超精密加工技术的发展现状是怎么样的 自从中国将“装备制造业”列为国家发展战略后，中国的装备制造业取得了突飞猛进的发展，很多大型装备的制造能力都已经跃居世界先进水平，甚至成为世界的顶级水平，但中国制造业总体还是落后的，其落后就在于精密制造的落后。 超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术，是现代高科技产业和科学技术的发展基础，是现代制造科学的发展方向。 现代科学技术的发展以试验为基础，所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一，当前超精密加工已进入纳米尺度，纳米制造是超精密加工前沿的课题。世界发达国家均予以高度重视。 超精密加工的发展阶段 目前的超精密加工，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤，包括微裂纹等缺陷、残余应力、组织变化)为目标。 超精密加工的研究内容，即影响超精密加工精度的各种因素包括：超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来，国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。超精密加工的发展经历了如下三个阶段。1）20世纪50年代至80年代，美国率先发展了以单点金刚石切削为代表的超精密加工技术，用于航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工。2）20世纪80年代至90年代，进入民间工业的应用初期。美国的摩尔公司、普瑞泰克公司，日本的东芝和日立，以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持下，将超精密加工设备的商品化，开始用于民用精密光学镜头的制造。单超精密加工设备依然稀少而昂贵，主要以专用机的形式订制。在这一时期还出现了可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床，但其加工效率无法和金刚石车床相比。
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。
2002年第4期 超硬材料与宝石(特辑)第14卷2002年12月SU PERHA RD M A T ER I AL&GE M总第47期 工业金刚石技术发展水平与发展趋势Ξ 谈耀麟 (桂林矿产地质研究院,广西 桂林 541004) 摘 要:在工业金刚石中,人造金刚石的兴起不但提高了各国工业金刚石的耗用量,同时拓展了工业金刚 石的应用领域,促使工业发达国家竞相研究人造金刚石的特异性能与特殊用途。 关键词:工业金刚石;人造金刚石;应用领域;CVD金刚石;发展趋势 中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1004-7468(2002)04-0035-04 STATE-OF-THE-ARTS AND D EVELOP M ENT TREND OF IND USTR I AL D I AMOND TAN Yao2lin (Gu ilin R eseach Institu te of Geology f or M inera l R esou rces,Gu iln Guang x i541004,Ch ina) Abstract:In diam ond indu stry the em ergence and developm en t of syn thetic diam onds has p rom o ted the con sam p ti on of indu strial diam ond in vari ou s coun tries,m o reover,exp anded the app licati on scop e of indu strial diam ond.It i m p els indu stry develop ed con tries com p etitively to study the ex trao rdinary p rop erties and sp ecial app licati on s of syn thetic diam onds,w h ich changes the developm en t trend of indu strial diam ond.CVD diam ond w ill p lay a leading ro le in the indu strial diam ond. Keywords:indu strial diam ond;syn thetic diam ond;app licati on scop e;CVD diam ond; developm en t trend 天然金刚石作为工具使用,历史悠久。但它在工业上的大量应用始于第二次世界大战,主要是用于兵器制造。1940年全球工业金刚石耗用量大约是500万克拉,翌年猛增至1200万克拉,1944年达到1900万克拉,一直到50年代,全球工业金刚石的年耗用量保持在2000～2500万克拉。在此期间,全球天然金刚石的年产量为3200万克拉左右,其中可用作宝石的约占20%,可供工业用的金刚石越来越满足不了需求,基于金刚石在发展工业上的重要作用,美国和瑞典率先研究人造金刚石,并于50年代中期取得成功。1 人造金刚石的兴起 人造金刚石投入工业生产而作为商品是在50年代末。美国G.E.公司首先于1957年投入工业生产。D e B eers公司于1961年大规模生产。苏联是1962年开始正式生产。此后相继生产人造金刚石的国家有瑞典、日本、捷克、西德、中国等。到了90年代,至少有12个国家约24家以上的主要厂家在生产人造金刚石。 在60年代中后期,世界人造金刚石的产量增长十分迅速。1969年全球人造金刚石产量为1800万克拉, 1969年达到4000万克拉,产量翻一番还多。1979年的 Ξ收稿日期:2002-11-01 作者简介:谈耀麟(1936— ),男,高级工程师,长期从事超硬材料方面的科研和情报工作。
