金刚石切削作为精密与超精密加工领域的典型代表，其加工质量主要由机床精度、刀具质量和加工环境决定。在良好的机床精度和隔振散热条件下，金刚石刀具的刀尖轮廓会被直接复刻到工件表面。
20世纪50年代末，传统的机械加工逐渐无法满足航天、国防等领域提出的纳米级精度要求，美国率先发展了超精密加工技术，并开发了单点金刚石切削技术（Single Point Turning Technology），用于加工载人飞船用球面零件、核聚变激光反射镜等。随着该技术的发展，近年来亦有尝试用其切削陶瓷、硅材料和KDP晶体等商用领域。因此，制造稳定的高精度金刚石刀具并对其进行检测成为超精密加工领域的当务之急。
1 研究现状
目前金刚石刀具的刃磨方式多种多样，可分为三大类：机械刃磨法，化学抛光法和离子、激光刻蚀法。最常用、简单且高效的方法仍是机械刃磨法，其研磨方式为：在直径300~400mm铁质磨盘上涂上几微米至几十微米不等的金刚石颗粒并进行预研，使颗粒嵌入到磨盘表面的微孔中，再用其对金刚石刀具进行研磨。
机械刃磨过程中，刀具与铁质磨盘间的研磨机理既是金刚石刀具刃磨技术研究的重难点，也是国际上的研究热点。1920年，M.Tolkowsky 根据金刚石晶体的各向异性和表面切屑，提出可以用微观解理解释各个晶面晶向上的研磨机理。随后又产生了以下几种学说：热磨损去除机理、电致磨损去除机理、脆性塑性转变机制、金刚石晶体sp3碳原子杂化想非晶态sp2杂化转变机制、高温氧化和石墨化等。2008年，李增强引入晶体学中的周期键链PBC（Periodic Bond Chain）概念，结合金刚石晶体研磨的分子动力学模型的模拟结果，给出了金刚石机械刃磨的微观解释：金刚石的难磨与否主要取决于研磨方向与PBC方向的夹角，在易磨方向，晶格受力方向与PBC夹角较大，主要引起共价键的弯曲或扭转，晶格局部变形，去除材料以相变为主；难磨方向，共价键被拉伸或压缩，晶格变形发散，去除材料以微观解理为主，伴之以相变。
欧美、日本等国家在金刚石刀具刃磨技术方面起步较早且一直处于领先地位。1986年，日本大阪大学与美国LLL（Lawrence Livermore National Laboratory）国家实验室合作，使用单点金刚石切削技术在超精密切削机床上实现了最小切削厚度1nm。该研究成果已接近超精密切削加工水平的极限。表1给出了部分制造业发达强国与国内刃磨的金刚石刀具刃口钝圆半径及刀尖圆弧圆度。
表1 部分国家机械刃磨的金刚石刀具刃口钝圆半径
从表1可以看出，美国和日本等发达国家仍处于领先地位。由于国外对刃磨关键技术的保密，严格禁运锋利度100nm以下的刀具和国内相关研究起步晚等原因，我国的金刚石刀具刃磨技术仍处于实验阶段。
对于直线刃金刚石刀具，航天工业总公司第一研究院303所、中国运载火箭技术研究院230厂、上海舒伯哈特等科研院所和单位做了较多工作，可使其刃口钝圆半径达到100nm左右。哈尔滨工业大学、长春理工大学、中国物理工程研究院等单位则聚焦于圆弧刃金刚石刀具。2007年，哈尔滨工业大学的宗文俊等给出了单晶金刚石刃口锋利度的极限值预测，在实验条件下先通过机械刃磨法使圆弧刃金刚石刀具的锋利度达70~90nm，再进行参数优化后的精磨，使锋利度降至30nm左右，最后基于热—机耦合刃磨工艺，使用钢制磨盘可使锋利度达2~9nm。中国物理工程研究院机械制造工艺研究所雷大江等针对刀具装夹系统和研磨工艺进行实验研究，认为合理的设备结构和研磨工艺可稳定得到50nm左右的锋利度；实验还构建了刀尖圆弧轮廓测量系统，实测得到刀尖圆弧波纹度为0.106μm，不确定度为23.8nm。
