金刚石车削

DIFF SYS®光学超精密金刚石车削软件简介：DIFFSYS为Western Isle公司产品，该公司位于英国北威尔士，DIFFSYS软件的开发已有10多年的历史，现今仍在持续的研发升级。

DIFFSYS软件是目前世界上唯一商业化的单点金刚石非球面车削软件，除非球面以外还可以完成衍射元件及自由曲面的编辑，并且可以与其他的计量仪器一起对加工数据进行误差校正（如：Taylor Hobson轮廓仪）及CAD数据导入。

主要特性：⏹软件采用模块化设计，可根据客户不同的需求选取不同的搭配方案；⏹DIFFSYS输出文件格式为ASCII，适应目前所有主流机型；⏹操作简易，并且给出明确的图像分析；⏹可导入多种不同格式的数据；⏹刀具的校正功能，确保加工精度（强大的实用性，几乎可以输入任何一个与加工有关的参数，之后对参数进行校正，确保加工精度）；⏹有着优秀的研发人员，可确保良好的技术支持及售后服务。

软件操作界面应用类别主要设计类型：非球面，衍射光学元件，离轴非球面，环面，自由曲面。

软件采用模块化设计可针对不同的几何形体，使用不同的软件模块。

分区选项：衍射元件，菲涅尔元件，混合元件。

3D选项：离轴非球面，环面，柱面，多项式自由曲面，泽尼克表面，微透镜阵列。

非球面的设计关于非球面的设计采用标准的非球面公式：z=Cx2/ [1+sqrt(1-(1+k)·C2x2)]+a[2]x2+a[3]x2+...其中：a[2]、a[3]...为常数，C是半径的倒数，K是圆锥系数，x为x轴坐标值，镜片的高度为Z。

微透镜阵列①②③图①~③分别为自由曲面、离轴非球面及柱面的设计方案MC2/MC3选项:可导入2D/3D表面或测量数据。

2D数据导入（Taylor Hobson）3D数据的导入及面型图像以上可以根据用户的不同需求来调整搭配方案，方便客户的使用。

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。

理论与实践经济与社会发展研究超精密加工中的金刚石刀具及刀具磨损分析齐齐哈尔工程学院 武晓迪摘要：各种超精密加工应用中将金刚石用作切削工具已经成为现实，然而其目的与意义并没有得到实质性分析。

据此，本文对超精密加工中应用金刚石作为切削刀具的现实意义进行分析。

关键词：超精密加工；切削工具；刀具磨损一、技术背景分析使用高速超精密车床加工玻璃和硅等脆性材料时，当所施加的切削深度低于临界值时，则认为其处于延性模式，并且可以容易地加工而不会形成裂纹。

