专利名称：一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法
技术领域：
本发明涉及超精密加工的技术领域，特别是涉及一种光纤切割用钻石刀的加工设 计方法。
背景技术：
铺设或维修四通八达的光纤通讯网离不开光纤切割、对接技术。超精密微型光纤切割所使用的钻石刀是现代光纤切割、对接不可缺少的专用工具(见图1)。钻石是世上最硬的晶体材料，被称为珍贵的超硬工具材料。精密微型钻石刀具必 须以钻石单晶为原料。在钻石刀的设计上，为了保证钻石刀的刀刃强度达到加工和使用要求，通常都采 用比较大的楔角，如常规钻石切削刀具的楔角必须大于75°的角度。增大钻石刀的楔角虽 然可以提高刀刃的强度，但刀刃的楔角越大，刀刃锋利度越差。为了保证光纤玻璃切割后的切面平整光滑，以使光信号能顺利通过切割面，光纤 切割用钻石刀的刀刃需要非常锋利，因此该刀的楔角希望能做得小。但在现有技术的生产 中，如果将钻石切割刀设计、制造为小楔角的话，将会出现很多问题和困难一是刀刃的强 度不够，容易损坏；二是在制造中，产品的合格率较低，浪费了宝贵的钻石材料；三是使用 后的修复，不仅工艺步骤繁复、加工过程困难重重，而且还往往达不到钻石刀新品出厂时的 性能指标。
发明内容
采用现有技术设计、加工的切割钻石刀，无法兼顾钻石刀刃的较高锋利度和较大 强度，而且在生产中产品合格率低，浪费大；使用后的修复困难很大。本发明的目的是为了解决上述的技术问题，提出一种新的加工设计方法，其技术 方案如下。1. 一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法，所述的加工设计包括首次生产制作中 的加工设计方法和经使用后再进行修复的方法；所述的首次生产制作中的加工设计方法， 包括以下步骤，A.选用Ia或Ib型天然钻石单晶体或Ib型合成钻石单晶体，选用的要求还有 a.体积为10mm3以上；b.净度达到一级砂轮刀用金刚石的标准；c.晶形完整，或者晶形完 整的部分占全部单晶体的50%以上；B.用放大镜观察、检查钻石单晶体，确定一根晶轴的轴向作为钻石刀刃方向；C.利用钻石晶体的生长特征、钻石晶体的溶解特征、钻石晶体的对称性、钻石晶体 的异向性规律，确定钻石刀的加工基面，所述的确定，其内容包括设计工作和验证工作；实施所述的确定钻石刀的加工基面时，其目标要求如下，a.加工设计对象是天然钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意组合加工基面与垂直的(100)晶面上四边形蚀纹的对角线平行；
加工基面与(111)晶面呈54° 44'夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行；加工基面与(111)晶面上的三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面上的倒三角蚀纹的一边平行；加工基面与(110)晶面上的平行蚀纹平行、或与网状生长纹呈对称状态；加工基面与(111)晶面的中等一完全解理面呈54° 44'夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平行；加工基面与钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的(111) 晶面部位、(100)晶面部位、(110)晶面上的(210)面溶蚀方向位置确定；b.加工设计对象是合成钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意组合加工基面与(111)晶面呈54° 44'夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行；加工基面与(111)晶面上的三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面的中等一完全解理面呈54° 44'夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平行；加工基面与合成钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的 (111)晶面部位、(100)晶面部位、(110)晶面部位、合成钻石晶体上的籽晶幻影方位确定；D.以确定的加工基面来精确确定刀刃面的方位；然后确定与基面垂直的两个刀 面的方位；再加工两个刀面；E.以所述的两个刀面分别作为定位面、实施对钻石刀的刀刃面及刀刃的加工。2.