工业金刚石产业是永远不落的太阳 竞争是企业成败的关键。竞争战略的选择由两个中心问题构成：第一个中心问题是由产业长期盈利能力及其影响因素所决定的产业吸引力；第二个中心问题是决定产业内相对竞争地位的因素。这两个问题仅强调任何一个都不足以指导对竞争战略的选择，即使在一个非常有吸引力的产业中，如果企业选择了处于劣势的竞争地位，也许仍不能获取令人满意的利润，反之，在萧条产业中，企业处于优势的竞争地位也只能获利甚微，即使付出更多的努力来增强这种地位也仍无济于事。当然这两个问题是动态的，随着时间的推移，产业吸引力或增或减。而竞争地位则反映竞争者之间永无休止的争斗。而我们工业金刚石产业自60年代中诞生以来，一直都在高速成长，因为工业金刚石是不可替代的消耗性磨料，金刚石工具也是应用范围越来越广的消耗性产品，至少在相当长的时期内，地球上没有大批量的具有比金刚石更硬的物质。因此说，无法有替代品来取代金刚石作为最硬的磨料的地位。在中国，金刚石产业的发展经过了60年代末机械加工产业需求的带动起步；70年代末至80年代末的地质钻探产业需求高品级金刚石的带动成长；90年代初的石材加工产业；90年代中后期的建筑装修工程；国际市场对金刚石及金刚石工具的需求强劲，带动工业金刚石产业发展突飞猛进。许多新加入者促使行业重新大洗牌，大浪淘沙，写下了许多企业的沉浮史。进入二十一世纪，这一产业随着国民经济的发展方兴未艾。还远没有到达成熟期。例如特殊钢也是跟金刚石产业息息相关，由于建筑工程、公路建设、汽车、电子、机械精密加工产业需求的进一步扩大，全球市场敞开，制造业集聚化的趋势，具有竞争优势的企业，新一轮的“雄起”即将到来。金刚石原料生产企业的分类。 我们把金刚石原料生产企业按产品来分，为什么我们不按企业大小来分类呢？我想提醒同行们注意，即使今天产业中已经涌现出上百台压机以上的数家大企业，但金刚石的生产过程始终是由单机完成的，一台压机或一百台压机的设备配置生产工艺都是一样的，一百台压机在生产过程中只不过是一台压机的叠加，压机多的厂家在辅助设备，管理资源配置，销售分摊等方面可能具有优势，但以中国目前的社会经济轶序、经济文化并不完全规范的背景下上述优势并不尽然，看看仍然有许多金刚石生产小企业的单机盈利比大企业好得多就可以佐证上述观点，所以说并不是压机台数越多越好，压机台数多少合适？是与各企业所拥有资源有关，达到合理配置才是最好！ 第一类企业：用片状触媒主要生产40/50~80/100粒度的企业，此类企业一般采用传统工艺，遵循的是我国金刚石行业发展的传统路线，工艺方法、设备配置都深深烙着60年代金刚石产业起步时的烙印。到目前为止，仍然是产业的主流。生产的金刚石产品，主要应用于制造石材加工工具、瓷砖加工工具、建筑工程中低端金刚石工具。与昔日相比有了很大的进步，不可同日而语。此类企业对中国金刚石及金刚石工具的发展做出了重大贡献。但放在全球的环境中看，此类企业的产品仍然是中、低端产品，与国外产品对比品级相差较大，无法进入国际上主流市场。 所幸的是此类企业目前大都意识到这一问题，有些已经成功进行了工艺改造。 第二类企业：用粉体压块生产金刚石的企业。 (1)以进口两面顶压机设备、进口工艺生产20/25~50/60金刚石的企业。 此类企业生产的金刚石己与国外产品同品级，设备投资巨大，但原材料转化为产品的附加价值相当惊人，盈利的可能是存在的。此类企业的存在标志了中国金刚石产业的技术水平终于与世界先进水平同步，是中国金刚石产业发展的一个里程碑。 (2)以国产设备六面顶压机采用粉体压块生产40/50~80/100金刚石的企业。 此类企业大多为开拓型企业，由于此类企业突破传统而采用较先进的粉体压块工艺。使金刚石的品级提升产生了飞跃，生产金刚石的成本也大大降低，是目前最有前景实力的企业，是未来的主流。
Machining A s s e m b l y Inspection Expertise, experience and machinery for sub-micron accuracies