因此，对于这些材料的延性至脆性转变具有重要意义，在这些材料中，临界切削深度的大小取决于零件的特性而变化。

通常，单晶硅经常用在微机电系统（ＭＥＭＳ）中，在该系统中，最终将材料加工成优质产品，并进行超精密研磨和抛光操作。

尽管硅材料的行为在室温下很脆，但建议使用金刚石车削工具以延性模式加工硅。

这减少了由陶瓷材料的脆性断裂引起的损坏，并提高了最终零件的生产率。

使用金刚石工具对铜，铝和镍等有色金属材料进行高速加工，以评估工具的磨损，切削力和表面光洁度。

实验针对不同的切割速度进行，例如较低的１５０ｍ／ｍｉｎ的速度和较高的４５００ｍ／ｍｉｎ的速度。

在较低的切削速度下观察到的刀具磨损率大于较高的切削速度。

这可能是由于以较高的速度减少了刀具与工件啮合的时间。

它还降低了工具和工件界面之间的化学亲和力。

具有高负前角的金刚石工具可用于以超精密精度精加工该材料。

二、金刚石作为切削工具的意义制备塑料模具的需求不断增加，而塑料模具是制造ＣＤ光学头的非球面透镜和照相机的智能透镜所必需的。

刀具的切削刃必须锋利且没有不规则形状，以加工高精度非球面。

基于工具的清晰度，单晶金刚石（ＳＣＤ）和多晶金刚石（ＰＣＤ）之间存在主要差异。

ＳＣＤ工具的切削刃是均匀的且没有不规则性，而ＰＣＤ工具的切削刃则显示出微观的不规则性，从而导致金刚石颗粒的去除。

与ＰＣＤ工具相比，ＳＣＤ工具的主要缺点是其磨损寿命短。

它还用于将铝基板加工成精细的镜面涂层，该涂层用于计算机存储系统的硬盘驱动器中。

金刚石刀具在数控机床中的应用随着科技的不断进步和发展，数控机床在工业领域中扮演着重要的角色。

数控机床的出现大大提高了生产效率和加工质量，而金刚石刀具作为一种高性能的切削工具，在数控机床中的应用也越来越广泛。

本文将探讨金刚石刀具在数控机床中的应用，并分析其优势和挑战。

一. 金刚石刀具的基本特性金刚石刀具由金刚石颗粒和金属粉末经压制、烧结等工艺制成，具有极高的硬度、耐磨性和热稳定性。

这些特性使得金刚石刀具在切削加工中具备以下优势：1. 高硬度：金刚石刀具的硬度仅次于金刚石，可用于切削超硬材料如陶瓷和高硬度合金等。

2. 耐磨性：金刚石刀具具有出色的耐磨性，可在切削过程中保持较长的使用寿命。

3. 热稳定性：金刚石刀具具有良好的热稳定性，可承受高温切削环境下的工作，不易变形。

二. 金刚石刀具在数控机床中的应用领域1. 切削加工金刚石刀具广泛应用于数控机床的切削加工领域，包括车削、铣削、钻削、磨削等。

由于金刚石刀具的高硬度和耐磨性，可用于加工硬度较高的材料，如钛合金、高速钢等。

同时，金刚石刀具还能够提供更高的加工精度和表面质量。

2. 精密加工在数控机床的精密加工中，金刚石刀具的应用更能体现出其独特的优势。

例如，在汽车零部件的精密加工过程中，采用金刚石刀具可以实现更高的加工精度和更好的表面质量。

3. 工具磨损监测由于金刚石刀具的耐磨性较高，因此可以通过监测金刚石刀具的磨损情况，准确地评估刀具的使用寿命。

这对机床的保养和刀具的及时更换具有重要意义，可降低生产成本，并提高生产效率。

三. 金刚石刀具在数控机床中的挑战虽然金刚石刀具在数控机床中有广泛的应用前景，但面临着一些挑战和限制：1. 成本高昂：金刚石刀具的制造成本较高，所以其售价也相对较高，这给广泛应用带来了一定的限制。

2. 技术要求高：金刚石刀具的加工工艺复杂，需要高精度和高温高压的条件，所以其生产过程要求较高的技术水平。

3. 刀具表面质量难以保证：由于金刚石刀具的硬度很高，常规的抛光或修整技术难以完成对其表面的加工，从而可能会影响到加工表面质量。

机床特点：超精密单点金刚石车床具有超精密加工的特点，利用计算机数控单点金刚石车削技术，非球面光学零件加工技术。

在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。

单晶金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且刀具刃口极为锋锐，刃口半径为0.5～0.01um，车削时金刚石刀具与工件单点或接近单点接触，切削深度多在lnm至数微米加工元件表面粗糙度可达纳米级，面形精度可达λ/10量级，口径最大可达到400mm,可加工各种高精度平面、球面、非球面及离轴元件和自由曲面元件。

可加工铜、铝、单晶锗、硒化锌、树脂、PMMA等材料。

在三轴联动模式下还可加离轴元件、柱面、子午面等非回转对称元件和自由曲面；配以特殊刀具可以实现微结构元件的加工，如各种衍射元件和菲涅尔透镜等。

机床设计特点● PA开放式操作系统；●天然花岗岩基座，保证机床长久稳定性；●超精密高刚性空气静压主轴；●超精密液体静压导轨，具有较好的刚性和阻尼性；● X/Z轴均采用直线电机驱动，全闭环控制；●气浮支承隔振系统最大的减少外界振动干扰；主要技术指标：（1）Z轴最大行程： 210mm直线度： 0.2μm/100mm定位精度 0.5μm±0.5μm×Lmm/100mm重复定位精度： 0.3μm分辨率： 10nm最大进给速度： 20mm/s（2）X轴最大行程： 210mm直线度： 0.2μm/100mm定位精度 0.5μm±0.5μm×Lmm/100mm重复定位精度： 0.3μm分辨率： 10nm最大进给速度： 20mm/s（3）C轴高精度气浮轴承回转精度 0.1μm转速 0-3000rpm转角定位精度 30″转角重复性定位精度 10″联系电话：133****9700联系人：刘红兵电话：************传真：************邮件：*************我们以最优惠的价格提供单点金刚石车床，我们不仅仅是提供仪器，更注重售后服务和技术支持！也提供全套符合客户需求的解决方案！欢迎全国客户提供产品样品测量或技术交流！（我们可做演示或专题研讨会）。

