金属铈单点金刚石切削加工机理的研究

金属切削原理 与刀具
金刚石刀具
金刚石刀具
课题三十二 金刚石刀具
金刚石 刀具
单晶金刚石刀具 多晶金刚石刀具
天然单晶金刚石刀具 人造单晶金刚石刀具
PCD刀具 CVD金刚石刀具
CVD金刚石 薄膜涂层刀具
金刚石 厚度膜焊接刀具
金刚石刀具
课题三十二 金刚石刀具
金刚石刀具的性能特点
极高的硬度和耐磨性 金刚石的显微硬度达HV10000，是自然界最硬的物质。具有极高的耐 磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石的耐磨性 为硬质合金的60-80倍。
金刚石刀具
金刚石刀具的性能特点
课题三十二 金刚石刀具
刀刃非常锋利 金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园 半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。
具有很高的导热性能 金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的2-6倍。由于导热系 数高，切削热容易散出，切削温度低。
金刚石刀具
如 铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱等。
由于这些零件材料含硅量较高(12%以上)，且为大批量生产，对刀具的寿命 要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而PCD刀具的寿命远高于硬质合金刀具， 是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍。
金刚石刀具
课题三十二 金刚石刀具
金刚石刀具的应用
在加工硅含量较高的铝合金时，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很短的 时间内产生严重的磨损而不能继续切削 。
PCD刀具还非常适合对难加工非金属材料(如：木材、人造板材、强化复合地板、 碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等)进行加工 。
采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，金刚石刀具可 以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。

衍射光学元件金刚石单点车削加工技术研究的开题报告一、研究背景及意义光学元件广泛应用于现代照明、通讯、医疗、检测等领域，而金刚石作为硬度和耐磨性能极佳的材料，被广泛用于制作光学元件。

然而，金刚石材料的特殊性质和高硬度使得其加工困难，传统的金刚石加工方式如磨削、抛光、电解加工等存在效率低、成本高、表面质量差等问题，导致金刚石制品的加工难度大、生产周期长、产品品质难以保障。

采用单点车削加工技术制备金刚石光学元件能够提高加工效率和产品质量，具有重要的应用价值和研究意义。

因此，本研究旨在探究衍射光学元件金刚石单点车削加工技术，提高金刚石光学元件的制造质量和生产效率。

二、研究内容与研究目标本研究将通过对金刚石单点车削加工过程进行分析和实验研究，包括材料选取、单点车削加工工艺参数优化、金刚石单点刀具的制备等方面，探究衍射光学元件金刚石单点车削加工技术。

具体研究内容如下：1.研究金刚石单点车削加工的机理和方法，探讨单点刀具的制备工艺。

2.分析单点车削加工中的刀具磨损和切削力变化规律，选择适合的加工工艺参数，优化金刚石单点车削加工工艺。

3.制备不同形状和尺寸的金刚石单点刀具，对其进行磨损测试和性能评估。

4.通过实验验证金刚石单点车削加工过程中的最佳工艺参数和刀具选择方案，并对加工的光学元件进行表面粗糙度、表面形貌和表面质量等方面的检测，对加工的光学元件进行性能测试。