Flat lapping A full range of lapping equipment is available for ferrous and non-ferrous materials. Assessment of flatness by monochromatic light source as well as other techniques is available.Required services for cleaning are also in place. Capacity: 300mm diameter Precision assembly Precision assembly is a key Taylor Hobson strength. Our experience in electro-optical-mechanical assembly is instrumental to our success in the metrology industry. The nature of our business dictates that our assembly staff be flexible, highly skilled and able to cope with complex tasks involving multi-stage testing and sign-off. Graticule laboratory The Taylor Hobson graticule laboratory has the capability to manufacture glass and metal gratings and a range of other components based on deposition and etching technology. We use these components in our own measuring instruments and also undertake sub-contract manufacture for a number of prestigious companies. Diamond turning machines epitomise the melding of technology and craftsmanship at Taylor Hobson. Our expertise at precision assembly provides the Ultraform 250with performance more likely found in measuring instruments than machine tools.? Feedback resolution: 8.60nm ? Form accuracy:<0.20μm ? Radial motion error: <0.05μm ? Axial motion error: < 0.05μm
第一章金刚石钻头基本知识 第一节概述 1.1金刚石钻头的发展历史 金刚石钻头是不同于牙轮钻头的另一类钻井破岩工具，其使用可以追溯到19世纪60年代。最初人们以天然金刚石为切削元件制作打炮眼和挖掘隧道的工具，后来出现了用于石油钻井的钢体鱼尾式天然金刚石全面钻进钻头和取心钻头。早期的金刚石钻头是将天然金刚石冷镶在低碳钢上的。由于天然金刚石来源有限，价格昂贵，加之本身尺寸、性能方面的原因以及当时落后的制造工艺，大大限制了金刚石钻头在石油钻井工业中的应用。 随着粉末冶金技术的发展，出现了采用烧结碳化钨作为钻头体的胎体式金刚石钻头。这种技术的出现使金刚石钻头的制造水平大大提高。胎体式金刚石钻头具有耐冲蚀、耐磨损的特点，具有良好的使用性能，其制造工艺也不复杂，因此一经出现就迅速推广开来。 人造聚晶金刚石的研制成功，对金刚石钻头技术的发展起了巨大的推动作用。人造聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）的出现一度被称为20世纪80年代钻井工业技术的一大突破，这种新技术对石油钻井业的发展产生了巨大的影响。现场使用证明，软到中等硬度地层钻井用PDC钻头具有机械钻速高、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点，并能与井下动力钻具配合用于高速钻井。合理使用金刚石钻头可以大大缩短建井周期，降低钻井成本，提高钻井经济效益。 1.2金刚石钻头的发展前景 经过近二十多年的发展，金刚石钻头已经成为继牙轮钻头之后的又一重要破岩工具。时至今日，PDC钻头在石油钻头市场所占的份额越来越大，几乎每年以30%的速度侵吞牙轮钻头市场。随着新的设计理论、设计方法和材料等技术的发展，PDC钻头的适用范围也在不断扩展，以前被认为不适用于PDC钻头的地层现在也广泛使用，比如我国中原油田的文留区块的沙二至沙三地层由于地质情况复杂、夹层多，可钻性差，以前一直被认为是PDC钻头的禁区，在这里钻的井除了取心之外用的都是牙轮钻头。可是从2000年开始，PDC钻头在这个区块的使用量逐渐增多，效果也很好，而2001年底我公司的一只8 1/2 BK542-4型PDC钻
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。根据被加工轮胎面的外形尺寸，在母体的对称位置去除表面作为轮胎面的定位面，去除深度与被加工轮胎面匹配。轮胎面母体的旋转轴与夹具底座的旋转轴严格重合。夹具上设计了高精度定位槽（与轮胎面的台阶相匹配），确保轮胎面光学元件Ry与台阶之间角度满足轮胎面的设计要求。采用光胶法使被加工轮胎面元件与夹具紧密贴合并粘结轮胎面底面。夹具底座吸附面为高精度研磨面，面形精度PV值小于1um。夹具底座外圆经过精车，垂直度要求0.01mm以内，确保重复定位精度。 根据被加工轮胎面的参数，可以选择2个、4个或6个定位面，即同时加工2个、4个或6个相同的轮胎面。 3.3 车削刀具
