金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点。可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。金刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。

天然金刚石刀具主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属，以及特殊零件的超精密镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。但其结晶各向异性，刀具价格昂贵。PCD的性能取决于金刚石晶粒及钴的含量，刀具寿命为硬质合金(WC基体)刀具的10～500倍。主要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件材料以及硬度。人造聚晶金刚石复合片(PDC)性能和应用接近PCD刀具，主要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合材料等切削加工，逐渐替代硬质合金刀具。由于金刚石颗粒间有部分残余粘结金属和石墨，其中粘结金属以聚结态或呈叶脉状分布会减低刀具耐磨性和寿命。此外存在溶媒金属残留量，溶媒金属与金刚石表面直接接触。降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐热温度，故刀具切削性能不够稳定。金刚石厚膜刀具制备过程复杂，因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润。可焊性极差，难以制作复杂几何形状刀具，故TDF焊接刀具不能应用在高速铣削中。金刚石涂层刀具可以应用于高速加工，原因是除了金刚石涂层刀具具有优良的机械性能外，金刚石涂层工艺能够制备任意复杂形状铣刀，用于高速加工如铝钛合金航空材料和难加工非金属材料如石墨电极等。

用户在选择和使用金刚石涂层刀具之前，必须了解有关金刚石涂层刀具的以下几点常识：

涂层的区别

非晶金刚石(也称为类金刚石碳——译注)涂层是采用PVD工艺沉积的一种碳膜。它既具有一部分金刚石的SP3键，又具有一部分碳的SP2键；其成膜硬度很高，但又低于金刚石膜的硬度；其厚度也比我们通常沉积的金刚石膜要薄一些。加工石墨时，非晶金刚石涂层刀具的寿命是未涂层硬质合金刀具的2-3倍。与之相比，CVD金刚石则是采用CVD工艺沉积的纯金刚石涂层，加工石墨时的刀具寿命是硬质合金刀具的12-20倍，从而可减少换刀次数，提高加工的可靠性和精度一致性。

加工淬硬钢

金刚石由碳原子构成。某些材料受热时，会从金刚石中吸出碳原子并在工件中形成碳化物。铁就是此类材料之一。用金刚石刀具加工铁族材料时，摩擦产生的热量会使金刚石中的碳原子扩散到铁中，从而造成金刚石涂层因化学磨损而提前失效。

刀具的限制

重磨和(或)重涂层的金刚石涂层刀具质量难以保证由于刀具表面生成的涂层为纯金刚石，因此用金刚石磨轮对刀具进行重磨需要耗费很长时间。此外，为使金刚石生长而采用的刀具。制备工艺会改变刀具表面的化学特性，由于涂层时要求对这种化学特性进行非常精确的控制，因此刀具重新涂层的效果难以得到保证。

刀具的寿命

与任何其他刀具一样，金刚石涂层刀具的寿命也各不相同，主要取决于被切削材料、选用的进给率和切削速度，以及工件的几何形状等。一般来说，加工石墨的金刚石涂层刀具的寿命是未涂层硬质合金刀具的10-20 倍，在某些情况下甚至可能更长。这样，就能用一把刀具完成几乎任何加工任务，无需因刀具磨损而换刀，避免了加工中断和重新校准，从而有可能实现无人值守加工。在复合材料的加工中，也完全可能获得较长的刀具寿命。

据报道，在加工高密度玻璃纤维、碳纤维和Gl0-FR4等难加工复合材料时，金刚石涂层刀具的寿命可高达未涂层硬质合金刀具的70倍。

存在的问题

金刚石涂层的剥落可以预防涂层剥落是金刚石涂层刀具的一个严重问题，也是一个常见问题(尤其在加工碳纤维之类材料时)，会导致刀具寿命难以预测。上世纪90年代后期，界面化学特性被确定为是影响金刚石涂层粘附性能的重要因素。通过选择兼容性好的硬质合金化学特性、采用适当的预处理技术和合理的沉积反应条件，就有可能减轻或消除金刚石涂层的剥落，稳定地实现平稳的磨损模式。在显微镜下观察正常磨损的金刚石涂层刀具，可以发现，金刚石被稳定磨损直至硬质合金基体，而没有发生崩刃或剥落。

1、天然金刚石Natural Diamond(ND)；

2、人造聚晶金刚石Artificial Polvcrystalline Diamond(PCD)；

3、人造聚晶金刚石复合片Polycrystalline Diamond Compact(PDC)；化学气相沉积涂层金刚石刀具ChemicalVapor Deposition Diamond Coated Tools(CVD)。

4、沉积厚度达100µm的无衬底纯金刚石厚膜Thick Diamond Film(CD)；

5、在刀具基体表面直接上沉积厚度小于30µm的金刚石薄膜涂层Coated Thin Diamond Film(CD)。

天然ND刀具

为天然金刚石拉蔓峰谱，具有以下特征：

(1)1332尖锋处显示存在金刚石。

(2)波型幅度(FWHM)为4.1cm-1

显示为纯金刚石。ND是已知矿物中最硬的物质，主要用于制备刀具车刀。天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01～0.002µm。其中天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃光滑。SCD车削铝制活塞时Ra可达到4µm，而在同样切削条件下用PCD刀具加工时的表面粗糙时的Ra为15～50µm。故采用SCD刀具配合精密车床进行精密和超精密加工，可获得镜面表面。