国内也发展了金刚石刀具微铣刀制造技术，陈俊以{100}晶面为前、后刀面，设计前角0°、后角6°，成功研制了直径0.8mm和0.6mm的金刚石微铣刀。但均与国外有一定差距，且处于实验阶段。
国外金刚石刀具刃磨技术处于领先地位的另一标志是其成熟的金刚石刀具刃磨机床研发、设计、生产和质量管控流程，基本完成指标标准化、产品商业化和销售系列化。对于高精度的圆弧刃金刚石刀具，要求其锋利度小于100nm，刀尖圆弧圆度小于50nm，刀具表面粗糙度小于10nm甚至更低。英国Coborn公司于2008年推出的PG3B型天然金刚石刀具刃磨机床可使刃磨刀具的圆弧精度在25nm以内。瑞士EWAG公司的RS系列精密金刚石刀具磨床可使圆弧精度达到50nm。台湾远山机械工业股份有限公司有代表产品MODEL FC-200D和MODEL FC-500D，可用于研磨CBN和聚晶金刚石刀具，但精度较低。2010年，中国物理工程研究院机械制造工艺研究所与哈尔滨工业大学联合研发了一台金刚石刃磨机床。该机床采用高精度空气静压轴承或导轨支撑的研磨主轴、行星轴、往复摆动轴和进给轴等，拥有较高的几何精度。
金刚石刀具质量检测一直是困扰人们的一大难题。金刚石刀具有多种检测方法，按接触方式可分为接触式与非接触式，如触针法、圆度仪测量法与目测法、SEM法；按照测量方式可分为直接测量与间接测量，如体视显微镜法、AFM法与金线压痕法、铜面压痕法等。使用以上方式测得的均是关于刀具的二维或者三维轮廓图像，提取图像中的点、线特征，准确计算锋利度、刀尖圆弧圆度和粗糙度等指标是问题的核心所在。
美国Oklahoma大学的Lucca和国内的孙涛等基于SEM、AFM及其改进方法得到金刚石刀具的扫描图像，再以圆和抛物线为理想曲线拟合测量数据，建立了刃口钝圆半径的评价模型。德国的Denkena B.等引入额外形状参数评价刃口钝圆半径，建立了多参数的刃口锋利度评价模型。瑞士的Carl-Frederik Wyen等提出了一种通过多次迭代选取圆拟合点的算法。雷大江等基于AFM提出了切点约束和探针针尖半径补偿的金刚石刀具刃口钝圆半径求解方法，应用于KDP晶体切削并取得良好效果。
总的来说，国内的机械刃磨技术仍处于实验阶段，与国外水平仍有较大差距，故急需自主研发高精度的金刚石刀具刃磨机床。
2 金刚石的物理及化学性质
天然金刚石拥有自然界最高硬度这一物理性质奠定了其在超精密切削（尤其是切削硬质材料，如陶瓷、硬质合金）中不可替代的地位。金刚石的熔点高达3550℃且不导电，天然金刚石物理参数见表2。
表2 天然金刚石物理参数
从表2可看出金刚石物理性质优良，高达10000HV的绝对硬度使其可以切削绝大多数材料，1000GPa的弹性模量说明即使在较大受力情况下，刀具变形也很小，有利于误差的控制。金刚石极高的导热系数和金属间极小的摩擦因数，有利于切削，且散热优良，避免加工时过高的温度引起金刚石刀具氧化。一般来说，金刚石刀具不适合加工含钢和铸铁等黑色金属材料。因为碳原子易在摩擦和高温条件下被铁及其化合物催化石墨化、氧化，这也是常用含Fe研磨盘刃磨金刚石刀具的原因。