人造金刚石的生产、市场、趋势及新生产工艺 扈楠021131021 由于有些矿物在自然界产出较少，不能满足工业生产的需要，从19世纪四十年代开始了人造矿物的研究。许多人造矿物的性能已接近或超过相应的天然矿物，有些人造矿物可以代替某些天然矿物，成本比开采天然矿物的成本还低，并且可以控制矿物的质量和大小。所以人造矿物的研究和生产发展很快。金刚石以其最大的硬度、半导体性质以及光彩夺目的光泽，分别应用于钻头切割、电子工业和宝石工业上。故人造金刚石的意义显得尤为重大。 人造金刚石是用超高压高温或其他人工方法，使非金刚石结构的碳发生相变转化而成的金刚石。与天然金刚石相比，它具有生产成本低，应用效果好的优点。由于非金属材料和其他硬脆材料，如大理石、花岗石、耐火材料、玻璃、陶瓷、混凝土等加工工业的发展，对锯片、钻头用金刚石质量的要求越来越高，需求量越来越大，目前世界上工业用金刚石的８５％以上已由人造金刚石代替。 １生产状况 目前世界上生产人造金刚石的国家主要有：美国、南非、爱尔兰、瑞典、英国、德国、俄罗斯、乌克兰、亚美尼亚、日本、中国、罗马尼亚、波兰、捷克、朝鲜、希腊、印度等近２０个国家。世界人造金刚石的产量为７～１０亿克拉，其中年产量在１亿克拉以上的国家有美国、英国、俄罗斯等。我国人造金刚石年产量２亿克拉以上，居世界第一位。世界人造金刚石产量年增长率为８％～１５％。 美国的ＧＥ公司、英国的ＤｅＢｅｅｒｓ公司和德国的Ｗｉｎｔｅｒ公司是目前世界上生产人造金刚石的三大集团，垄断着世界人造金刚石的生产技术和消费市场，代表着世界人造金刚石的发展方向。ＧＥ公司１９５５年首先宣布人工合成金刚石的工业方法，且曾一度在单晶工艺方面处于领先地位，目前与其他两家公司相比，该公司的聚晶技术更为先进，年产量达１．６５亿克拉，所采用的压机吨位一般在３８～１００ＭＮ之间。ＤｅＢｅｅｒｓ公司１９８７年合成出世界上最大的宝石级单晶体（１１．１４克拉）和工业级单晶体（重１４．２０克拉），１９９２年又创造了合成重量３９．４０克拉的工业级单晶金刚石的世界纪录。它首先推出ＳＤＡ系列的锯片级人造金刚石，ＳＤＡ系列现已成为国际通行的锯片级人造金刚石等级标准。ＤＥＢｅｅｒｓ公司设在南非、爱尔兰和瑞典的工厂全部采用１００ＭＮ级压机生产，高压模具腔体内径为Φ１１０ｍｍ，如采用ＳＤＡ工艺，合成单次产量为３００克拉，其中ＳＤＡ级产品可达６０％，如采用ＭＤＡ工艺生产，单次产量可达５００克拉。Ｗｉｎｔｅｒ公司早年主要从事金刚石工具的制造，为了把人造金刚石和金刚石工具连成一个完整的系列产品，１９７４年在德国政府及北大西洋公约组织的资助下开始研制人造金刚石生产技术，并且后来居上，其独特的工艺及设备使其生产的金刚石在品质方面优于其他两大公司，如成品杂质含量为２‰～３‰，单次产量可达８００克拉，具世界领先水平。 我国自１９６３年研制成功第一颗人造金刚石，１９６６年投入工业化生产，年产量仅１万克拉。经过３０多年的发展，目前全国已有人造金刚石生产企业６００多家，年产量达２亿克拉以上，从产量看，我国已成为世界人造金刚石生产大国。我国的人造金刚石设备基本都是自己设计制造的，目前主要为六面顶压机。６×６ＭＮ的压机２０世
第21卷第4期 超 硬 材 料 工 程 V o l .212009年8月 SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G A ug .2009 CVD 金刚石应用前景探讨 ① 谈耀麟 (桂林矿产地质研究,广西桂林 541004) 摘 要:阐述CVD 金刚石发展及其在工业金刚石中的重要地位。聚晶质和单晶质CVD 金刚石在切削工具、散热元件、耐磨零件、高强度复合线材以及检测器等方面已取得成功的应用,但有些问题仍待解决。对单晶质CVD 金刚石的突出性能及其在高科技应用的可能性与发展远景作了评述。关键词:CVD 金刚石;应用领域;高科技;发展远景 中图分类号:TQ 164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)04-0049-05 D iscussion on the prospect for the appl ica tion s of CVD d i am ond TAN Yao 2lin (Gu ilin R esearch Institu te of Geology f or M ineral R esou rces ,Gu ilin 541004,Ch ina ) Abstract :T he developm en t of CVD diam ond and its i m po rtan t statu s in the indu strial dia 2m onds w ere described .Bo th po lycrystalline and single crystal CVD diam ond have its suc 2cessfu l app licati on s in cu tting too ls ,heat sp readers ,w ear 2resistan t parts ,detecto rs ,and h igh 2strength com p lex w ires etc ,bu t som e p rob lem s rem ain to be so lved .T he ou tstanding p rop erties of single crystal CVD diam ond and its po ten tial app licati on s in h igh 2tech as w ell as its developm en t p ro spects w ere discu ssed . Keywords :CVD diam ond ;app licati on area ;h igh 2tech ;developm en t p ro sp ect 经济的发展动力在于工业,工业要提高生产率与 加工精度则和金刚石的应用密切相关。