聚晶PCD刀具

PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料，又称烧结金刚石。聚晶金刚石刀具整体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状态，属各向同性，硬度均匀，石墨化温度为550℃。刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数。刀刃非常锋利等特点。

人造PCD刀具

为提高PCD刀片的韧性和可焊性，常将PCD与硬质合金刀体做成人造聚晶金刚石复合刀片(PDc)。即在硬质合金基底其表面压制一层0.5～1mm厚的PCD烧结而成。复合刀片的抗弯强度与硬质合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。PCD及人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量低于ND。同时其可加工性很差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形。利用人造聚晶金刚石复合片只能制备车刀，还不能制造带断屑槽的可转位刀片和复杂三维曲面几何形状的铣刀。

TDF焊接刀具

金刚石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金刚石厚膜一次焊接至基体(通常为K类硬质合金)上，形成复合片，然后抛光复合片，二次焊接至刀体上，刃磨成需要的形状和刃口。如图3(a)所示，为CVD金刚石厚膜(金刚石膜厚度达30µm)，具有硬度高、耐磨损、摩擦系数小等特点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。由于金刚石焊接过程工艺复杂，CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具尚未大批量应用。

涂层刀具

金刚石涂层刀具是用CVD法直接在硬质合金(K类硬质合金)或陶瓷等基体上沉积一层1～25µm金刚石薄膜，无解理面各向同性。如图3(b)。薄膜涂层刀具硬度达9800～10000HV。热导率高，室温下导热系数高达2000W·m-1·K-1，而硬质合金刀具导热系数仅为80～100m-1·K-1。CVD方法金刚石可以涂层到任何复杂形状的刀具上，这是聚晶金刚石无法拥有的最显著的优势。

立方氮化硼刀具

立方氮化硼(PCBN)是继人工合成金刚石之后出现的第二种无机超硬材料,其硬度略次于金刚石,热稳定性好,耐热性可达到1400~1500度,比金刚石的耐热性(700~800度)几乎高一倍.立方氮化硼(PCBN)刀具主要适合加工各种黑色金属及其合金材料;最适合于各种淬硬钢(碳素工具钢 轴承钢 模具钢 高速钢)珠光体灰口铸铁(钒钛铸铁)冷硬铸铁高温合金(镍基合金钴基合金)及表面喷涂堆焊的加工.具有使用寿命长,减少换刀次数,补偿停机所花的时间,使数控机床和自动化生产线的高效能得到更充分的发挥,可以改变传统的机械加工方式(即淬火前用刀具粗加工和淬火后用砂轮精加工的方法),从而能在一台数控机床进行淬火前淬火后的车削加工(以车代磨),具有很好的经济效益.

天然钻石四方拉丝模

陶瓷结合剂金刚石砂轮具有金刚石和陶瓷结合剂的共同特点，与普通刚玉、碳化硅磨具相比，它的磨削力强，磨削时温度比较低，磨具磨损比较小；可以适应各种冷却液的作用；磨削时磨具的形状保持性好，磨出工件的精度高；磨具内有较多的气孔，磨削时有利于排屑和散热，不易堵塞、不易烧伤工件；磨具的自锐性比较好，修整间隔的时间长，修整比较容易。因此陶瓷结合剂金刚石砂轮在国外一些发达国家的使用日益增多。

选择合理的工艺参数，陶瓷结合剂金刚石砂轮研磨单晶金刚石，研磨效率比金属结合剂砂轮高，磨耗比非常小，加工成本低，因此采用陶瓷结合剂砂轮研磨单晶金刚石，可极大的提高破天研磨效率。在磨削PCD刀具方面，由于树脂结合剂较软，磨削时容易变形，不能有效地磨削PCD刀具；金属结合剂由于对磨粒的结合能力太强而使磨具自锐性差，磨削效率低，而且金属结合剂砂轮会造成PCD刀具边缘产生最最严重的破坏；综合磨削效率、磨具耐用度及工件表面的加工质量，陶瓷结合剂金刚石砂轮是磨削PCD刀具最合适选择。