金刚石刀具金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点。

可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。

金刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。

天然金刚石刀具目前主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属，以及特殊零件的超精密镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。

但其结晶各向异性，刀具价格昂贵。

PCD的性能取决于金刚石晶粒及钴的含量，刀具寿命为硬质合金(WC基体)刀具的10～500倍。

主要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。

切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件材料以及硬度。

人造聚晶金刚石复合片(PDC)性能和应用接近PCD刀具，主要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合材料等切削加工，逐渐替代硬质合金刀具。

由于金刚石颗粒问有部分残余粘结金属和石墨，其中粘结金属以聚结态或呈叶脉状分布会减低刀具耐磨性和寿命。

此外存在溶媒金属残留量，溶媒金属与金刚石表面直接接触。

降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐热温度，故刀具切削性能不够稳定。

金刚石厚膜刀具制备过程复杂，因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。

金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润。

可焊性极差，难以制作复杂几何形状刀具，故TDF焊接刀具不能应用在高速铣削中。

金刚石涂层刀具可以应用于高速加工，原因是除了金刚石涂层刀具具有优良的机械性能外，金刚石涂层工艺能够制备任意复杂形状铣刀，用于高速加工如铝钛合金航空材料和难加工非金属材料如石墨电极等。

显示为纯金刚石。

ND是目前已知矿物中最硬的物质，主要用于制备刀具车刀。

天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01～0.002µm。

金刚石车床结构及应用实例金刚石车床结构及应用实例：金刚石车床是一种利用金刚石刀具进行加工的机床。

它具有高刚度、高精度、高切削效率等优点，适用于加工硬脆材料，如高硬度合金、陶瓷、玻璃等。

下面将详细介绍金刚石车床的结构以及应用实例。

金刚石车床的结构：金刚石车床主要由床身、主轴箱、进给箱、润滑冷却系统、控制系统等部分组成。

床身是金刚石车床的主体部分，它支撑和定位其他组件，并提供工件和夹具的支撑面。

床身通常由高强度、高刚性的铸铁材料制成，以确保金刚石刀具能够稳定地切削工件。

主轴箱是安装在床身上的机械驱动装置，用于提供旋转动力。

主轴箱内部包含主轴、轴承、齿轮等部件，通过驱动装置驱动主轴旋转，并与刀具进行切削。

进给箱是金刚石车床的进给装置，用于控制工件在切削过程中的进给轴向运动和横向运动。

进给箱内部包括导轨、进给螺杆、电机等部件，通过控制系统控制进给电机的运转，实现机床的进给运动。

润滑冷却系统是金刚石车床的重要组成部分，用于给刀具、工件和轴承等关键部位提供润滑和冷却。

润滑冷却系统通常由油润滑系统和冷却系统组成，能够有效降低切削温度，减少磨损和热变形。

控制系统是金刚石车床的核心部分，用于对机床的各项运动进行控制。

控制系统通常由数控系统、伺服系统、编码器等组件组成，通过相应的编程和操作，实现金刚石车床的自动化加工。

金刚石车床的应用实例：1. 制造领域：金刚石车床广泛应用于制造业的不同领域，如航空航天、机械制造、仪器仪表等。

例如，在航空航天领域，金刚石车床可用于加工高硬度合金的零部件，如发动机叶片、航空轴承等。

