摘要：本文介绍了单晶金刚石刀具研磨方向的选择，同时简单的介绍了单晶金刚石刀具的研磨方法。为了考察单晶金刚石的研磨效率，试验采用陶瓷结合剂金刚石砂轮对单晶金刚石刀片进行研磨。通过改变砂轮转速、砂轮摆动频率、轴向进给量，获得了一些具有对比性的试验结果。通过对试验结果的分析，得出单晶金刚石研磨的各项参数与研磨效率之间的关系，并发现陶瓷结合剂金刚石砂轮的研磨效率比金属结合剂砂轮的研磨效率高。只要采用合理的加工参数，陶瓷结合剂金刚石砂轮研磨单晶金刚石磨耗比低、加工成本低。提高单晶金刚石的研磨效率，研磨加工应该在干研磨状态下进行，并且选好研磨方向。增加砂轮转速、砂轮摆动和轴向进给量可以提高单晶金刚石的研磨效率。

1前言

金刚石具有无与伦比的机械、化学、热学等优良特性，使其在刀具领域具有十分重要的地位。尤其近几年金刚石工业飞速发展，使金刚石原料的质量不断提高，价格不断下降，进一步促进了金刚石在刀具领域的应用。目前金刚石刀具主要集中在PCD复合片、化学气象沉积（CVD）涂层刀具和单晶金刚石刀具方面。其中单晶金刚石刀具在精密、超精密加工领域的作用是前两者无法替代的。目前对单晶金刚石加工工艺的研究还远远不够，因此对其研磨效率进行研究具有很现实的意义。

2单晶金刚石的研磨方向

金刚石晶体属于立方晶系，常见的金刚石为6面体，8面体，和12面体。按照晶体学理论，立方晶系的金刚石晶体有3个主要晶面：（100），（111），（110）。由于每个晶面上的原子排列形式和原子密度不同以及晶面之间的距离不同将直接影响其性能，造成金刚石晶体各向异性，因此金刚石同一晶面不同晶向的性能差异甚大。由于各个晶面不同方向性能上的差异，在对金刚石进行研磨加工时，各晶面具有所谓的“好磨”和“难磨”方向，其磨削率相差甚大。因此为了提高单晶金刚石的研磨效率，就必须知道各晶面的相对磨削率和各晶面的“好磨”与“难磨”方向。根据以前的试验，各个晶面不同方向的研磨效率对比情况如图1所示。从图中可以看到（100）晶面磨削率有4个峰值，各相差90°。（110）方向晶面磨削率有两个峰值，相差180°。（111）晶面磨削率有三个峰值，各相差120°。而且在最高磨削率方向上，（110）晶面的磨削率最高，（100）晶面的磨削率次之，（111）晶面磨削率最低。在难磨方向上三个晶面磨削率都极低，基本上很难研磨。

3单晶金刚石刀具的研磨方法

单晶金刚石刀具的制造工序一般包括选料、定向、锯割、开坯、装卡、粗磨、精磨和检验。将选定的金刚石原石经过定向后沿最大平面锯割开，可得到两把刀具的坯料，这样既能提高金刚石材料的利用率，又可减少总研磨量。通过开坯可使刀具形状达到装卡（镶嵌或钎焊）要求。从目前加工手段来看，开坯和粗磨、精磨加工主要采用研磨的方法。过去通常采用铸铁盘来研磨单晶金刚石，现在采用金刚石砂轮研磨单晶金刚石是比较流行的方法。按结合剂的不同，金刚石砂轮主要分为以下三种：

（1）金属结合剂砂轮

比较常见的是青铜结合剂。青铜结合剂金刚石砂轮的特点是型面的成型性好，有一定的韧性，但自砺性较差。

（2）陶瓷结合剂砂轮

特点是化学性质稳定，耐水，耐热，耐酸并且成本低，但较脆，自砺性好。

（3）树脂结合剂砂轮

特点是强度高，弹性好，结合稳固。但是耐热性差，当磨削温度达到时，它的结合能力便大大降低。

由于树脂结合剂砂轮磨削率较低，所以很少采用这种砂轮研磨金刚石。金属基砂轮研磨效率较高，质量较好，而且对金属基砂轮研磨金刚石的研究也较多，目前大多采用金属基砂轮研磨金刚石。为了考察陶瓷结合剂砂轮对单晶金刚石的研磨效率，本试验采用陶瓷结合剂砂轮，最后获得了比较理想的结果。

4 试验条件

本次试验采用单晶金刚石刀具，刀片形状如图2所示，刀片与刀体采用真空焊，焊接质量较好。砂轮型号采用150x40x15x5。试验用工具磨床为台湾产FC—200D型PCD&PNCD专用刀具磨床。

为了保证试验数据的准确性，相同的试验重复做3次，取其平均值。为了保证砂轮的平整性,每研磨一次，都要对砂轮进行修磨。

5 试验结果

从图3中可以看出在湿研磨的状态下，砂轮转速在600r/min以下时，磨削率基本为0，砂轮转速为900r/min时，磨削率为0.2μm/min，砂轮转速为1500r/min时，磨削率上升到0.6μm/min。以上数据可以表明单晶金刚石在湿研磨状态下研磨效率极低。

图4表明在干研磨状态下，轴向进给为20μm/min，砂轮摆动38次/min的条件下单晶金刚石研磨效率与砂轮转速基本上呈现正比例关系，砂轮转速越高，磨削率越高。

图5表示在干研磨状态下，砂轮摆动频率为38次/min，砂轮转动速度为900r/min的条件下，轴向进给量的增加，会导致磨削效率显著增加。

通过图6中的数据，明显看出在干研磨状态下，砂轮转速为1200r/min，轴向进给为40μm/min的条件下，砂轮的磨削率与砂轮的径向摆动频率基本成正比例关系，与增加砂轮转速结果相似。