所述的加工基面确定为(001)、(00丁)晶面，所述的刀刃既与(001)晶面平行、 又和由X晶轴、Y晶轴所在的平面平行；所述的刀刃与两根L3轴所在的平面平行、或者所述 的刀刃与两根L3轴所在的平面之间的不平行度< 3° ；所述的刀刃面与所述的加工基面成 59° 士 Γ夹角；所述的二个刀面与所述的加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平面平行， 或者所述的二个刀面与所述的加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平面之间的不平行度 彡3°。3.所述的刀刃，其处在钻石晶体(100)面网的一个密度最大的行列上，其线密度 为3/a/I > (a = 0. 356nm)，所述的刀刃，其微观共价键结构呈可以提高强度和耐磨性的 对称状态。4.所述的经使用后再进行修复的方法是指以所述的两个刀面分别作为定位面、 实施对钻石刀的刀刃面及刀刃的修复。本发明的有益效果是实施本发明的加工设计方法，可以使光纤切割用钻石刀的 刀刃在达到锋利度要求的同时具有较大的机械强度和耐磨性，产品合格率高，使用后的修 复不仅方便，而且可以容易达到与新品出厂时相同的性能指标。
图1是本发明方法在一个八面体中实施的示意图；图2是图1中的八面体的示意图3是图1中的钻石刀头示意图；图4是加工完成后钻石刀头的立体示意图；
图5是钻石刀头的的示意图。下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式钻石单晶刀具的加工设计，首先要设计钻石单晶晶体的加工定向、即确定刀具加 工基面的晶向。由于晶体的异向性，在设计定向时，一是要考虑选择钻石晶体结构中面网密 度相对大的方向作刀刃，以保证钻石刀的耐磨性；二是要考虑刀刃受力方向如何避开钻石 晶体的解理方向，设计稍有不周，钻石单晶的异向性和解理特性极有可能成为钻石刀的簿 弱点，导致在加工或使用过程中钻石刀刃强度不够，造成钻石刀刃裂碎；三是要按照钻石刀 的加工工艺要求，从钻石晶体不同方向上的硬度差异来考虑钻石刀的加工定向。要加工最 硬的钻石晶体，就要按钻石晶体的硬度差异来设计钻石刀每个加工面的琢磨抛光方向，以 使设计钻石刀能实现加工。比如，设计加工定向必须使钻石刀刃的二个刀刃面中的一个能 实施刀刃面的逆向加工抛光，否则，即使设计的加工定向能满足其它各项要求，最终也会因 为不能实施刀刃的抛光而失败。因此，钻石晶体的加工定向是钻石刀加工设计的关键。在钻石刀的设计上，为了保证钻石刀的刀刃强度达到加工和使用要求，通常都采 用比较大的楔角，如常规钻石切削刀具的楔角必须大于75度。增大钻石刀的楔角可以提高 刀刃强度，但刀具楔角越大，刀刃锋利度越差。为了保证光纤玻璃切割后的切面平整光滑， 以使光信号能顺利通过切割面，光纤切割用钻石刀的刀刃必须非常锋利，因此该刀的楔角， 在强度得到保证的情况下，希望能小一些。精密微型光纤切割用钻石刀设计、加工主要难点 是(1)切割光纤需要切割刀非常锋利，因此钻石刀的楔角要小一些，这使刀刃强度和加工 工艺的设计难度较大；(2)光纤切割用钻石刀属于微型钻石刀，加工过程对钻石刀的定向、 固定、琢磨、检测等都有较大难度，造成加工精度难以保证，加工合格率较低；(3)光纤切割 用钻石刀在使用后刀刃需要多次修复，对加工工艺的重复精度要求很高。本发明方法可以使钻石刀的刀刃密度相对最大、使钻石刀刃微观的共价键结构 呈对称状态、使钻石刀的刀刃强度和光纤切割质量得到提高(刀刃微观共价键结构是指钻 石刀刃对应晶向上的碳原子共价键晶体结构状态)。本发明的加工工艺简便、可靠；钻石刀 的制作和修复，其精度高、效率也高。下面结合图1至图5，对本发明的技术方案进行总体描述、介绍和说明。图1是本发明方法在一个八面体中实施的示意图；图2是图1中的八面体的示意 图；图3是图1中的钻石刀头示意图；图4是加工完成后钻石刀头的立体示意图；图5是钻 石刀头的的示意图。说明关于L3轴，在一个标准八面体上，有八个面，每一个面上有一根 L3轴，所以在该标准八面体上共有八根L3轴；上述图中，只画出部分的L3轴、未画出全部的 L轴。本专利文件中出现的符号(001)、(001)、(100)、(110)、(111)，表示一个晶面在晶 体定向后空间相对位置的符号，称为米氏晶面符号。一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法，所述的加工设计包括首次生产制作中的 加工设计方法和经使用后再进行修复的方法；其特点是所述的首次生产制作中的加工设计方法，包括以下步骤，A.选用Ia或Ib型天然钻石单晶体或Ib型合成钻石单晶体，选用的要求还有a.体积为10mm3以上；b.净度达到一级砂轮刀用金刚石的标准；c.晶形完整，或者晶形完 整的部分占全部单晶体的50%以上；B.用放大镜观察、检查钻石单晶体，确定一根晶轴的轴向作为钻石刀刃方向；C.利用钻石晶体的生长特征、钻石晶体的溶解特征、钻石晶体的对称性、钻石晶体 的异向性规律，确定钻石刀的加工基面，所述的确定，其内容包括设计工作和验证工作；实施所述的确定钻石刀的加工基面时，其目标要求如下，a.