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精密与超精密切削加工时的切削深度一般在0.075μm以内，相当于从材料晶格上逐个地去除原子，只有在切削力超过晶体内部的原子结合力时才能实现切削。目前，只有天然金刚石刀具能承受如此大的切削力，并且具有较高的刀具耐用度。
天然单晶金刚石具有一系列优异的特性，如硬度极高、耐磨性好、强度高、导热性能好、和有色金属之间的摩擦因数低、能磨出极锋锐的刀刃等，被一致公认为理想的、不能替代的超精密切削刀具材料。但它与钢铁材料的亲和性很强，因而其应用范围受到限制。
人造聚晶金刚石（PCD）也被逐步用作超精密加工用刀具材料，但其性能远不如天然金刚石。在超精密切削加工中也可以采用高性能陶瓷刀具、TiN、金刚石涂层的硬质合金刀具以及立方氮化硼（CBN）刀片，但因其加工质量不如天然金刚石刀具的加工质量，而仅用于表面质量要求不高的场合。
金刚石刀具有两个较重要的问题：一是晶面的选择，这对刀具的使用性能有着重要的影响；二是金刚石刀具的刃磨质量——切削刃钝圆半径 r ρ ，它关系到切削变形和最小切削厚度，因而影响到加工表面质量。
1.金刚石性能
金刚石是人类所知的最硬的材料，它有很多特殊的优异性能，在工业中得到广泛的应用。约在5000年前在印度就首先发现了天然单晶金刚石，而人造金刚石是由美国通用电气公司于1954年首先研制成功的。我国于1963年合成第一颗人造金刚石，1965年投入工业生产。
超精密切削加工刀具用金刚石需要大颗粒（0.5～1.5克拉，1克拉=0.2克）优质（一级品）的单晶金刚石。优质天然单晶金刚石多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质，无缺陷。大颗粒人造单晶金刚石是在超高压、超高温下由子晶生长而成的，其性能和天然金刚石相近，但制造技术复杂，价格仍较昂贵。
尽管金刚石价格昂贵，但在超精密加工领域采用天然金刚石刀具无论在价格上还是在精度上都比传统加工方法具有明显优势。
金刚石晶体各向异性，因此，在不同晶向其物理性能和力学性能有明显差别。金刚石的物理性能和力学性能见表2-1。
金刚石的硬度和热导率都较高，它与有色金属之间的摩擦因数小，开始氧化温度较高，因此非常适合作为超精密切削加工的刀具。此外，单晶金刚石可以通过研磨达到极锋利的切削刃（ r ρ 可以小到0.05～0.01μm），而其他材料尚无法被磨到如此锋利并能长时间用于切削且磨损量较小。
表2-1 金刚石的物理性能和力学性能
2.金刚石晶体结构
金刚石晶体属于立方晶系。天然单晶金刚石为规整的八面体、十二面体和六面体。金刚石晶体具有各向异性和解理现象。不同晶向的物理性能相差很大。
1）金刚石晶体的晶轴和晶面
由晶体学原理知，立方晶系的金刚石晶体有三个主要晶面，即（100）晶面、（111）晶面和（110）晶面。用X射线垂直照射这些晶面时，形成的衍射图形呈现出四次、三次和二次对称现象，因此称与上述晶面垂直的轴分别为四次对称轴[垂直于（100）晶面]、三次对称轴[垂直于（111）晶面]和二次对称轴[垂直于（110）晶面]。规整的八面体、十二面体和六面体单晶金刚石晶体中均有三根四次对称轴、四根三次对称轴和六根二次对称轴。
2）金刚石晶体的晶面
晶体内部分布有原子的面称为晶面（也称为面网）。如上所述，金刚石属立方晶系，主要有（100）晶面、（111）晶面和（110）晶面。三种晶面上原子排列形式的不同、原子密度的不同以及晶面之间距离的差异，决定了金刚石晶体的各向异性。
（1）金刚石晶体各晶面的原子排列形式——最小单元。金刚石晶体的（100）晶面的最小单元为正方形，边长为
D
，有5个碳原子；（110）晶面的最小单元为矩形，边长分别为
和
，有8个碳原子；（111）晶面的最小单元为等边三角形，边长为
，有6个碳原子。其中
D
（
D
=
a
o
=0.35667nm）为金刚石晶体中单位晶胞（六面体）的边长。
（2）金刚石晶体的面间距。晶体晶面之间的距离称为面间距。金刚石晶体的（100）晶面和（110）晶面的分布是均匀的，（100）晶面的面间距为