本研究旨在探究衍射光学元件金刚石单点车削加工技术，优化金刚石制品的加工工艺，提高其生产效率和产品质量。

通过实验验证最佳工艺参数和刀具选择方案，为实际生产中金刚石单点车削加工提供参考和指导，具有重要的理论和实践价值。

三、研究方法本研究将采用实验研究和数据统计分析相结合的方法，对衍射光学元件金刚石单点车削加工技术进行探究。

具体方法如下：1.准备金刚石材料，并制备不同形状和尺寸的金刚石单点刀具。

2.在数控车床上进行金刚石单点车削加工，记录切削力、主轴电流、进给速度等关键工艺参数数据。

等 [５]采用电火花线切割技术在碳化钨刀具表面分
别加 工 出 与 切 削 刃 平 行、垂 直、交 叉 的 微 槽 结 构,
并对 Ti
Ｇ
６Al
Ｇ
４V 合金 进 行 了 切 削 实 验,试 验 结 果
表明平行于切削刃的微槽结构可以减小更多的切
削力,降低切削温度,减少刀具磨损.谢晋等 [６]采
用微磨削加工的方法在立方氮化硼车刀的前刀面
杭州电子科技大学机械工程学院,杭州,
３１００１８
摘要:为研究单点金刚石刀具制备的拉刀刀尖表面微结构的降载机制,利用激光蚀刻和单点金刚石
刀具在同一把拉刀的不同区域制备了圆坑形微结构,并结合搭建的拉削实 验 系 统 进 行 了 微 结 构 拉 刀 和
常规拉刀的对比拉削试验.试验结果表明单点金刚石刀具制备的微结构能更有效地降载,这是因为:单
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新 技术 新工 艺
２ ０ １ ４年
第 １期
影 响 单 点金 刚 石切 削 表面 质量 的 因素
王 昊
（ 昆 理 工 大 学 机 电工 程 学 院 ， 云南 昆明 ６ ５ ０ ５ ０ ０ ）
摘 要 ： 单 点金 刚石 切 削（ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ， 简称 Ｓ Ｐ Ｄ Ｔ） 是 一种 使 ／ ， １ 纳 米金 刚 石 刀具进
头和 扫描反 射镜 。虽然 单点金 刚石 切 削满足 了很 多高精 密零 件 的制 造 需求 ， 但 目前所 了解 的影 响 因素和
表 面生成 的机 制仍 不 完善 ， 在 生产 中有很 多 因素 会影 响 到 单 点金 刚 石 的表 面质 量 和 面 形精 度 ， 如 主 轴 转
速、 进 给 速度 和切 削深度 等 ， 本文 对此进 行 了分析 。
ｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ｔ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｅ ｒ ｍｉ ｒ ｒ ｏ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｍｏ ｕ ｌ ｄ ｉ ｎ ｓ ｅ ｒ ｔ ｓ ｆ ｏ ｒ ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｕ ｌ ｄ ｐ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ａ ｍｅ ｒ ａ ｌ ｅ ｎ ｓ ｅ ｓ ．
Ｗ Ａ ＮＧ Ｈａ ｏ
（ Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｋｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｋｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ ６ ５ ０ ５ ０ ０ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ～ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ（ Ｓ Ｐ ＤＴ）ｉ ｓ ａ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｍａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ａ ｍｏ ｎ ｏ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ ｔ ｏ ｏ ｌ

1 引言 计算机辅助造型技术已在产品设计、 工程分析 、 快速 成 型 等 技 术 领 域 获 得 了 广 泛 应 用 。在 应 用 CAD/ CAM 技术设计 、 制造齿轮产品时 , 齿轮的三维 实体造型是一个亟需解决的技术难题 , 如齿轮造型 精度不高 ,将直接影响有限元分析 、 虚拟样机设计的 仿真结果 ,并影响到齿轮产品的 CAM 制造精度 。目 前 ,对工程中最常用的渐开线圆柱直齿轮的三维造 型理论与方法已进行了大量研究 , 并取得了较为成 熟的研究成果 ( 如基于 UG 软件的 3 种生成方法[1 ] 、 基于 CAXA 软件的生成方法 [2 ] 等 ) 。对于结构更为 复杂的斜齿轮 ,由于其齿面为螺旋渐开线齿廓曲面 , 因此三维造型难度更大 , 目前主要采用二次开发法 和加工模拟法来实现其造型 ( 如基于 AutoCAD 软件 的造型方法 [3 ] 、 基于 Solid Edge 软件的造型方法[4 ] 等) 。其中 ,二次开发法对设计人员技术水平要求较 高 ,造型过程烦琐 , 适用范围也受到一定限制 ; 加工
r2 - ( r - ym) 2
根据点的速度合成定理 ,由图 2 可知
Va = Ve + Vf
将点的速度向直角坐标轴投影得
V ax = V ex + Vfx V ay = V ey + Vfy
( 4) 单颗金刚石磨粒 M 的切削面积 对 d S m = x d y = x [ y ( t ) ]d y ( t ) 积分 ,可得
xn =
f ( ω arcsin
单颗金刚石磨粒 N 的切削运动方程为
V r - yn r - ap ) + - arcsin r r r2 - ( r - y n ) 2
(3) 单颗金刚石磨粒 M ( 见图 2 ) 的切削运动方