金刚石具有稳定的化学性质，耐酸耐碱，只在碳酸钠、硝酸钾的熔融液中，或与重铬酸钾和硫酸的混合液煮沸时，表面才稍有氧化。
天然金刚石晶体是碳原子在高温高压下形成的原子立方晶体，每个碳原子都是以sp3杂化轨道与其他四个碳原子形成共价键，键长0.155nm，键角109°28′，构成正四面体（见图1）。
图1 天然金刚石晶体结构
常见的单晶金刚石晶体有{100}、{110}和{111}三个典型晶面，三个晶面的几何性质（如网面间接、网面密度和有效原子数目等）均不同，造成金刚石具有强烈的各向异性。而且在同一晶面上不同晶向的物理、化学性质也不相同，给单晶金刚石刀具的研磨带来很大难度。
3 金刚石刀具主要评价指标
目前，国际上并未建立完善的金刚石刀具刃口轮廓质量评价体系。近年来，部分学者在该方面做了一定工作，对金刚石刀具刃口轮廓检测与评价参数进行了补充和完善。2016年，岳晓斌提出了刃口微豁这一新的评价指标，给出了刀具刀尖圆弧波纹度评价理论模型等。总的来说，目前公认的主要评价参数有：刃口钝圆半径、刀尖圆弧圆度和前后刀面粗糙度。
（1）刃口钝圆半径
金刚石刀具刃口钝圆半径亦称锋利度，是刀具前刀面与后刀面的交线（见图2）。由于实际刃磨条件的制约，交线并非理想弧线，而是带微小半径的倒圆角的棱边。在刀尖处，用垂直于前后刀面的假想平面将该棱剖开，尖端则是一个极其微小的近似圆弧面，该圆弧的曲率半径即为金刚石刀具的刃口钝圆半径。锋利度是金刚石刀具至关重要的指标，不仅影响加工精度，还决定了最小切削厚度。
图2 金刚石刀具刃口钝圆半径
（2）刀尖圆弧圆度
刀尖圆弧圆度也是评价金刚石刀具轮廓质量的重要指标之一，指从刀具前刀面的法线方向投影，在刀尖处得到一段半径为几毫米的圆弧（见图3）。将该圆弧放大至纳米尺寸后，发现并不是一段完美的圆弧，而是在理想弧线内外波动的曲线。曲线上波峰点距离理想圆心的最大距离与波谷点距离圆心的最小距离之差即为金刚石刀具的刀尖圆弧圆度。
图3 金刚石刀具刀尖圆弧圆度
（3）前、后刀面粗糙度
金刚石刀具前、后刀面的粗糙度将决定加工时工件和切屑与金刚石刀具间的摩擦力。刀面的粗糙度越高，摩擦力越大，越容易对刀具造成损伤，同时加工温度也会越高，长时间加工可能导致刀具表层碳原子的活化、石墨化和氧化，加速刀具磨损，降低刀具寿命。同时，由于刀具前后角的存在，对前、后刀面的磨削可采用不同的磨削设备，以使前、后刀面的粗糙度都尽可能小。
4 金刚石刀具刃磨技术
金刚石刀具质量与刃磨方法密切相关。常用方法是机械刃磨法，或以机械刃磨为主体辅以化学抛光、热耦合等手段的复合方法。但随着向纳米尺度的推进，机械刃磨法已趋近于极限切削厚度1nm，故离子束溅蚀法、离子刻蚀法、氧化刻蚀法和激光烧蚀法等新技术被尝试应用于金刚石刀具刃磨领域。
(1)机械刃磨法
机械刃磨法源于宝石打磨技术。一般先在铸铁或高磷铸铁磨盘上涂上含有直径1~50μm的金刚石磨粒的研磨膏，并对其进行预研，使金刚石磨粒嵌入磨盘表面的微孔中，然后以3000r/min左右的转速对刀具进行研磨。其实质上是金刚石刀具与金刚石微粒的互研（见图4）。
