=45°時,，金剛石表面仍然相當光潔,，但起伏程度變小，并出現(xiàn)細小溝痕,；當w=60°時,，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個凹坑，研磨速率基本為零,。w<45°的區(qū)域均可認為是好磨方向,，可以獲得光潔的表面。對于(1 0 0)面,，其好磨區(qū)域為w<15°,。
在好磨區(qū)域內(nèi)鋸齒度趨向于零，當w>45°后,，刀刃上迅速出現(xiàn)較大崩口,。對于(1 0 0)面同樣可得到類似結果。
偏向角對表面質量的影響規(guī)律還可用于判斷金剛石的最好磨方向，因為在最好磨方向研磨時,，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量對各種加工條件都相當敏感,，特別在研磨小刀刃楔角的金剛石刀具(如眼科手術刀,、光纖切割刀和生物切片刀等)時尤其如此。因此,，在研磨時必須仔細處理研磨盤表面,，使用極細的金剛石研磨粉，找到最好磨方向,，并采用精度高,、運轉平穩(wěn)且振動小的研磨機床(如空氣靜壓軸承研磨機)，在保證各種加工條件處于較理想狀態(tài)時,，即可研磨出無崩口,、刀刃鋸齒度小的高質量金剛石刀具。