１引言ＫＤＰ晶体是一种常用的非线性光学材料，大尺寸、高质量的ＫＤＰ晶体被公认为难加工的光学元件。

美国的劳伦斯・利佛尔国家实验室（ＬＬＮＬ）研究结果表明采用负前角的金刚石刀具超精密切削能够获得光学表面［１］。

铣削过程中，切削力直接影响着切削热的产生，容易导致工件变形，并进一步影响着刀具磨损、耐用度、加工精度和已加工表面质量。

为了提高ＫＤＰ晶体的表面质量，本文利用哈尔滨工业大学研制的ＫＤＰ晶体加工专用超精密机床对铣削加工ＫＤＰ晶体的切削力特性进行了研究。

２超精密机床结构和加工方式ＫＤＰ晶体属于平面光学元件，由于ＫＤＰ晶体的各向异性，ＫＤＰ晶体加工专用超精密机床加工采用立轴平面铣削形式［２］，飞刀盘直径大于６００ｍｍ，这样可以尽量减小刀具的圆弧轨迹对晶体加工的影响。

安装在飞刀盘上的金刚石刀具采用ＳＰＤＴ（ｓｉｎｇｌｅｐｏｉｎｔｄｉａｍｏｎｄｔｕｒｎｉｎｇ）方式完成对ＫＤＰ晶体的超精密切削。

伺服进给系统由交流伺服电机通过柔性联轴节带动滚珠丝杠驱动空气静压导轨完成机床工作台的直线进给运动。

主轴电机通过连轴节带动空气静压主轴驱动飞刀盘旋转，工件则通过真空吸盘吸咐夹紧在工作台上。

图１为ＫＤＰ晶体专用超精密机床结构示意图。

单点金刚石铣削ＫＤＰ晶体实验研究＊孙希威，张飞虎，董申（哈尔滨工业大学哈尔滨，１５０００１）［摘要］通过实验研究了ＫＤＰ晶体铣削加工的切削力特性，分析了切削深度、进给量对切削力的影响，并对ＫＤＰ晶体和铝合金的切削力进行了比较。

结果表明，在不影响加工表面质量的前提下，可以适当加大切削深度和进给量从而提高切削效率。

［关键词］ＫＤＰ晶体；切削力；ＳＰＤＴ［中图分类号］ＴＧ５０１．３［文献标识码］Ａ［文章编号］１００３－５４５１（２００６）０４－００１８－０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳＰＤＴＭｉｌｌｉｎｇＫＤＰＣｒｙｓｔａｌｓＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳＵＮＸｉ－ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧＦｅｉ－ｈｕ，ＤＯＮＧＳｈｅｎ（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｍｉｌｌｉｎｇＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓｈａｓｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈａｎｄｆｅｅｄｏｎｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓｈａｓｂｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｐｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈｏｒｆｅｅｄｃｏｕｌｄｂｅｅｎｌａｒｇｅｄｐｒｏｐｅｒｌｙｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｍｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｈｅｎｓｕｒｆａｃｅａｃｃｕｒａｃｙｗａｓｎｏｔｂｅｅｎｉｍｐａｃｔｅｄｉｎｍｉｌｌｉｎｇＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓ；ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ；ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔｄｉａｍｏｎｄｔｕｒｎｉｎｇ＊国家高技术研究发展计划（８６３计划）航空精密制造技术ＡＶＩＡＴＩＯＮＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２００６年８月第４２卷第４期Ａｕｇ．２００６Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４《航空精密制造技术》２００６年第４２卷第４期１主轴电机２主轴３飞刀盘４金刚石刀具５ＫＤＰ晶体６真空吸盘７工作台８导轨９伺服电机图１ＫＤＰ晶体专用超精密机床结构示意图３切削力实验原理及实验条件切削力的来源有两方面：一是切削层材料、切屑和工件表面层材料的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力［３］。

Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ２， ２ ０ １ ３
影 响单点金 刚石超 精密车削加工精度 因素的研 究
权 艳 红
（ 云南广播 电视大学光电工程学院， 云南 昆明 ６ ５ ０ ５ ０ ０）
单 点金 刚石车 削（ ｓ Ｐ Ｄ Ｔ ） 加工技术 是获得纳米级
表 面 粗糙 度 及 形 状精 度 的加 工技 术 ，其 是 用超 精 密
在实际超精密切削塑性材料时 ，主切削刃和前 刀面的主要任务是去除材料 ，切削层在前刀面的挤 压作 用 下发 生剪 切 滑 移 和塑性 变形 ，然 后 形 成 切 屑 沿前 刀面 流 出 ， 如图 １ （ ｂ ） 所示 。 前 刀 面的形 状直 接 影 响塑 性 变形 的程 度 、切 屑 的卷 曲形 式 和切 屑 刀具 之 问 的摩 擦 特 性 ， 并 直 接 对 切 削力 、 切 削 温度 、 切 屑 的 折 断 方式 和 加工 表 面 品质 形成 显 著影 响 。主 切 削 刃 是 前 刀 面和后 刀 面 的交 线 ，实 际上前 刀 面 和后 刀 面 的交线 不 可 能为 理 想直 线 ， 而 是 一微 观 交 接 的 曲线 。 该 曲线 的形状 可 以近似 用 与其 在 不 同位 置 的法 平 面 相交成交线的平均曲率半径来反映 ，称其为刃 口半 径ｐ 。刃 口半径 越小 ， 应 力越 集 中 ， 变形 越 容易 ， 切 削 力越 小 ， 加工 表面 品质越 好 。 目前计算机仿真技术与求解方法 ，已经被广泛 应 用 于科 学研 究 的各 个 领域 ，此 方法 减 少 了物 理 实 验 的成 本 ， 加 速 了实 验 的过 程 。 近年 来 ， 有 限 元仿 真 １ 单 点金刚石超精密 车削原 理 方 法也 被 广泛 的应 用 于 加工 过 程 的仿 真 中 ，作 为 一 种 预测 切 削力 与 工件 表 面 品质 的工具 ，如 图 ２是 使 单点金刚石 车削加工技术是超精密加工中常用 用 ＭＳ Ｃ ． Ｍａ ｒ ｃ 进 行单 点金 刚石 车 削原 理 的仿 真 ，图 ３ 的 技术 。 由于 金 刚石 的硬 度 高 ， 耐磨 性 强 ， 导热 性 优 则是 通过 三维仿 真 的切 削力 变化 情况 。 越， 因此 ， 金 刚 石刀 具 的刃 口可 以非 常锋利 （ 刃 口半 径 可 以小 于 ０ ． ０ ５ ｍ甚 至更 小） 。 在 理想状 态 下 ， 采用 圆 ２ 影 响 加 工 精 度 的 因素 分 析 弧刃 单点 金 刚石刀 具进 行超 精 密车 削加 工时 ， 在工 件 ． １ 单 点金 刚石 机床设 备 加工表面形成轮廓峰和轮廓谷 ， 它们之 ■

Methods proposed to reduce tool wear during diamond cutting of steel: cut in carbon saturated atmosphere cryogenic cutting ultrasonic vibration assisted cutting intermittent cutting thermal-chemical modification of surface layer
The objectives of this project:

to introduce the technology of diamond machining of steel into our manufacturing process

to build up corresponding quality control system to ensure quality
Raster milling of freeform surface
5-axis setup of the machine tool
The diamond tool is rotated around the spindle axis while the workpiece is fixed.
Schematic illustration of raster milling process
Hardened steel parts machined by ultrasonic vibration cutting
When a diamond tool is actuated in a plane by two sinusoidal waves x(t), y(t), x (t) = a cos (2πft) y (t) = b cos (2πft+φ) it will moves in an elliptical path.

轮胎面透镜的单点金刚石车削加工工艺技术研究【摘要】基于较成熟的旋转对称非球面的单点金刚石车削加工工艺，通过大量工艺试验，对工装夹具、车削刀具、切削参数等进行研究，总结出了一套实用的单点金刚石车削轮胎面光学元件的加工工艺。

该工艺方法也可以适用于其它离轴非球面的单点金刚石车削加工。

【关键词】单点金刚石车削；轮胎面透镜；离轴；工艺技术1.引言轮胎面透镜可用于光束束腰置远、光束偏转小角度等方面，在保证传输中的光束直径、消象散等方面具有传统光学元件难以具备的功能，被日益广泛地应用在国防军事、航空航天、通讯、医疗等领域。

本工艺研究基于较成熟的旋转对称非球面的金刚石车削加工工艺，通过大量工艺试验，对工装夹具、车削刀具、切削参数等进行研究，总结出了一套实用的，行之有效的在单点金刚石车床上车削轮胎面光学元件的加工工艺。