D
/4=0.089nm，（110）晶面的面间距为
；而（111）晶面的面间距出现一宽一窄的交替结构，宽面间距为
，窄面间距为
。窄面间距极小，在实际应用中可以把这相邻的两个晶面看成一个加厚的晶面。两个加厚晶面的面间距即（111）晶面的宽面间距，该面间距成为（111）晶面的实际面间距。（111）晶面的宽面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面的面间距中最大的一个。
（3）金刚石晶体的晶面密度。晶面单位面积上的原子数称为晶面密度，晶面密度决定了金刚石的硬度和耐磨性。（100）晶面、（110）晶面和（111）晶面的密度之比为1:1.414:2.308。
测试表明，金刚石晶体的（111）晶面的硬度和耐磨性均为最高，证明了晶面密度分析结果的正确性。
3）金刚石晶体的解理现象
解理现象是金刚石晶体的一个非常重要的特性。它是指晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开的现象。由于（111）晶面的宽面间距比（100）晶面和（110）晶面的面间距都大，并且其连接共价键数最少（只有一个），所以在面间距大的（111）晶面之间，只需击破一个共价键就可以使其劈开。实际上，金刚石内部的解理被劈开，在绝大多数情况下得到的晶面就是与（111）晶面平行且很平坦的劈开面。
3.金刚石晶体定向
金刚石晶体属于平面立方晶系，每个晶面上原子排列形式和原子密度的不同，以及晶面之间距离的不同，造成天然金刚石晶体的各向异性。因此，可以利用这个特性对金刚石晶体进行定向。刀具金刚石晶体的定向原则就是确定刀具的前/后刀面及刀刃的位置，使切削刀具承受切削力的方向在某一确定的基本晶面上，并与该晶面硬度最大的方向一致，以使刀具磨损量最大的方向具有最高的耐磨性。在定向时必须注意：刀具的受力方向不能与金刚石的解理面平行，同时还应该考虑每个面在研磨时的易磨方向。
晶体定向主要有3种方法：人工目测晶体定向、激光晶体定向和X射线晶体定向。各种定向方法都有各自的优缺点。
衡量金刚石刀具质量的好坏，首先看其能否加工出高质量的超精密表面（表面粗糙度 Ra =0.005～0.02μm），其次是看它能否有较长的切削时间保持切削刃锋锐（一般要求切削长度数百千米），切出极高质量的加工表面。
为满足上述要求，设计金刚石刀具时最主要问题有3个，即确定切削部分的几何形状、选择合适的晶面作为刀具的前/后刀面、确定金刚石在刀具上的固定方法和刀具结构。
1.切削部分几何形状
1）刀头形式
金刚石刀具刀头一般采用在主切削刃和副切削刃之间加过渡刃——修光刃的形式，以对加工表面起修光作用，获得好的加工表面质量。若采用主切削刃与副切削刃相交为一点的尖锐刀尖，则刀尖不仅容易崩刃和磨损，而且还会在加工表面上留下加工痕迹，从而增大表面粗糙度。
修光刃有小圆弧修光刃、直线修光刃和圆弧修光刃之分。国内多采用直线修光刃，这种修光刃制造研磨简单，但要求对刀良好，即直线修光刃应严格和进给方向—致，才能得到令人满意的加工表面。对直线修光刃的长度，一般选取0.1～0.2mm。国外金刚石刀具多采用圆弧修光刃。国外标准的金刚石刀具，推荐的修光刃圆弧半径 R =0.5～3mm。因为超精密切削时进给量甚小（一般 f ＜0.02mm/r），即使圆弧修光刃留下一定的残留高度，对表面粗糙度也没有太大影响。采用圆弧修光刃时，对刀容易，使用方便。但刀具制造研磨困难，价格也高。
金刚石刀具的主偏角一般为30°～90°，一般用45°主偏角。
2）前角和后角
根据加工材料不同，金刚石刀具的前角可取0°～5°，后角一般取5°～6°。因为金刚石为脆性材料，在保证获得较小的加工表面粗糙度前提下，为提高刀刃的强度，应采用较大的刀具楔角 β ，所以宜取较小的刀具前角和后角。但增大金刚石刀具的后角，减少刀具后面和加工表面的摩擦，可减小表面粗糙度值，所以加工球面和非球曲面的圆弧修光刃刀具，常取10 ° 。
2.晶面选择