6试验结果分析

（1）在试验中发现用陶瓷结合剂砂轮研磨单晶金刚石，磨耗比非常小，研磨两个小时砂轮基本无损耗。究其原因，一方面，陶瓷耐热性好，可以促进金刚石表面热化学作用，使其表面迅速产生软化层，从而降低金刚石砂轮的磨损；另一方面陶瓷结合剂砂轮化学性质稳定，在高温下不易产生化学反应，仍然可以保证其工作性能，这就使得砂轮在研磨过程中不易受到损伤。

（2）单晶金刚石在湿研磨状态下研磨效率极低。这是因为对金刚石的磨削主要是热化学作用与机械作用共同作用的结果。单晶金刚石硬度极高，在正常状态下很难被磨削，只有在较高温度状态下，表面层产生热化学反应，才能达到去除的效果。在干研磨状态下金刚石砂轮接触的研磨表面很容易达到高温状态，使表面热化学作用容易进行。然而湿研磨却减缓了这个过程，冷却液使金刚石表面不断冷却，当砂轮转速低600r/min于时，由摩擦产生的热量，一部分被冷却液吸收，剩余热量不足以使金刚石表面产生高温状态，热化学反应难以产生。当砂轮转速较高，尤其达到1500r/min以上时，砂轮高速旋转，产生大量摩擦热，虽然有冷却液的作用，但仍会产生瞬间高温状态，热化学作用可以进行，不过磨削率仍然很低。

（3）单晶金刚石研磨效率与砂轮转速基本上成正比关系。金刚石砂轮上每颗金刚石磨粒都可以近似的看作一把微小的切刀，砂轮的磨削作用也可以被看作所有参与切削的金刚石磨粒的切削作用的总和，砂轮转速的增加，使单位时间内砂轮上每颗金刚石磨粒滑过金刚石表面的次数增加。因此砂轮转速的增加一方面使单位时间内金刚石表面产生的热量增加，促进金刚石表面热化学作用，另一方面提高了每颗参与切削的金刚石磨粒的切削效率，从而磨削率提高。

（4）增加轴向进给量，磨削率显著增加。这是因为轴向进给量的增加，使金刚石表面与砂轮表面接触力加大，这样在单位时间内，砂轮与刀片表面产生较高的磨削热，促进了金刚石表面热化学作用的进行。再者轴向进给量的增加使金刚石砂轮上每颗金刚石磨粒的切削厚度增加，切削厚度的增加会提高每颗磨粒的切削效率。两方面综合作用，导致整个砂轮磨削率提高。

（5）增大砂轮的径向摆动频率，磨削效率增加。砂轮径向摆动频率的增加，使得每颗参与切削的金刚石磨粒在单位时间内滑过金刚石表面的轨迹增长，也就相当于增加了每颗磨粒的切削速度，从而起到与增加砂轮转速相同的效果。因此增加砂轮摆动频率，磨削率提高。

（6）要想提高研磨效率就应该适当的增加砂轮转速，轴向进给量，或者砂轮摆动频率。但是根据试验中出现的问题和研磨后质量的对比情况来看，要想得到比较理想的研磨效果，各项参数应该合理搭配。为了验证这个问题，在各项参数都采用了较大数值的前提下，进行一组试验，试验中刀具产生掉头现象。根据本人分析，刀具掉头的主要原因是由于各项参数的数值较大，导致摩擦力较大。加之研磨时间过长，使刀头产生的摩擦热量急剧上升，降低了刀片的焊接强度，二者综合作用使刀具掉头。另外，在其他工作条件相同的情况下，通过不同轴向进给量的对比试验可以看到，大进给量研磨后的金刚石表面质量要略差一些。

（7）本次试验也验证了“好磨”与“难磨”方向磨削率的差异性。在“难磨”方向上研磨近一个小时，单晶金刚石基本无变化，但是将研磨方向调整到“好磨”方向，效率明显提高。根据文献，偏向角对单晶金刚石的研磨有较大影响，偏向角是在金刚石的被研磨面上实际研磨方向与最好磨方向之间的夹角。对于（110）面，Ɯ＜45°的区域均可认为是好磨方向，可以获得光洁的表面。对于（100）面，其好磨区域为Ɯ＜15°。

7结论

（1）本次试验表明，研磨单晶金刚石，采用陶瓷结合剂砂轮的研磨效率要比金属结合剂砂轮高。因此在陶瓷结合剂砂轮上研磨单晶金刚石，可极大的提高研磨效率。

（2）过去人们通常认为陶瓷结合剂砂轮脆性大，自砺性强，研磨单晶金刚石磨耗比大，加工成本高。经过本人试验发现只要工艺参数选择合理，采用陶瓷结合剂砂轮研磨单晶金刚石磨耗比非常小，加工成本低。

（3）若想提高单晶金刚石的研磨效率，研磨应在干研磨状态下进行。

（4）增加砂轮转速，砂轮摆动，与轴向进给量，都会使研磨效率提高。但考虑到工艺性的限制和加工后的要求，应该选择各项参数的合理匹配，以期达到较高的研磨效率和较好的加工效果。

（5）单晶金刚石的研磨一定要找好研磨方向，只有这样才能达到事半功倍的效果。