2 .金刚石车削加工原理本文的讨论是基于英国taylor hobson公司的ultraform350单点金刚石车床。

该车床是两轴机床，可加工最大直径为350mm的平面、球面、非球面等各类轴对称光学元件。

其车削加工原理是，被加工件通过工装夹具吸附于主轴的真空吸盘上，并且光轴和车床z 轴重合，主轴带动被加工元件高速旋转，利用tpg刀具轨迹发生器生成程序，使刀具x、z两轴插补联动按照光学元件子午曲线轨迹运动，对被加工光学元件进行车削，形成轴对称光学曲面。

其中主轴与被加工光学元件的动平衡将影响零件的形状误差和表面波纹度[1]。

图1 单点金刚石车床车削原理简图3.轮胎面的车削加工工艺3.1 轮胎面的特点轮胎面光学元件是非对称光学元件，以光轴为中心，其子午方向和弧矢方向具有不同的曲率半径，在精确要求两个曲率半径的同时，还需要具有很好的面形和表面粗糙度。

3.2 工装夹具根据金刚石车床加工的特点，夹具采用回转对称结构[2]。

设计的工装夹具简图如下：图2 工装夹具简图其中轮胎面母体是一椭球体，其子午和弧矢方向的曲率半径分别与被加工轮胎面的两个曲率半径相同。

探讨单点金刚石切削技术在微结构加工中的应用吕江龙2111406002摘要：单点金刚石切削（single point diamond turning，简称SPDT）是一种使用纳米金刚石刀具进行加工的生产过程。

而纳米单晶金刚石刀具具有刃口锋利、可反复成形和耐磨性高等特点。

该方法能够使微米至亚微米级制造组件的形状精度和表面粗糙度控制在纳米级的范围内。

单点金刚石切削优异的表面成形质量和面形精度，使该技术被广泛地应用于制造各种精密机械和光学部件。

目前，微结构自由曲面的加工已达到微纳切削。

通过典型微结构自由曲面的加工及测量的应用进行举例说明；介绍我国在超精密加工机床领域内的研制情况，展望超精密切削技术未来发展趋势。

关键词：单点金刚石切削微结构自由曲面超精密加工Abstract: Single-point diamond turning (SPDT) is a machining process that making use of a monocrystal diamond tool which possesses nanometric edge sharpness, forming reproducibility and wearing resistance. The process is capable of producing components with micrometer to submicrometre form accuracy and surface roughness in the nanometre range. The superior surface finish and form accuracy of SPDF allow the technology to be adopted widely for the manufacture of a variety of precision mechanical and optical parts. At present, the microstructure of freeform surface machining has reached micro-nano cutting. Case studies on the fabrication and characterization of typical microstructured freeform surface is presented. The development of ultra-precision machining equipment in China and the future trends in the machining and measurement of microstructured freeform surfaces are discussed. Key words: Single-point diamond turning Microstructured freeform surface Ultra-precision maching前言超精密机床在加工具有亚微米形状精度、纳米表面粗糙度的精准表面过程中起着至关作用。

Moore UPL250三轴单点金刚石车床
自行开发的DJC350三轴单点金刚石车床
自由曲面车削有两种形式：慢刀伺服（刀具运动的频率通常低于2赫兹） 快刀伺服（刀具运动的频率通常可达200赫兹）
5.自由曲面超精密车削与检测工艺
自由曲面加工的流程
刀具半径补偿,数据插值， CNC文件生成
超精密车削
加工路径生成（螺旋线）
2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法
单点金刚石车削刀具偏置对车削面形的影响
刀具垂直偏置后造成 车削球面半径的变大
R' = A'O = R 2 + dy 2
刀具水平偏置使实际加工 轨迹的位置偏离了理论值
∆z(x) = − x ⋅ ∆x R2 − x2
2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法
该高次非球面与其最接近球面的偏离量超 过1mm，边缘切线斜率接近60度，形状陡 峭，属于典型的大数值孔径高次非球面。
4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺
基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验
1. 以相近数值孔径球面试切件调整刀具水 平偏置。
2. 对高次非球面进行首次车削。 3. 利用基于微差原理的接触式轮廓仪对首次
1. 概述
单点金刚石车削（SPDT）的特点： (Single Point Diamond Turning)
ü加工周期短 ü污染小 ü产品一致性好 ü有利于批量生产的质量控制
1. 概述
应用背景
国防工业
航天工业
民用工业
导弹红外成像制导反射镜 红外雷达反射镜
步兵及坦克夜视红外透镜 航空高速多瓣防滑轴承的内滚道
面形检测（三坐标测量）
自由曲面慢刀伺服车削示意图