1.装夹刀架 2.刀具 3.研磨盘 4.桌体 5.电机
图4 金刚石刀具研磨机
在刃磨过程中，一方面，由于刀具与磨盘间相对的高速转动，较大或突出的磨粒对刀尖有不连续的冲击作用，易造成崩刃的情况；另一方面，刃磨机床本身的几何精度和各个运动部件工作时的精度传递导致刀具刀尖点与磨盘接触点间产生的误差也会对刀具刃口质量产生影响。根据孙涛等人的刀具刃磨经验，如果能改善刀尖刃口的抗冲击能力和控制刀具被刃磨表面与磨盘间的接触精度，锋利度可达30~50nm，表面粗糙度小于1nm。总体来说，机械刃磨法工艺简单，成本较低且刃磨效率高，故目前仍是国内的研究重点。
(2)离子束溅蚀法
离子束溅蚀法是利用高能离子直接轰击被加工刀具表面的碳原子，并使其逐个去除，实现原子级的细微加工。该方法需要先将包含被加工件在内的工作室空间抽真空，再充入工作气体（氩气等）使其被电离、收束、加速，最后与金刚石刀具表面的碳原子碰撞。最终的加工形状由离子束的运动方向、刀具的倾角、摆角和回转轴的回转速度共同决定，加工质量与速率主要由离子束能量、收束范围和工件表面与轰击方向的夹角决定。离子束溅蚀法适用于微小尺寸的金刚石刀具，可使关键部位尺寸达1μm，切削刃钝圆半径达20~30nm，表面粗糙度Ra达纳米量级。该方法的优点是精度极高，特别适用于金刚石微刀的加工；缺点是效率极低。
(3)热化学抛光法
热化学抛光法的原理基于金刚石碳原子在高温下表面石墨化和氧化，同时表面原子被活化、扩散至金属磨盘表面，并与之反应。温度是影响加工质量和效率最重要的因素，热化学抛光的温度通常需达到730℃~950℃。常用的磨盘材料有Fe、Ni、Mn和Mo等元素，其中铁质磨盘最常见。常用的抛光环境气氛有：真空、流动的氢气、氩气、氮气或几者的混合物。实验发现，950°C真空条件下的金刚石刀具抛光效率最高，可达7μm/h，而同样温度的氢气氛围下的抛光速率仅为0.5μm/h。在真空或惰性气体条件下，上述抛光过程可简述为
在氢气氛围下，反应过程为
总体来说，热化学抛光法工艺复杂，需要真空腔体或特殊的气体氛围。其加工效率主要取决于碳原子的活化和扩散速度，即取决于温度和刀具与磨盘间的研磨压力。该方法可使刀具锋利度优于50nm，表面粗糙度Ra达几个纳米，精度较高且可控，但工艺复杂，需要合理控制温度等反应因素。
(4)无损伤机械化学抛光法
无损伤机械化学抛光法主要手段为化学抛光，辅以机械的微量切削、抛光方式。首先在NaCH溶液中加入一定比例的微米级金刚石磨粒和纳米级的硅粉，搅拌均匀，通过强静电作用使后者吸附在前者表面，然后将其烘干并涂在铸铁磨盘上。在研磨过程中，金刚石刀具的表面原子先与具有化学活性的纳米硅粉在摩擦高温中反应。同时硅与硅的化合物在高温下也会与氧气、水蒸气及其生成物反应，整个过程较为复杂，包含以下反应：
该方法的无损伤性源于碳原子由化学反应活化或生成其他化合物而被去除，机械磨削只是微量进给，将表层活化的碳原子或者其化合物轻轻除去。故不易产生纯机械刃磨法导致的刃口微豁甚至崩刃的情况。该方法可使刀具表面粗糙度小于1nm，但加工效率极低。
（5)真空等离子化学抛光法
