自1963年参研“121”项目合成国内第一颗金刚石至今，从两面顶高温高压合成金刚石、金刚石工具到化学气相沉积金刚石，中材人工晶体研究院有限公司(简称晶体院)走过了六十年艰难而辉煌的金刚石研究历程。在一代又一代研究人员的努力下，通过技术研发有力推动了我国金刚石制备及工具应用技术的进步，为我国金刚石行业的蓬勃发展做出贡献。回看晶体院金刚石六十年研发历程，本文由点带面，期望在科技研发攻关、技术成果转化、发展思维等方面为新时代金刚石领域工作者提供启示与借鉴。

Diamond tools play a critical role in ultra-precision machining due to their excellent physical and mechanical material properties, such as that cutting edge can be sharpened to nanoscale accuracy. However, abrasive chemical reactions between diamond and non-diamond-machinable metal elements, including Fe, Cr, Ti, Ni, etc, can cause excessive tool wear in diamond cutting of such metals and most of their alloys. This paper reviews the latest achievements in the chemical wear and wear suppression methods for diamond tools in cutting of ferrous metals. The focus will be on the wear mechanism of diamond tools, and the typical wear reduction methods for diamond cutting of ferrous metals, including ultrasonic vibration cutting, cryogenic cutting, surface nitridation and plasma assisted cutting, etc. Relevant commercially available devices are introduced as well. Furthermore, future research trends in diamond tool wear suppression are discussed and examined.

为实现金刚石刀具刀尖圆弧波纹度超精密测量, 构建了基于原子力显微镜(AFM)和精密回转轴系的刀尖圆弧轮廓测量系统, 研究了刀尖圆弧波纹度评价方法和控制测量系统引入误差的策略。提出了评价刀尖圆弧波纹度时截止波长的确定原则和方法, 并介绍了刀尖圆弧波纹度测量原理及评价流程。讨论了精密回转轴系径向回转误差的测量和评定、刀具安装偏心和偏角误差的控制和原子力扫描系统Z向非线性误差的校准方法。最后, 在构建的测量系统上测量了了金刚石刀具刀尖圆弧波纹度并对测量不确定度进行了分析。实验测量显示: 所评价金刚石刀具的刀尖圆弧波纹度为0.106 μm, 测量不确定度为23.8 nm, 表明所构建的测量系统基本满足金刚石刀具刀尖圆弧波纹度纳米级测量及评价的需求, 测量结果稳定可靠、精度高。

本文对金刚石刀具刃口钝圆半径求解方法展开研究, 以有效提升金刚石刀具刃口锋利度的测量精度。文中分析了原子力显微镜 (AFM) 扫描探针几何形貌对金刚石刀具刃口锋利度测量结果的影响, 并提出了基于切点约束和AFM探针针尖半径补偿的刀具刃口钝圆半径求解方法; 讨论了消噪滤波、测量角度误差以及切点分离方法对测量结果的影响; 在高精度测量平台上完成了金刚石刀具刃口锋利度测量, 并将被测量的刀具用于飞切加工KDP晶体。结果表明:提出的刃口钝圆半径求解方法能够准确求解金刚石刀具的刃口锋利度, 测量结果能很好地描述金刚石刀具的刃口锋利程度, 可以为金刚石超精密切削加工的选刀和用刀提供有效指导。

为有效解决金刚石刀具表面轮廓质量评价指标分散、无法进行全面系统测量的难题，基于原子力显微镜和超精密回转轴系，提出了实现前后刀面粗糙度、刃口锋利度和刃口微豁三个关键指标的集成测量方法。根据金刚石刀具表面轮廓质量的测量要求，以原子力显微镜扫描系统、气浮隔振平台、二维移动平台以及精密回转轴系为基础构建测量系统，精确测量了金刚石刀具刃口附近的表面微观形貌；采用基于MATLAB开发的专用测量软件对原始数据进行处理，得到金刚石刀具前后刀面粗糙度值、刃口锋利度值和刃口微豁范围；并对测量误差进行了分析，提出了控制要求。通过上述自主开发的测量仪器，可以高效、完整地描述金刚石刀具表面轮廓质量，能够实现nm级粗糙度、亚μm级锋利度以及μm级微豁的准确测量。

单晶金刚石刀具切削单晶硅时后刀面会发生剧烈沟槽磨损, 严重影响零件加工质量和刀具寿命。为了从金刚石石墨化转变角度揭示沟槽磨损生长扩展机制, 建立了金刚石刀具后刀面具有初始沟槽的分子动力学模型, 模拟了切削单晶硅时初始沟槽处的工件材料流动行为与金刚石刀具晶体结构变化情况。结果表明, 初始沟槽的存在改变了工件材料的流动状态;并且这种材料流动引起了刀具初始沟槽附近温度和能量的变化, 温度升高了8%, 势能提高了1.4%;通过分析金刚石刀具晶体结构发现, 初始沟槽处的刀具材料发生了石墨化转变, 并通过计算采样点处原子间键角, 得到了石墨化转化率随着切削的进行不断升高, 并最终趋于恒定的规律, 当切削进入到稳定切削阶段时, 石墨化转化率约为6%。

栏光效应是影响折衍元件衍射效率的一个重要因素, 栏光效应与加工刀具有着密切的关系。分析刀具圆弧半径与栏光效应的联系、刀具参数与元件加工后的表面粗糙度的关系以及刀具耐用度等要求, 设计了加工折衍二元光学元件的金刚石刀具, 给出刀具加工里程数计算公式和车削实验结果。实验结果证明: 设计的金刚石刀具能够满足折衍二元光学元件的产业化加工要求, 刀具耐用度较强化前提高2倍多。

为了获得具有纳米级表面质量的微结构表面，利用‘Nanosys-300’超精密复合加工系统实现了微结构表面的三维金刚石飞切加工，研究了主轴转速、进给量以及背吃刀量对微结构表面粗糙度的影响。理论分析表明，金刚石飞切加工微结构时理论表面粗糙度沿法线方向并没有变化，而沿进给方向存在着周期变化。减小进给量和金刚石飞刀前端角或增大切削半径可以降低理论粗糙度值。实验分析表明，表面粗糙度值Ra随进给量的增加而增加，主轴转速对Ra影响不大。切削聚碳酸酯(PC)时，在5~40 μm Ra随背吃刀量的增加而增加；而切削铝合金(LY12)时，在2~10 μm Ra随背吃刀量的增加而减小。实验中Ra最好可达38 nm(LY12)和43 nm(PC)。最后，利用优化工艺参数加工出了微沟槽阵列和微金字塔矩阵微结构。