科技成果——高精度单点金刚石车削技术技术开发单位中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所技术简介航空航天、科学仪器等工业领域对复杂光学零件以及光学系统的结构、性能和成像质量等有着日益增加的需求。

与传统的回转对称光学曲面相比，光学自由曲面给光学设计人员提供了较大的设计自由度，使用一个或者少数几个自由曲面镜就可以代替多个球面、非球面光学元件，在提高光学性能的同时，缩减了光学系统尺寸，减轻了光学系统重量，并降低了成本，因此受到国内外研究人员的广泛关注。

单点金刚石超精密车削是自由曲面加工的一项重要方法，超精密车削比传统加工环境污染小，加工效率高，一致性好，且与传统加工相比生产成本低。

该技术以科学仪器等光学关键零件的制造为目标，通过对光学设计、模具超精密加工设备、加工用金刚石加工刀具及超精密车削加工工艺、热成型技术等研究，最终提供高精度低成本的单点金刚石车削产品和可靠的国产化加工设备及工艺，并且提供包括精密导轨零件、精密主轴零件、加工专用金刚石刀具等的加工设备及工艺。

在总体设计方面，单点金刚石精密车削设备采用T型结构布置，按照三轴设计（直线轴X、直线轴Z以及工件轴C）。

为了扩展设备的应用范围，设计时预留了Y轴及B轴的接口。

X、Z轴均可采用液体静压导轨，并采用直线电机驱动技术，保证导轨的运动直线度和定位精度，同时设备具有慢拖板伺服控制功能，也可以增加快速刀具伺服系统，极大地提高设备的扩展性。

为提高设备的通用性，增加C轴的位置伺服控制功能，这样可进行微结构和复杂曲面零件的超精密加工工艺技术研究。

设备的控制系统采用基于UMAC运动控制卡的数控系统，具有良好的开放性和可靠性。

技术指标最大加工工件尺寸：φ300、φ600、φ1000；X、Z轴导轨：有效运动行程：350mm、20000mm；运动直线度：0.3-0.5μm/300mm，0.1μm/100mm（水平面内）；0.5-0.7μm/300mm，0.15μm/100mm（垂直面内）；刚度：750N/μm（垂直面内）450N/μm （水平面内）；运动分辨率：0.01μm；C轴主轴：主轴最高转速：2000rpm，C轴最高转速：900°/s，刚度：100N/μm，回转精度：小于0.1μm，位置分辨率：±1角秒；压电陶瓷快速刀具伺服系统：运动分辨率：0.01μm；最大行程：100μm；最高响应频率：200Hz。

金刚石切削技术及其应用-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII金刚石车削技术及其应用2008/1/16/15:01 来源：慧聪网五金行业频道1.金刚石车床的技术关键金刚石车床与镜面铣床相比，其机械结构更为复杂，技术要求更为严格。

除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高的定位精度和重复精度。

镜面铣削平面时，对主轴只需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较低。

金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影响。

目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静压轴承，轴向和径向的运动误差在50nm以下，个别主轴的运动误差已低于25nm。

金刚石车床的滑台在90年代以前绝大部分采用气体静压支承，荷兰的Hembrug公司则采用液体静压支承。

进入90年代以来，美国的Pneumo公司（现已与Precitech公司合并）的主要产品Nanoform600和250也采用了具有高刚性、高阻尼和高稳定性的液体静压支承滑台。