2. 光学领域：金刚石车床也被广泛应用于光学加工领域。

利用金刚石刀具的高硬度和尖锐度，可以进行高精度的光学元件加工，如透镜、镜片等。

金刚石车床在光学加工方面的应用可以提高产品的质量和精度。

3. 医疗器械领域：金刚石车床在医疗器械领域也有广泛的应用。

例如，在人工关节的制造过程中，金刚石车床可以进行高精度的加工，确保人工关节的质量和适配度，提高患者的生活质量。

Ｗ ＡＮＧ ．ＹＵ ｉ ｇ ｃ ｉ Ｙｉ Ｊｎ － ｈ
（ｎｔｕｅｏ ｄ ｒ ｐｉａ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｓ ｏｈ ｗ Ｕ ｉｅｓｙ ｕｈ ｕ２ ０ ， ｈｎ ） Ｉｓｔｔ ｆ ｉ ＭｏｅｎＯ ｔ ｌ ｅｈ ｏ ｇ ， ｏｃｏ ｎｖｒｉ ，Ｓ ｚｏ ０ ６ Ｃ ｉａ ｃ ｏ ｔ １ ５
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Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｇ ｉ ｎ ｒｉｇ ｐ ｏ ｅｓ ｇｐ ｒｍｅｅｓ ｒｕ ｎ ｓ ｙｗｏｄ ： ｉ ｅｄａ ｄｔ ｎｎ ； ｒｃｓｉ ａａ ｔｒ；ｏ ｇ ｅｓ ｎ ｌ ｍｏ ｕ ｎ ｈ
Ｏ 引 言
超精 密 车削 技术 也 称 “ Ｐ Ｔ技 术 ” Ｓｎ ｌ Ｐ ｉｔ ＳＤ （ ｉｇｅ ｏｎ
／２ ，
具 切 削刃 口的 圆弧 半径 ， 当然 针 对不 同材 料 ， 佳 工 最
艺 参数 也有 所 不 同 ， 就 需 要 大 量 反 复 的 工 艺试 验 这 去 总结 。 有 关超 精密 车削 的工艺 参 数 与 工件 表 面 微 观形 貌 的研 究 ， 早在 ２ Ｏ世 纪 ９ ０年 代 ， 已经展 开 。１９ 就 ９５
Ａｃ ｏ ｄｎｇｔ ｈｅ ｅ ｐｅｉ ｅ ａ ｎ ｎ ｌ ｅ ｅ ｕ ｔ ，ｔ ｅ ｏ ｉ ｌｃ ｍｂ ａ ｉｎ ｏ ｏ ｅ ｓ ｇｐａ ａ ｔ ｒｉ ‘ ｃ ｒ ｉ ｏ ｔ ｘ ｒｍ ｎｔ ｌａ ｄ ａ ａｙｚ ｄ ｒ ｓ ｌｓ ｈ ｐｔｍａ ｏ ｉ ｔｏ ｆｐｒ ｃ ｓ ｉ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ａ ｎ ｎ

金刚石刀具超精密车削技术研究作者：杨震来源：《科学与财富》2018年第27期摘要：通过对超精密车床、超精密加工材料特性、超精密加工刀具、超精密切削用量、加工冷却液及超精密检测技术等进行分析研究，总结出超精密车削技术研究的工程化加工技术，提高现有的加工水平，扩展了金刚石刀具加工的空白领域，为公司的研制产品和批产提供技术保障和技术储备。

关键词：铜铝合金；超精密加工；金刚石刀具；切削用量1引言为了适应国内外发展形势，目前，我公司产品正由精密型向超精密型转化，产品零件的精度、加工难度、复杂性等都在向更高层次发展。

公司研制产品中，铜铝合金零件的精度要求越来越高，现有的加工水平已经不能满足公司的需求。

因此，对超精密车削技术进行研究，充分应用高精密车床设备的各项功能，试验摸索合理的切削参数、刀具材料及冷却液，有效提高刀具的加工效率和使用寿命，实现超精密零件车削加工尤为重要。

2超精密车床的应用研究超精密车床是实现超精密加工的首要条件，根据公司研制产品的需求，新购置的超精密车床HLV，主轴的径、轴向跳动量为0.0004mm、加工零件的圆度为0.5um、圆柱度为5um/100mm、表面粗糙度为Ra0.2um。

为了更好发挥该车床各项功能，在加工试验中，依据加工检测零件的实际尺寸，对机床主轴进行微调，将机床的各参数调整到最佳状态。

依据车床最小进刀刻度尺及光栅供数显用的最小尺寸精度0.008mm，做了两个表架，并安装精度为0.001mm的表以便控制切削深度，提高零件加工尺寸精度和稳定性。

同时，摸索机床的各项参数，依据加工材料的特性，选择最佳的机床转速，尽量减少机床内部所有振动，提高机床工作时的平衡性。

3零件材料的理论分析超精密加工的材料在化学成分、物理机械性能和加工工艺上都有严格的要求，材料应选择质地均匀，不能有杂质，性能要一致、稳定，无外部和内部缺陷，如杂质、砂眼。