加工设计对象是天然钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意组合加工基面与垂直的(100)晶面上四边形蚀纹的对角线平行；加工基面与(111)晶面呈54° 44'夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行；加工基面与(111)晶面上的三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面上的倒三角蚀纹的一边平行；加工基面与(110)晶面上的平行蚀纹平行、或与网状生长纹呈对称状态；加工基面与(111)晶面的中等一完全解理面呈54° 44'夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平行；加工基面与钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的(111) 晶面部位、(100)晶面部位、(110)晶面上的(210)面溶蚀方向位置确定；b.加工设计对象是合成钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意组合加工基面与(111)晶面呈54° 44'夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行；加工基面与(111)晶面上的三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面的中等一完全解理面呈54° 44'夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平行；加工基面与合成钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的 (111)晶面部位、(100)晶面部位、(110)晶面部位、合成钻石晶体上的籽晶幻影方位确定；D.以确定的加工基面来精确确定刀刃面的方位；然后确定与基面垂直的两个刀 面的方位；再加工两个刀面；E.以所述的两个刀面分别作为定位面、实施对钻石刀的刀刃面及刀刃的加工。对以上描述中出现的名词“晶轴”作一说明。在本技术领域中，将X轴、Y轴、Z轴 也统称为晶轴。下面对各进一步的技术方案进行描述、介绍和说明。1.进一步的技术方案。所述的加工基面确定为(001)、(ΟθΙ)晶面，所述的刀刃既与(001)晶面平行、又 和由X晶轴、Y晶轴所在的平面平行；所述的刀刃与两根L3轴所在的平面平行、或者所述 的刀刃与两根L3轴所在的平面之间的不平行度≤3° ；所述的刀刃面与所述的加工基面成 59° 士 Γ夹角；所述的二个刀面与所述的加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平面平行， 或者所述的二个刀面与所述的加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平面之间的不平行度≤3°。上述部分内容可以结合图5进行说明刀刃面与加工基面成59° 士 1°夹角、刀 面与基面垂直，楔角最大值是64°、最小值是60°。与常规钻石切削刀具的楔角必须大于 75°角度相比较，本发明方法生产的钻石刀能锋利很多。2.进一步的技术方案。所述的刀刃，其处在钻石晶体(100)面网的一个密度最大的行列上，其线密度为 3/ayj、(a = 0. 356nm)，所述的刀刃，其微观共价键结构呈可以提高强度和耐磨性的对称 状态。上述钻石刀的加工基面定向及刀刃所处的微观晶体结构，使钻石刀刃处在钻石晶 体(100)面网的一个密度最大的行列上，其线密度为3/a/r (a = 0. 356nm)，刀刃的微观 共价键结构呈对称状态，从而使钻石刀刃强度和耐磨性都得到提高。同时，也使钻石刀加工 工艺过程钻石的定位、琢磨、抛光、检测方向呈完全的对称，使这种微型钻石刀具在加工中 的定位、固定、检测、加工面校准和琢磨抛光方向都达到了标准化。当钻石刀加工或刀刃修 复时，只要以刀面作定位固定，就可进行刀刃面的加工或刀刃的修复，使加工和修复的精度 和效率都得到提高。刀刃微观共价键结构是指钻石刀刃对应晶向上的碳原子共价键晶体结构状态。3.进一步的技术方案。所述的经使用后再进行修复的方法是指以所述的两个刀面分别作为定位面、实 施对钻石刀的刀刃面及刀刃的修复。实施例一具体介绍用首次生产制作中的加工设计方法，来进行的制作钻石刀头的工作。结 合图1至图5进行描述和理解。钻石刀的选料检验、选用Ia或Ib型天然钻石单晶体体(即天然金刚石)或Ib 型合成钻石单晶体(即合成金刚石)；晶形完整或不小于二分之一晶体，体积达到10mm3以 上；净度达到一级砂轮刀用金刚石要求。