2．金刚石车床的布局金刚石车床的布局最初沿袭了传统车床的结构，主轴固定在床身上，横向沿台（X轴）装在纵向滑台（Z轴）上。

因为纵、横滑台的导轨相互垂直，故又被称为十字滑台布局。

其优点是技术成熟，结构紧凑，荷兰Hembrug公司的super-mikroturn就一直采用这种结构（图1）。

十字滑台布局的缺点在于纵横两滑台运动时相互影响，当对动态精度要求高时，这种缺点就尤为突出。

金刚石车床的基本数据如表1所示。

表1金刚石车床技术参数和性能示例最大车削直径和长度/mm400×200最高转速r/mm3000、5000或7000最大进给速度mm/min5000数控系统分辩率/mm0.0001或0.00005重复精度(±2σ)/mm≤0.0002/100主轴径向圆跳动/mm≤0.0001主轴轴向圆跳动/mm≤0.0001滑台运动的直线度/mm≤0.001/150横滑台对主轴的垂直度/mm≤0.002/100主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）径向1140轴向1020主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）640纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm）720十字滑台相互影响的主要原因是X向滑台的重量要由Z向滑台来支撑。

影响单点金刚石切削表面质量的因素王昊【摘要】单点金刚石切削(single point diamond turning,简称SPDT)是一种使用纳米金刚石刀具进行加工的生产过程.而纳米单晶金刚石刀具具有刃口锋利、可反复成形和耐磨性高等特点.该方法能够使微米至亚微米级制造组件的形状精度和表面粗糙度控制在纳米级的范围内.单点金刚石切削优异的表面成形质量和面形精度,使该技术被广泛地应用于制造各种精密机械和光学部件,如注射成型塑料镜头和扫描反射镜.虽然单点金刚石切削满足了很多高精密零件的制造需求,但目前所了解的影响因素和表面生成的机制仍不完善,在生产中有很多因素会影响到单点金刚石的表面质量和面形精度,如主轴转速、进给速度和切削深度等,本文对此进行了分析.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P116-119)【关键词】单点金刚石切削;表面粗糙度;加工参数【作者】王昊【作者单位】昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TH161+.14在20世纪50年代，单点金刚石切削技术在美国发展起来，经过60多年的发展，目前已经广泛应用于国防、航天和天文观测等领域。

近30年来，单点金刚石切削技术开始逐步进入民用领域，美国的普瑞泰克和摩尔公司以及日本的日立和东芝公司都在政府的支持下，将单点金刚石切削机床商品化，开始应用于民用，生产高精密的光学镜头。

随着单点金刚石切削技术民用化的不断成熟，在汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下，单点金刚石切削技术广泛应用于非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板和半导体基片等零件的加工[1]；此外，设备精度也逐渐接近纳米级水平，可加工工件的尺寸范围也变得更大，应用越来越广泛。

目前，单点金刚石切削已经达到了机械加工的顶峰水准，加工精度步入纳米级，而表面粗糙度也可以控制在3～8 nm。

在这种加工精度下，很多在传统机械加工过程中不被重视的客观因素都会对单点金刚石切削的表面质量产生影响。

金刚石切削工具的制备与性能研究金刚石作为一种硬度极高的天然材料，被广泛应用于切削、磨削、抛光等领域。

金刚石切削工具作为其中一种重要的应用形式，具有精度高、长寿命、高效率等优点，近年来得到了越来越广泛的应用。

本文将就金刚石切削工具的制备方法、性能研究进行探讨。

一、金刚石切削工具的制备方法金刚石切削工具的制备方法有多种，其中比较常用的方法为烧结法、高温高压法、化学气相沉积法等。

1. 烧结法烧结法是制备金刚石切削工具的一种常见方法，主要是将金刚石颗粒在高温高压下烧结成型，通常使用金属粉末作为焊接剂。

烧结法制备的金刚石切削工具具有高硬度、高强度、高耐磨性等优点，但制备难度较大，过程复杂，且对设备要求较高。

2. 高温高压法高温高压法是制备金刚石切削工具的另一种常用方法，通过在高温高压下将金刚石晶体合成成工具形状，再通过加工制成切削工具。

该方法制备的金刚石切削工具具有高硬度、高强度、高耐磨性、高导热性等优点，但该方法设备成本高、能源消耗大，制备周期长。

3. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种比较新的制备金刚石切削工具的方法，适用于制备复杂形状和高精度的金刚石切削工具。