铝合金具有密度小、塑性高、热导率高等优点，切削加工性能良好，是达到超精密加工优选材料。

金刚石车削刀具的磨损分析与改进金刚石车削刀具是现代制造业中不可或缺的重要工具。

然而，由于其高硬度和脆性，金刚石车削刀具在长时间使用过程中会遭受磨损，降低其使用寿命和切削性能。

为了延长金刚石车削刀具的寿命并提高加工质量，对其磨损进行分析并进行改进是非常必要的。

首先，我们可以从金刚石车削刀具的磨损形式入手，分析其磨损的原因。

金刚石车削刀具的磨损形式包括磨粒磨损、界面磨损、热磨损等。

磨粒磨损主要是由于工件材料中的硬质粒子与金刚石颗粒之间的相互作用引起的，界面磨损则是金刚石与工件材料之间的高温热膨胀不匹配导致的。

此外，热磨损主要是由于金刚石车削刀具在高温环境中的氧化、脱碳和加工液中的化学反应引起的。

了解磨损形式和原因可以为改进金刚石车削刀具提供方向。

接下来，我们可以从材料和结构两方面入手改进金刚石车削刀具的磨损问题。

首先，从材料方面，可以选择更高质量的金刚石颗粒和更合适的金刚石结合剂，以提高金刚石车削刀具的硬度和抗磨损性能。

此外，还可以利用纳米材料技术，将纳米材料与金刚石结合，形成复合材料，提高金刚石车削刀具的稳定性和耐用性。

其次，从结构方面，可以设计更合理的刀具形状和刀具表面涂层，以减少刀具与工件之间的摩擦和热量积聚，降低磨损。

还可以采用刀具冷却技术，使金刚石车削刀具在加工过程中保持低温状态，减少热磨损的发生。

除了材料和结构方面的改进，还可以通过改善刀具使用条件和加工工艺来减少金刚石车削刀具的磨损。

例如，可以优化切削参数，选择适当的切削速度、进给量和切削深度，减少刀具与工件的摩擦和磨损。

此外，还可以采用有效的冷却和润滑技术，提高切削液的质量和使用效果，降低热磨损和界面磨损。

同时，定期进行刀具的维护保养，及时更换磨损严重的刀具，也是保护金刚石车削刀具的重要措施。

综上所述，金刚石车削刀具的磨损是制约其使用寿命和加工质量的关键因素。

通过对金刚石车削刀具磨损形式和原因的分析，并进行材料和结构的改进，以及改善使用条件和加工工艺，可以有效延长金刚石车削刀具的寿命，提高加工质量。

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。

切削参数对单点金刚石车削铝合金 6061
第一章绪论
1. 1 金属切削理论研究 随着科学技术发展，对切削加工要求越来越高，一是要满足越来越 高的加工精度、加工效率和表面质量;其次是绿色生产和经济效益。 为了达到这些要求，许多学者已做了大量的研究工作，研究出各种 先进切削加工技术，如高速切削、硬切削、干切削等。目前，微切 削加工技术能加工复杂三维结构、微特征阵列，在制造微小型产 品、复杂自由曲面零件和大型产品上的微结构方面有着广泛的应 用，成为目前备受关注的先进制造技术之一自 1850 年，许多学者开 始研究金属切削基本理论，其发展历程可以概括为三个阶段[3]。第 一，金属切削理论起步阶段(1850-1900 年)，这一阶段金属切削过程 的塑性变形和切屑成型机理是学者们关注的重点。比较有代表性的 成 果 有 Tresca 基 于 弹 塑 性 变 形 理 论 提 出 最 大 剪 切 应 力 屈 服 准 则;Zvorkin 和 Mollock 建立的直角切削模型并推导出切削剪切角关系 式。第二，金属切削理论高速发展阶段(1900-1930 年)，这一阶段， 切削加工表面质量与加工效率、切削速度和刀具耐用度关系等实际 生产问题成为科学家们关注的重点。1920 年，Rosenhain 及 Stumey 首先提出切削可加工性概念，表明切削过程受加工材料密度、比热 容、刚度等物理特性影响;Taylor 基于大量实验的基础上，提出具有 里程碑意义的关于刀具耐用度切削理论公式。这一时期，硬质合金 刀和高速钢也相继出现，金属切削加工应用进一步得到扩张，也大 大提高生产效率。 第三，金属切 削理论应用和 推广阶段(1930-至 今)，这一阶段切削机理研究到达前所未有的高度，Zorev 基于直角 切削模型，提出前刀角上的正应力与剪切应力分布的公式;Merchant 推算出金属剪切角与刀具角度的关系式。这些理论已应用在实际生 产中并起了巨大的指导作用。Trent 的《MetalCutting》和 Shaecki 最 早应用有限元仿真分析切屑形成的机理，并分析切削加工中材料性 能参数、温度场传递和大应变速率问题。strebji 和 CarroU[假设工件 为弹塑性，不考虑温度的影响，采用等效塑性应变为切屑分离准 则，模拟从切削幵始到切屑成形的过程。Moon 和 Strenkooronuki[i4] 探讨了招合金超精密切削过程中，工件表面的粗糙度和加工质量的 关系及影响。Tyan 和 Yang 基于有限元分析原理，分析了金属的切 削及切屑成型过程，并分析了切削力对切削过程的影响。 .