美国的刀具技术公司（Edge Technology）采用真空等离子化学抛光法抛光金刚石刀具，可对刃口实现原子级去除。该方法需在真空中进行，由高真空区将磨盘分为氧化硅沉淀区和刀具刃磨区两部分。氧化硅由真空等离子物理气相沉积法制得，形成微细的氧化硅晶体微粒并附着在磨盘表面。刀具刃磨区依靠摩擦和高温，活化刀具表面的碳原子，碳原子被氧化硅氧化后生成CO等气体从高真空区流出。该方法得到的刀具质量高，刃口钝圆半径可达30nm左右，但刃磨效率低下。
真空等离子化学抛光法与无损伤机械化学抛光法本质上相同，都是借助硅及其氧化物将碳原子氧化后去除，故两者的刃磨质量高，缺点是效率较低。
（6）化学辅助机械抛光与光整法
化学辅助机械抛光与光整法主要用于改善刀具的表面粗糙度，先使用传统的机械刃磨法对刀具进行粗研，使刀具表面粗糙度小于1μm，再用化学方法和机械抛光对刀具进行修整。
二次机械抛光法采用Al2O3（熔点2054℃）为研磨盘材料，在磨盘上倒入预先加热至650℃~900℃的熔融KNO3或者熔融NaNO3液体。然后，将粗研的刀具修磨部分侵入到具有强氧化性的熔融液体中，金刚石表面的碳原子由高温活化并被氧化，生成CO或者CO2气体排出。可以推断，刀具表面越不平整，尖峰越多，则越高的尖峰插入熔融液中的部分更多，被活化、氧化、抛光得也越快，即尖峰处的去除率高于平整区域，由此可达到化学抛光与光整的目的。该方法可使刀具表面粗糙度值RMS优于0.2nm，但工艺较为复杂。
（7）氧化刻蚀法
该方法需使用氧气或者有一定氧化性的氧化物在一定条件下将碳原子氧化成碳氧化物气体排出。如使用氧气，需在高温条件下，将纯氧（1100℃）或含氧水蒸气（600℃~900℃）直接喷射到金刚石刀具表面。表层碳原子被氧化后生成碳氧化物等随气流吹出。该方法工艺简单，精度较低，常用于金刚石刀具的粗加工。
哈尔滨工业大学的刘岳发现机械刃磨过程作用导致的损伤层由残留断裂的石墨层、未形成石墨的无序的碳原子sp2杂化结构、无序的碳原子sp杂化结构和sp3杂化结构的金刚石晶体原子组成。无序的sp2杂化结构和sp杂化结构的碳原子活性远大于致密sp3杂化结构的金刚石晶体原子，所以这些原子在一定条件可以与弱氧化物反应，而不易造成对刀具的二次损伤。常用的几种弱氧化物包括氧化铜、氧化铁、氧化铝和氧化硅。其选择CuO粉末作为反应触媒，使经过预先研磨，表面粗糙度达7~8nm的金刚石刀具表层碳原子在真空条件下与CuO发生氧化还原反应，反应式为
该反应最低可在120℃~130℃的温度下发生，不会影响刀具刀体与金刚石刀尖的钎焊稳定性。通过优化CuO粉末平均粒径、预紧压力、氧化温度和氧化时间参数，最终可使粗糙度下降2.5~4nm。但是，过高的温度和过长的氧化时间会导致金刚石被严重腐蚀，刀具表面质量反而恶化。
（8）激光烧蚀法
多晶晶体对激光有散射作用，使高能光束无法集中于待加工的工件点上，显著降低加工精度，故激光烧蚀法多用于加工人工单晶金刚石或天然金刚石。该方法采用纳秒级的高能激光照射在刀具表面，使表层碳原子在局部高温作用下被氧化、去除。但被烧蚀后的刀具表面易发黑（部分碳原子直接石墨化），表面质量很差，粗糙度达几十纳米。同时，由于该方法具有较高的加工效率，金刚石刀具制造商常用其加工金刚石晶体毛坯和开刃。
(9)聚焦离子束刻蚀法