该方法通过在合适的气相成分下，使含碳气体分解形成的高纯度碳离子在晶体表面上沉积形成金刚石晶体，具有制备周期短、适用范围广、设备成本低等优点。

二、金刚石切削工具的性能研究金刚石切削工具的性能研究主要涉及到其硬度、耐磨性、导热性、断裂韧性等性能。

1. 硬度金刚石切削工具的硬度是其最重要的性能之一，其硬度高达91.7GPa，远远高于其他任何材料，因此具有极高的切削能力。

硬度测试主要使用压痕法或撞击法进行，通过测试可以得到切削工具硬度值及硬度分布情况。

2. 耐磨性金刚石切削工具的耐磨性主要是其在任意材料下切削寿命的衡量标准，耐磨性强的金刚石切削工具在使用过程中可以保持其切削性能不断，从而提高整个生产效率。

耐磨性测试通常采用切削试验、磨损试验等方法进行。

单点金刚石切削InSb单晶的研究单点金刚石切削InSb单晶的研究程雨;曹凌霞;肖钰【期刊名称】《红外》【年(卷),期】2019(040)002【摘要】InSb Infrared Focal Plane Array (IRFPA) detectors have always occupied an important place in the medium infrared waveband. With the development of science and technology, it is urgent to find out a precision machining method for InSb single crystals. A precise Single Point Diamond Turning (SPDT) machine is used to make InSb crystal be thin. There are several variable parameters, such as spindle speed, cutting depth and feed rate etc, for SPDT machines. Through an orthogonal experiment, the optimal working parameters for single point diamond turning of InSb crystals are determined. By combining with the double crystal diffraction measurement, it is found that the damaged depth of cutted InSb crys tals is less than 3 ■m. This InSb device processing experiment shows that the SPDT technology meets users' requirements and achieves good results.%InSb红外焦平面探测器一直在中波波段占据重要地位.随着科技的发展, 迫切需要针对InSb单晶的精密加工方法.采用单点金刚石切削(Single Point Diamond Turning, SPDT) 精密机床对InSb晶体进行减薄工艺开发.在机床加工工艺中, 可变参数有主轴转速、单次去除量和进给速度等.通过正交试验, 确定了单点金刚石切削InSb晶体的最佳工艺参数.对于切削后的InSb晶体, 结合双晶衍射测试, 其切削损伤低于。

单晶材料纳米级切削机理的研究单点金刚石车削加工是现代超精密加工技术的前沿领域之一。

它能够通过切学直接获得纳米级表面质量的光学元件。

在加工过程中,为了使脆性材料加工表现出塑性特性,往往需要把切削深度控制在纳米量级。

采用传统的切削理论已经很难准确地理解其切削机理。

在此背景下,分子动力学模拟成为了一个强有力的工具,它可以在原子级量级上对切削机理进行深入的研究。

本文系统进行了单点金刚石切削纳米级加工的分子动力学仿真和实验验证。

为了使分析研究更接近实际,在已有分子动力学仿真理论和对实际单点金刚石刀具刃口半径测量的基础上,建立了切削刀具三维分子动力学模型,并进行了相关切削仿真研究。

本文针对单晶材料纳米级切削过程主要进行了以下研究。

建立了单晶硅纳米级切削过程MD模型,并针对模型中工件的不同边界条件进行探讨和相关仿真研究。

通过对模拟结果的比较分析,提出了在底部和退刀侧施加边界条件能够更准确的进行单晶硅的分子动力学仿真。

并对Tersoff势能参数进行了探讨与研究。

基于分子动力学仿真对于材料的去除方式进行了研究。

根据不同刀具形状及切削角度详细讨论了材料的去除方式。

根据切削过程中实际的刀具状态,建立了与刀具更相符的三维分子动力学仿真模型。

通过分析切屑的形成形状和生成位置等方面验证了该三维分子动力学仿真切削更接近实际切削状态。

对单晶硅的进行了斜向切削分子动力学仿真,得到脆性材料去除方式分为两个阶段,即弹性变形,塑性去除;在切深小于0.314nm时,切削只发生弹性变形;当切深大于0.314nm时,工件材料发生塑性去除,。

对于切屑的晶格状态,在边缘变为非晶状态,内部为单晶态。

并通过白光干涉仪得到,弹性变形和塑性去除的临界深度为0.0003μm,该结果与单晶硅分子动力学模拟得到的结是相一致的。

为获得纳米刃口的微刀具,利用聚焦离子束技术(FIB)进行了微刀具的制备。

利用制备的刃口半径为10nm的微刀具,对单晶铜进行纳米切削分子动力学仿真实验。