第1章绪论

1.1天然金刚石刀具对超精密车削加工的重要作用

1.1.1金刚石刀具刃口锋利度对超精密车削加工的重要作用与影响

1.1.2金刚石刀具刀刃几何形状对超精密车削加工的影响

1.1.3金刚石刀具刀刃轮廓精度对超精密车削加工的影响

1.1.4金刚石刀具刀刃微观质量对超精密车削加工的影响

1.2天然金刚石刀具制造技术的发展

1.2.1天然金刚石刀具的制造方法和主要技术指标

1.2.2天然金刚石刀具制造技术的发展

1.2.3天然金刚石刀具应用技术的发展

1.3天然金刚石刀具制造中的关键问题

1.3.1天然金刚石刀具刃磨理论方面的关键问题

1.3.2天然金刚石刀具的设计技术

1.3.3金刚石刀具刃磨的关键工艺技术问题

1.3.4天然金刚石刀具刃磨机床的问题

1.3.5天然金刚石刀具检测与评价方面存在的问题

1.3.6天然金刚石刀具微观应用领域存在的问题

参考文献

第2章天然金刚石晶体特性及预处理技术

2.1天然金刚石晶体特性

2.1.1物理化学性质

2.1.2晶体学特性

2.2天然金刚石的分类与选料

2.2.1金刚石的分类

2.2.2选料原则

2.3天然金刚石的定向

2.3.1人工目测晶体定向

2.3.2激光晶体定向

2.3.3X射线晶体定向

2.4天然金刚石的切割

2.4.1劈割

2.4.2锯切

2.4.3激光切割

2.5天然金刚石的装卡

2.5.1机械夹持法

2.5.2粘结法

2.5.3镶嵌法

2.5.4粉末冶金法

2.5.5钎焊法

参考文献

第3章金刚石刀具的设计与制造方法

3.1金刚石刀具的几何形状设计

3.2金刚石刀具的晶面设计准则

3.3金刚石刀具的传统制造方法及优缺点

3.4金刚石刀具的新型制造方法

参考文献

第4章金刚石晶体的机械研磨理论

4.1金刚石晶体的机械研磨理论与学说

4.2机械研磨过程的分子动力学仿真模拟

4.2.1仿真模型的建立

4.2.2动态研磨力的分布

4.3金刚石晶体的脆塑转变机理

4.3.1机理学说的提出

4.3.2实验验证

4.4金刚石晶体研磨碎屑的相变问题

4.5金刚石晶体的各向异性评价

4.5.1金刚石晶体中PBC

4.5.2各向异性评价模型

4.5.3不同单形中的晶面及其磨削方向

4.6材料去除率的比值模型

4.6.1材料去除率比值和难磨比值的定义

4.6.2（100）前刀面上的材料去除率比值模型

4.6.3（110）前刀面上的材料去除率比值模型

参考文献

第5章天然金刚石刀具研磨机床的设计与制造

5.1天然金刚石刀具对研磨设备的要求

5.2天然金刚石刀具研磨机的发展

5.3天然金刚石刀具研磨机设计方法和步骤

5.4天然金刚石刀具研磨机的机械系统设计

5.4.1研磨机功能分析和整体设计

5.4.2总功能分解

5.4.3两种类型后刀面的研磨

5.4.4原理解组合

5.5总体结构设计方案

5.5.1总体布置的设计

5.5.2坐标系的定义

5.5.3总体参数的确定

5.6研磨机的误差初步分析与建模

5.6.1研磨机的拓扑结构

5.6.2研磨机误差分析

5.6.3空间误差模型

5.6.4误差分配

5.7动力学分析

5.7.1有限元模型的建立

5.7.2结合面处理

5.7.3网格划分

5.7.4载荷加载及求解

5.7.5观察结果

5.8三维外形设计

5.9控制系统的开发

5.9.1电气系统总体方案

5.9.2各轴系控制方案

5.9.3软件功能模块划分

5.9.4软件总体结构设计

5.9.5数据流设计

5.10其他辅助设计

参考文献

……

第6章天然金刚石刀具的机械研磨工艺

第7章金刚石刀具的刃口极限锋利度

第8章天然金刚石刀具的参数检测与质量评价

第9章天然金刚石刀具的应用

名词索引

1 单晶金刚石刀具的选料与定向

制作单晶金刚石刀具第1 步工作就是选料,根据不同的加工条件、方法,选择合适的原材料不仅可以保证刀具的质量,而且可以避免浪费金刚石原材料而增加加工成本。一般刀具用金刚石原材料要求晶体完整、无裂痕,晶体表面应该尽量平整,最小直径一般应不小于4 mm ,重量为0. 7～3 ct 。

由于刀具的要求,或金刚石形状所决定,有时候需要将金刚石原石分割。金刚石具有平行完全解理,金刚石中的碳原子与碳原子之间是以较大力量的共价键结合在一起的。但是在金刚石结构中的某些特定方向,如平行八面体面方向施加一定的力后,金刚石非常容易破裂,主要是因为金刚石晶体中连接此面的键相对较少。因此选择金刚石的解理面进行分割原石。在需要劈开的金刚石上开出一条称为切缝的槽或刻痕。劈开的技巧在于知道从哪里开缝以及要切多深。切缝要想磨出一把高质量单晶金刚石刀具,必须掌握单晶金刚石的晶体定向技术。这主要是由于单晶金刚石的各向异性的特点决定的,金刚石的各个方

向上的硬度差别很大。要选择合适的晶面和晶向作为刀具的前刀面、后刀面,即刀刃,使其耐磨性和加工性能达到最好。金刚石晶体各界面在好磨方向上, 晶面的磨削率最低, 晶面次之, 晶面磨削率最高。由于 晶面硬度太高,研磨加工困难,而且微观强度不高,易解理,很难磨出锋利刃口。晶面在好磨方向上磨削率比晶面高近一倍, 但从金刚石不同晶面产生破损的机率来适用各种型号的电机进行综合保护。对于不同的电机只需调整相应阀值即可。