超精金剛石刀具是實(shí)現(xiàn)模具超精加工的關(guān)鍵要素之一。本文對(duì)日本AlliedDiamond株式會(huì)社生產(chǎn)的UPC（UltraPrecisionCuttingTool）超精金剛石刀具的性能、超精切削不同工件材料時(shí)刀具的磨損狀態(tài)及加工實(shí)例作一介紹。
1.UPC超精金剛石刀具的性能
單晶金剛石具有碳原子間以共價(jià)鍵牢固結(jié)合的立方晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為3.567埃，結(jié)合原子間的距離為1.544埃。由于單晶金剛石原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將其作為刀具材料能獲得其它材料所不具備的優(yōu)異硬度和平滑、鋒利的切削刃。UPC超精金剛石刀具采用超精磨削技術(shù)制備，可最大限度地發(fā)揮材料特性，獲得平滑鋒利性與耐磨性兼?zhèn)涞那邢魅?，與超精加工機(jī)床匹配能實(shí)現(xiàn)高精度非球面形狀及微細(xì)形狀的超精加工。
為了滿足模具超精加工的要求，切削深度應(yīng)設(shè)定在納米級(jí)范圍內(nèi)。為此，對(duì)切削刀具的要求為：①刀尖圓弧半徑R達(dá)到數(shù)十納米的鋒利程度；②切削刃棱線的平滑度達(dá)到納米級(jí)水平。采用與刀尖圓弧半徑大小相同的切深進(jìn)行加工時(shí)，不易損傷工件的工作面，加工平穩(wěn)，排屑流暢，因工件彈性變形引起的切削厚度變化也極小，能實(shí)現(xiàn)超精加工。
2.UPC刀具加工不同工件材料的磨損狀態(tài)差異
金剛石刀具的熱化學(xué)磨損狀態(tài)根據(jù)被加工材料種類的不同而有很大差異。在超精密車床上使用刀尖角130°的直線切削刃超精金剛石車刀對(duì)無氧銅和純鋁進(jìn)行端面車削后，刀尖的磨損狀態(tài)表明，切削無氧銅的刀具前刀面產(chǎn)生了月牙洼磨損，但切削刃棱線仍保持鋒利狀態(tài)；切削純鋁的刀具切削刃棱線磨損變?yōu)閳A弧刃，但前刀面未發(fā)現(xiàn)月牙洼磨損。從這些磨損狀態(tài)的差異可以看出各不相同的磨損機(jī)理：切削銅時(shí)，刀具前刀面產(chǎn)生月牙洼磨損是由于銅的觸媒作用使金剛石氧化而引起的，而刀具切削刃棱線因與工件無間隙地完全接觸而未產(chǎn)生氧化磨損；切削鋁時(shí)，由于工作表面與刀具表面直接接觸而生成碳化鋁，工件材料被切削刃切除而使切削刃產(chǎn)生磨損，但因磨損擴(kuò)展方向與切削銅時(shí)相反（從切削刃向后刀面擴(kuò)展），故不會(huì)產(chǎn)生前刀面的月牙洼磨損。
由于不同工件材料的熱化學(xué)現(xiàn)象不同，刀具的磨損狀態(tài)也不同，因此應(yīng)根據(jù)不同種類的工件材料來設(shè)計(jì)合理的刀具前角與后角。
3.UPC-R超精金剛石刀具加工實(shí)例
UPC-R是一種采用圓弧切削刃的UPC超精金剛石刀具，其典型用途是用于DVD等非球面鏡模具的超精加工。UPC-R刀具圓弧切削刃的輪廓精度小于50nm，是目前世界上最高的精度；圓弧R僅為5μm，也是世界上最小的。使用UPC-R超精金剛石刀具在CNC兩坐標(biāo)超精密機(jī)床上加工非球面鏡模具的加工要點(diǎn)包括：①如何連續(xù)形成薄而穩(wěn)定的切屑并流暢排出；②工件旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)具有高水平的動(dòng)平衡性能；③工件能精確地定心；④切削液的穩(wěn)定供給等。由于加工鋼時(shí)的熱化學(xué)反應(yīng)會(huì)使金剛石石墨化并向工件擴(kuò)散，因此UPC金剛石刀具不適合鋼模具的超精加工。但如果在鋼模具表面用非電解方法鍍上數(shù)十微米至數(shù)百微米厚的鎳鍍層，則可用UPC金剛石刀具進(jìn)行超精加工。關(guān)于涂鍍質(zhì)量，應(yīng)選擇不會(huì)產(chǎn)生氣孔、偏析等結(jié)晶構(gòu)造缺陷的非晶質(zhì)鍍層。
4.UPC-T超精金剛石刀具加工實(shí)例
UPC-T是一種采用三角切削刃的UPC超精金剛石刀具，主要用于菲涅爾透鏡模具和液晶導(dǎo)光板等衍射光柵模具的超精加工。
近年來，光學(xué)元件的高精密化、小型化和集成化發(fā)展迅速，從非球面透鏡到能夠?qū)崿F(xiàn)薄型輕量化、集成化的菲涅爾透鏡，對(duì)超精加工技術(shù)的要求越來越高。本加工模式是用1把UPC-T超精金剛石刀具超精加工微細(xì)光柵部分和非球面形狀的實(shí)例，因此要求車刀刀尖切削刃R＜100nm并具有優(yōu)異的切削性能。UPC-T的刀尖切削刃為50nm的微小切削刃，能夠?qū)崿F(xiàn)超精加工。
用超精金剛石刀具加工模具已發(fā)展為透鏡模具加工中不可缺少的加工方法。今后，隨著模具品位的提高和對(duì)成型零件高精密化、多功能化的市場(chǎng)需求不斷高漲，以及醫(yī)療和生物學(xué)領(lǐng)域模具加工需求的增長(zhǎng)，將不斷推進(jìn)新型刀具的開發(fā)。