用放大镜观察、检查钻石单晶体，对不同形态钻石单晶体的结晶形态特征和溶解 特征检验，确定一根晶轴的轴向作为钻石刀刃方向。利用钻石晶体的生长特征、钻石晶体的溶解特征、钻石晶体的对称性、钻石晶体的 异向性规律，确定钻石刀的加工基面。在考虑、设计加工基面时，应当考虑到，成形的钻石刀头最终能够符合加工基面 确定为(001)、((Χ) )晶面，刀刃既与(001)晶面平行、又和由X晶轴、Y晶轴所在的平面平 行；刀刃与两根L3轴所在的平面平行、刀刃与两根L3轴所在的平面之间的不平行度< 3° ； 刀刃面与加工基面成59° 士 1°夹角；二个刀面与加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平 面平行，或者二个刀面与加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平面之间的不平行度< 3°。根据晶体生长的布拉维法则和逆布拉维法则的溶解理论，可以按钻石结晶形态特 征与溶解特征确定这个加工基面的晶向，并对这个基面作晶轴位置的判断确定。然后根据 选料晶体具体的结晶形态特征和溶解特征进行检测、验证，确定准确的设计加工基面。确定工作的内容包括设计工作和验证工作，它们的目标要求分为两类一类是对天然钻石单晶体的；另一类是对合成钻石单晶体的。现分述如下。第一类，加工设计对象是天然钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意组合加工基面与垂直的(100)晶面上四边形蚀纹的对角线平行；加工基面与(111)晶面 呈54° 44'夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行；加工基面与(111)晶面上的 三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面上的倒三角蚀纹的一边平行；加工基面与 (110)晶面上的平行蚀纹平行、或与网状生长纹呈对称状态；加工基面与(111)晶面的中 等一完全解理面呈54° 44'夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平 行；加工基面与钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的(111)晶面部 位、(100)晶面部位、(110)晶面上的(210)面溶蚀方向位置确定。第二类，加工设计对象是合成钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意 组合加工基面与(111)晶面呈54° 44'夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行； 加工基面与(111)晶面上的三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面的中等---完全 解理面呈54° 44'夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平行；加工 基面与合成钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的(111)晶面部位、 (100)晶面部位、(110)晶面部位、合成钻石晶体上的籽晶幻影方位确定。然后进行以下工作。以确定的加工基面来精确确定刀刃面的方位；然后确定与基面垂直的两个刀面的 方位；再加工两个刀面。以两个刀面分别作为定位面、实施对钻石刀的刀刃面及刀刃的加工。加工工作的要求加工基面确定为(001)、(00 )晶面，刀刃既与(001)晶面平行、 又和由X晶轴、Y晶轴所在的平面平行；刀刃与两根L3轴所在的平面平行、刀刃与两根L3轴 所在的平面之间的不平行度；刀刃面与加工基面成59° 士 1°夹角；二个刀面与加工 基面垂直、并与两根L3轴所在的平面平行，或者二个刀面与加工基面垂直、并与两根LW轴 所在的平面之间的不平行度。上述部分内容可以结合图5进行说明刀刃面与加工 基面成59° 士 1°夹角、刀面与基面垂直，楔角最大值是64°、最小值是60°。此外，如果加工还能符合以下要求就更好刀刃处在钻石晶体(100)面网的一个
密度最大的行列上，其线密度为3/a/f"、(a = 0. 356nm)，并将构成刀刃的两个刀刃面加工
成对称状态。实施例二对于按照本发明方法生产制造的光纤切割用钻石刀，经过使用后如果需要进行修 复，那时很方便的，只要将钻石刀上的两个刀面分别作为定位面，进行对钻石刀的刀刃面及 刀刃的修复即可。
权利要求