单晶金刚石晶体各方向性能（如硬度和耐磨性、微观强度和解理碎裂的概率、研磨加工的难易程度等）相差极为悬殊。因此，前刀面和后刀面选择是金刚石刀具设计的一个重要问题。目前国内制造金刚石刀具，一般前刀面和后刀面都采用（110）晶面或者和（110）晶面相近的晶面。这主要从金刚石的这两个晶面易于研磨加工角度考虑，而未考虑对金刚石刀具的使用性能和刀具耐用度的影响。
目前关于国外的金刚石刀具前刀面和后刀面的晶面选择资料很难找到，但从相关报道可以看出，有选用（100）晶面作为前刀面或后刀面的，也有选用（110）晶面作为前刀面或后刀面的。选用的理由说法不一，也不够详尽。但是选用（111）晶面作为前刀面或后刀面者极少，其主要原因在于（111）晶面硬度太高，而微观破损强度并不高，研磨加工困难，很难研磨加工出精密金刚石刀具所要求的锋锐的刃口。
3.金刚石固定方法
对于金刚石车刀，通常是把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。
金刚石在小刀头上的固定方法如下：
（1）机械夹固。将金刚石的底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上。采用这种固定方式时，需要较大颗粒的金刚石。
（2）用粉末冶金法固定。将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头内。采用这种固定方法可使用较小颗粒的金刚石，较为经济，因此目前国际上多采用该方法。
（3）使用黏结剂或钎焊固定。可以使用无机黏结剂或其他黏结剂固定金刚石，但黏结强度有限，金刚石容易脱落。钎焊固定方法是一种很好的办法，但相关技术不易掌握。
利用金刚石车削可以获得高精度的球面、非球面、自由曲面类光学零件，这类零件的制造精度不仅取决于机床的运动控制精度和稳定的环境因素，同时也取决于圆弧刃金刚石刀具的制造精度和刀具切削工艺参数。由于天然金刚石晶体的各向异性的特征，并且在加工中刀刃上各点沿晶向有不同程度的磨损，因此在使用一定时间后需要修磨，才能满足各类形状零件的高精度加工要求，生产企业购买新刀和刀具修磨的费用在加工成本中占有很高的比重。
天然金刚石刀具刃磨的主要目的是获得刃口锋利、刀面光滑、刀刃轮廓精度高的刀头。目前最常用也最有效的刃磨方法是机械研磨。金刚石刀具的加工研磨和用钝后的重磨，是一项难度很大的技术。国内刃磨技术落后，需要大量进口国外天然金刚石刀具，如圆弧刃金刚石刀具基本全部依赖进口，这些进口产品主要是日本联合材料株式会社和英国Contour Fine Tooling公司生产的产品。进口刀具价格昂贵，精度较低，对于高精度圆弧刃金刚石刀具目前仍处于禁运状态。
天然金刚石刀具的硬度高且难磨削，刀刃的形状一般较简单，只需要刃磨前刀面与后刀面即可。金刚石刀具的前刀面一般为平面，但也有被设计成圆锥前刀面，这主要是为了使刀刃任一点都具有相同的负前角。后刀面的形式与刀刃形状相关，直线刃刀具的后刀面为平面，圆弧刃刀具的后刀面为圆锥面或圆柱面。圆锥后刀面可使刀刃上任一点都具有相同的后角，圆柱后刀面则可保证圆弧半径不随刃磨次数的增大而变小。不同的金刚石刀具生产商采用的前、后刀面刃磨工艺顺序不一定相同。例如，欧美国家的金刚石刀具生产商一般采用先后刀面、再前刀面的刃磨工艺顺序，而日本的金刚石刀具生产商则偏向于采用先前刀面、再后刀面的刃磨工艺顺序。两种刃磨工艺顺序各有优缺点，先后刀面、再前刀面的刃磨工艺对机床振动的要求低，锋利刀刃通过前刀面刃磨而形成，但刀刃高度随着修磨次数增加而降低。先前刀面、再后刀面的刃磨工艺对机床振动的要求高，锋利刀刃通过后刀面刃磨而形成，但刀刃高度不随刃磨次数而改变。
国内外的金刚石刀具使用者一般都不自己磨刀，而将金刚石刀具送回原制造厂重磨。重磨收费很高且很不方便。Sumitomo公司推出一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，即将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。刀片上的金刚石由制造厂研磨得很锋锐，用钝后不再重磨。这种刀具使用颗粒很小的金刚石，因而，价格比较便宜，具有很好的推广价值。