熊建武周进陈湘舜（湖南铁道职业技术学院机电工程系，湖南株洲 412001）摘要：金刚石是切削有色金属的优选刀具材料。

本文阐述了金刚石刀具材料的特性，切削加工铝合金时PCD刀具材料粒度和复合片厚度、几何角度、切削用量的选择。

关键词：金刚石；刀具材料；粒度；切削用量；选择The Choice of the Material and the Cutting Parameter when Aluminum Alloy Cutted by Diamond Cutting-toolsXIONG Jian-wu,ZHOU Jin,CHEN Xiang-shun (Department of Machine and Electricity Enginerring,Hunan Railway Professional-Technology College,Zhuzhou 412001 China) Abstract：Diamond is the best material of cutting-tools to cut nonferrous metals.This paper discussed the specific property of diamond cutting-tools,the choice of the size and thickness of PCDcutting-tools,the choice of degree of cutting-tools and cutting parameter,when the aluminum alloy cutted by diamond cutting-tools.Key words：diamond;material of cutting-tools;size;cutting parameter;choice1 金刚石刀具材料的特性适合于切削加工铝合金金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到8000C时，其硬度就会大大降低。

1 概述超精密加工，在精度等级上代表了发展的最高阶段。

通常，按加工精度等级，可将机械加工分为普通加工、精密加工、超精密加工三个不同阶段。

随着生产技术的不断发展，划分的界限也逐渐向前推移。

就加工精度等级而言，当前普遍认为：精密加工的精度为1-0.1mμ、表面粗糙度为Ra 0.1-0.025mμ；超精密加工的精度高于0.1mμ、表面粗糙度Ra小于0.025mμ。

精密和超精密加工主要包括下列三种不同的工艺技术：(1)超精密切削加工；(2)精密和超精密磨削和研磨；(3)精密特种加工，如电子束、离子束加工技术等。

单点金刚石车削（SPDT）加工技术（图1）是超精密加工中常用的技术。

由于金刚石的硬度高、耐磨性强、导热性优越，金刚石刀具的刃口可以非常锋利（刃口半径可以小于0.05mμ甚至更小），而且金刚石与有色金属的亲和力小。

对于铜、铝等有色金属以及塑料可以采用单点金刚石车削的方法，进行数控加工，直接得到超精密的光学表面。

图1 金刚石刀具与单点金刚石车削设备有限单元法作为一种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。

计算机仿真实验的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质量的工具。

本文主要介绍使用MSC.Marc进行单点金刚石车削原理的仿真方法。

2 超精密单点金刚石车削原理理想状态下，采用圆弧刃单点金刚石刀具进行超精密撤销加工时，在工件加工表面形成轮廓峰和轮廓谷，它们之间的距离，就是所谓的理论残留高度或者理论粗糙度（如图2a）。

图2 单点金刚石切削原理示意图在实际超精密切削塑性金属时，主切削刃和前刀面的主要任务是去除金属，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2b）。

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间的摩擦特性，并直接对切削力、切削温度、切屑的折断方式和加工表面质量形成显著影响。