该方法始于液态金属离子源的出现，常用的金属离子源有镓、铟、铝等。其工作原理为：在离子柱顶端外加电场，使液态金属形成细小针尖，再加负电场牵引尖端的液体金属并导出离子束。导出的离子束通过静电透镜聚焦，再由一连串可变化孔径约束其大小。最后，离子束经过偏转电场和物镜，即可聚焦在金刚石刀具表面，实现物理切割或研磨。
聚焦离子束刻蚀法可控性较好，被广泛应用于离子束注入、沉积、抛光和钻微孔等领域。其加工质量高但效率低，且需要昂贵的离子聚焦设备等，难以实现商业化。
（10）飞秒激光刻蚀法
飞秒激光刻蚀法是使用脉冲极短的激光照射在金刚石刀具表面，将表层的原子烧蚀、氧化去除。由于飞秒激光极短的脉冲宽度，其作用于刀具表面的时间极短且具有极高的峰值功率，故不易产生激光烧蚀法导致的刀具表面发黑等情况。同时，其加工质量较激光烧蚀法也有很大的提升。尽管飞秒激光器、激光聚焦器及其配套系统费用高昂，却是最被看好的未来金刚石刀具刃磨技术。
（11）热—机耦合刃磨法
热—机耦合刃磨法采用预先精密抛光处理过的钢制磨盘，并使金刚石刀具与钢制磨盘直接接触。在摩擦高温条件下，金刚石刀具表面的碳原子扩散、石墨化、氧化，然后被去除。该方法的研磨结果主要取决于研磨压力与研磨时间。哈尔滨工业大学的宗文俊等运用该方法得到的刃口钝圆半径由30~55nm降至2~9nm，并申请了专利。
（12）电火花放电刃磨
电火花放电刃磨（EDG）是一种热蚀加工方法。其材料去除机理为：砂轮电极与刀具电机间放电产生瞬时高温，使放电部位的刀具材料熔化和气化。EDG技术成本较低，且加工效率较高。但是其加工质量很低，刃口精度在20μm左右，表面粗糙度Ra只能达到0.3μm左右，故该方法有时可用于金刚石刀具的粗研。
（13）小结
本章主要介绍了各种金刚石刀具的刃磨方法、加工原理和精度。表3总结了主要方法的优缺点。
表3 主要刃磨方法及其参数
综上所述，机械刃磨法类简单而高效，精度也较高，是常用的刃磨方法；化学氧化法类大多精度较高，且可得到很低粗糙度的表面，但工艺复杂且效率很低，故较少见于刃磨加工；激光、离子束等方法精度很高，但设备昂贵，改进后的飞秒激光法较适于金刚石刀具加工。
小结
本文在调研大量文献基础上，介绍了金刚石的物理和化学性质，以及金刚石刀具的发展历史与现状，着重阐述了金刚石刀具的刃磨方法并对各种方法进行总结比较。
目前金刚石刀具技术发展中存在的问题包括：
①刃磨技术单一。国内的各大科研院所和学校多以机械刃磨法为主，使用化学氧化、激光刻蚀等其他方法的文章鲜有报道。同时，国内研磨的金刚石刀具刀尖圆弧圆度误差很难降到50nm以内，与国外技术相比有很大差距。美国、日本等或有较新的技术手段，由于保密原因，很难见诸文献。
②机械刃磨法的刃磨水平已经趋近于极限，短时间内很难突破瓶颈。因此，亟需创新性的工艺改进方法或新的刃磨方法。
纵览金刚石刀具刃磨技术的发展，比较国内现有的发展情况，预测未来金刚石刀具刃磨领域将向以下方向发展：
①国内仍将以简单、高效的机械刃磨法为主体，辅以其他化学、物理手段，使金刚石刀具的刃口锋利度稳定达到10nm以内，刀尖圆弧圆度降至50nm以内，然后推出自主研发的商业化金刚石刀具刃磨机床；
②由于机械刃磨法已趋近机械去除的极限，国外将会发展新的金刚石刀具制造技术，如飞秒激光、离子束聚焦等方式；
③随着金刚刀具（车刀）刃磨技术的成熟，金刚石微铣刀、微钻刀等复杂刀具的制造技术亦将获得长足发展。