一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法，所述的加工设计包括首次生产制作中的加工设计方法和经使用后再进行修复的方法；其特征是所述的首次生产制作中的加工设计方法，包括以下步骤，A.选用Ia或Ib型天然钻石单晶体或Ib型合成钻石单晶体，选用的要求还有a.体积为10mm3以上；b.净度达到一级砂轮刀用金刚石的标准；c.晶形完整，或者晶形完整的部分占全部单晶体的50％以上；B.用放大镜观察、检查钻石单晶体，确定一根晶轴的轴向作为钻石刀刃方向；C.利用钻石晶体的生长特征、钻石晶体的溶解特征、钻石晶体的对称性、钻石晶体的异向性规律，确定钻石刀的加工基面，所述的确定，其内容包括设计工作和验证工作；实施所述的确定钻石刀的加工基面时，其目标要求如下，a.加工设计对象是天然钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意组合加工基面与垂直的(100)晶面上四边形蚀纹的对角线平行；加工基面与(111)晶面呈54°44′夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行；加工基面与(111)晶面上的三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面上的倒三角蚀纹的一边平行；加工基面与(110)晶面上的平行蚀纹平行、或与网状生长纹呈对称状态；加工基面与(111)晶面的中等---完全解理面呈54°44′夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平行；加工基面与钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的(111)晶面部位、(100)晶面部位、(110)晶面上的(210)面溶蚀方向位置确定；b.加工设计对象是合成钻石单晶体的，其目标要求是包括下列内容的任意组合加工基面与(111)晶面呈54°44′夹角；加工基面与阶梯状生长台阶、生长纹平行；加工基面与(111)晶面上的三角锥中的一边平行；加工基面与(111)晶面的中等---完全解理面呈54°44′夹角；加工基面与(110)晶面的不完全解理的阶梯状条纹平行；加工基面与合成钻石晶体的二根晶轴平行；所述的二根晶轴，其方向由晶体的(111)晶面部位、(100)晶面部位、(110)晶面部位、合成钻石晶体上的籽晶幻影方位确定；D.以确定的加工基面来精确确定刀刃面的方位；然后确定与基面垂直的两个刀面的方位；再加工两个刀面；E.以所述的两个刀面分别作为定位面、实施对钻石刀的刀刃面及刀刃的加工。
2.根据权利要求1所述的一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法，其特征是所述的 加工基面确定为(001)、(00l)晶面，所述的刀刃既与(001)晶面平行、又和由X晶轴、Y晶 轴所在的平面平行；所述的刀刃与两根L3轴所在的平面平行、或者所述的刀刃与两根L3轴 所在的平面之间的不平行度；所述的刀刃面与所述的加工基面成59° 士 1°夹角；所 述的二个刀面与所述的加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平面平行，或者所述的二个刀 面与所述的加工基面垂直、并与两根L3轴所在的平面之间的不平行度< 3°。
3.根据权利要求1所述的一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法，其特征是所述的刀刃，其处在钻石晶体(100)面网的一个密度最大的行列上，其线密度为3/a/y、(a = 0. 356nm)，所述的刀刃，其微观共价键结构呈可以提高强度和耐磨性的对称状态。
4.根据权利要求1所述的一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法，其特征是所述的 经使用后再进行修复的方法是指以所述的两个刀面分别作为定位面、实施对钻石刀的刀 刃面及刀刃的修复。
全文摘要
本发明涉及超精密加工的技术领域，公开了一种光纤切割用钻石刀的加工设计方法。为了解决现有技术无法兼顾使钻石刀刃有较高锋利度和较大强度等问题，提出了发明技术方案，其特征是包括以下步骤，A.选料；B.确定一根晶轴的轴向作为钻石刀刃方向；C.对天然钻石、或对合成钻石确定加工基面；D.以确定的加工基面来精确确定刀刃面的方位；然后确定与基面垂直的两个刀面的方位；再加工两个刀面；E.以所述的两个刀面分别作为定位面、实施对钻石刀的刀刃面及刀刃的加工。有益效果是可以使刀刃在达到锋利度要求的同时具有较大的机械强度和耐磨性，产品合格率高，修复方便、可以容易达到与新品相同的性能指标。
文档编号G02B6/25GK101833133SQ20091004793
公开日2010年9月15日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者沈志义, 赵磊 申请人:上海老凤祥钻石加工中心有限公司