ρ
金刚石刃口粗糙度：目前经研磨成形的刀面粗糙度在刀具有效
切削长度上较容易达到1nm，切削刃粗糙度可达到Ry10nm。
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第2章 超精密切削与金刚石刀具
通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的测 量，推断目前刃口半径最小可达到<10nm。
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第2章 超精密切削与金刚石刀具
4) 通用金刚石刀具切削部分几何形状
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第2章 超精密切削与金刚石刀具
2.6 金刚石刀具切削机理
2.6.1刀具切削模型
在超精密切削过程 中，要把刀尖看成具有 圆弧半径R的圆角。
刀尖附近的二维切削模型
切削时给定的切削深度为t时，由于刀尖局部变形δ1而使实际切削 深度为t1。当刀具走过之后，工件表而将有δ2的弹性变形恢复量。故 27 实际去除层将小于实际切削深度。 δ1和 δ2可通过近似计算求出。
金刚石刀具刃磨的基本过程： (a) 对金刚石晶体定向，确定制成刀具的前后刀面的空间位 置，需磨去的部分；
(b) 仔细观察切削部分的金刚石内部是否有裂纹、杂质或其 它缺陷；
(c) 采用高速旋转的铸铁盘加金刚石微粉进行粗研磨，基本 成形；
(d) 进行精研磨，以磨出锋锐、完好、无缺陷的刀刃；
(e) 严格检验刀具质量，使之切出超光滑表面。
p研磨时金刚石所承受的力n22施加在金刚石上的载荷磨削速度与磨削量的关系磨削量与载荷的关系金刚石微粉粒度w10w1232525影响金刚石超精密加工质量和效率的因素影响金刚石超精密加工质量和效率的因素251影响超精密加工质量和效率的因素24加工部位形状精度粗糙度反射率加工变形残余应力加工变质层刀具特性刀尖形状刃磨方法损伤磨损加工条件工艺参数切削温度切屑处理冷却液种类供给方式温度加工后处理清洗被覆预加工加工方式加工精度热处理金刚石刀具超精密切削加工材料组织成分制造方法强度可加工性夹具安装夹持方式变形精度分度方式精度加工机床主轴精度导轨形式定位精度微进给机床刚度防尘温度控制切削过程切削力切削温度切屑生成252机床性能对加工质量和效率的影响1机床的刚度主轴导轨等2机床的动态特性3机床的热变形4机床的抗振和隔振措施空气隔振垫隔振系统原理图26253加工环境对加工质量和效率的影响稳定的加工环境条件主要是指温度湿度净化和防振四个方面的条件

单点金刚石机床及其在光学工程领域的应用巩岩;赵磊【摘要】介绍了单点金刚石车床概念,总结回顾了单点金刚石车床在国防和商业领域内的发展状况,给出了目前商用单点金刚石车床的典型产品。

对单点金刚石车床的关键零部件和核心技术,如空气静压主轴、液压导轨、直流电机、对刀装置、误差补偿和自适应控制等进行了分析。

最后,介绍了适宜单点金刚石车削加工的材料,分析了快刀伺服和慢刀伺服在光学元件中的应用以及所加工的光学元件在国防和商用光电产品中的应用,并以主次镜望远镜系统和精密光学系统无调整装配为例,说明了单点金刚石车削在光电产品中的重要作用。

%This paper overviews the development of the single diamond machines used in weapons and commercial fields,and introduces nowadays widely-used commercial ultra-precision diamond turning machines.Then,it analyzes the key techniques to achieve nanometer-level precision machining,such as air bearing work spindles,oil hydrostatic bearing X/Z slides,work piece measurement error compensation,optical tool setters,Linear Variable Differential Transformer （LVDT） tool setters and adaptive control systems.Finally,it summarizes the materials suitable for diamond turning,and introduces the fast tool servo and slow slide servo used in the manufacturing of opto-mechanical components.By taking drop-in assembly of a Cassegrain telescope and an fine optical system for examples,this paper shows the important effort of the ultra-precision diamond turning in photoelectric products.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2011(004)006【总页数】9页(P537-545)【关键词】超精密机床;单点金刚石车削;光学元件【作者】巩岩;赵磊【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TG518.3;TH7031 引言超精密单点金刚石机床是加工高精密光学元件的基础装备，其定义如下:(1)采用单点金刚石刀具;(2)机床的导轨运动精度小于1 μm，主轴回转误差小于50 nm，控制和检测反馈的分辨率小于10 nm;(3)零件加工的尺寸精度控制在亚微米量级，面型精度优于100 nm，表面粗糙度优于5 nm;(4)机床具有良好的热稳定性、高刚度，并且具备自适应控制功能［1］。