天然金刚石资源稀缺,显然满足不了需求,人造金刚石遂应运而生。在诸多工业加工领域中,金刚石已被公认为首选之超硬材料。选用天然金刚石抑或人造金刚石则取决于各自的突出优异性能与可论证的性价比。因此,在有些应用领域中,至今人造金刚石尚无法取代天然金刚石,而在另一些应用领域中人造金刚石则完全取代了天然金刚石。关键问题在于金刚石的粒度(块度)大小。迄今,以高温高压方法合成的人造金刚石的粒度尚不能满足工业特别是军事工程与高端科学技术发展之需。从技术上说,高温高压合成法有可能生产出 4～6mm 或以上的大块度人造金刚石,但从经济方面 说是不可取的。原因是工艺过程难控、周期长、再现率差、成本高。金刚石的最大特点就是其硬度,是公认的已知的最硬物质。就工业应用而言,金刚石的这一优点也恰恰是它的缺点,因为极难加工成所需之形状。众所周知,工业与科技应用的金刚石需要各种各样的形状。鉴于以上原因,作为世界上最大工业金刚石的研发机构与供应商,元素6公司于上世纪90年代初即改变研究重点,由大力研究高温高压合成大颗粒人造金刚石转向研发CVD 金刚石。因为CVD 金刚石的最大优点是可以沉积生长成大块度,可以具有所需的形状与特定的性能。为此,该公司一方面在英国设立了 ①收稿日期:2009-03-10 作者简介:谈耀麟(1936-),男,高级工程师,长期从事超硬材料方面的科研和情报工作。
3航天支撑技术基金资助项目(项目编号:0223HIT 07) 黑龙江省自然科学基金资助项目(项目编号:E01220)收稿日期:2002年9月 超精密车削切削力的试验研究3 王洪祥1 孙 涛1 张龙江1 张 昊2 1哈尔滨工业大学 2黑龙江省科技评估中心 摘 要:通过超精密车削试验,分析了微薄切削时进给量和背吃刀量对切削力的影响规律,指出吃刀抗力F t 的特殊变化将直接影响加工表面粗糙度,为保证超精密加工表面质量,应在合理范围内选取刀具进给量。 关键词:超精密车削, 切削力, 进给量, 背吃刀量 Experimental R esearch on Cutting Force in U ltra 2precise Turning Wang H ongxiang Sun T ao Zhang Longjiang et al Abstract :Based on the ultra 2precise turning experiments ,the in fluences of feeds and back cutting depth on the cutting force in micro 2thin cutting are analyzed.I t is pointed out that the machined sur face roughness will be affected by the special change of cutting resisting force Ft ,the feeds of cutter should be selected in a rational range to ensure the ultra 2precise sur face quality. K eyw ords :ultra 2precise turning , cutting force , feed , back cutting depth 1 引言 经过近二十年的不断发展,超精密机床的加工 性能已达到相当高的水平。由于超精密切削加工选用的背吃刀量极小(几微米甚至小于1微米),因此切削力对加工精度的影响不容忽视。在超精密切削中,由于金刚石刀具的切削刃具有钝圆半径,因此前刀面被分为平面和圆柱面两部分(圆柱面部分均为负前角)。当选用不同的背吃刀量时,刀具前刀面的两个部分在切削过程中所起作用和所占比重也各不相同。以前刀面圆弧部分为主要工作部分时,其单位切削面积所受切削力比以平面部分为主要工作部分时大得多,切削层越薄,单位面积所受切削力越大。切削力对被加工工件的尺寸和形状精度、加工表面粗糙度、加工变质层和刀具耐用度等均具有直接或间接影响。在以往的研究中,对于切削用量、刀具几何参数、工件材质等因素对表面粗糙度的影响较为重视,而往往忽视了切削力对表面粗糙度的二次影响。因此,减小切削力对表面粗糙度的影响已成为超精密切削领域一个亟待解决的重要课题。本文通过超精密车削试验,研究了各切削参数对切削力的影响规律。 2 超精密车削试验条件 (1)超精密机床 切削试验所用机床为哈尔滨工业大学自行研制 的HC M 2Ⅰ型亚微米级超精密车床。机床工作台由直 流伺服电机驱动,进给分辨率0101μm ;采用空气静压主轴(回转精度±011μm );导轨部件采用可抗温度干 扰的花岗岩材料,空气导轨直线度误差0113μm/100mm ;采用空气弹簧作为减振、隔振系统;机床固有 频率:水平方向≤1112H z ,垂直方向≤2H z [1]。 (2)工件材料 切削试件材料为铝合金LY 12,其化学成分及物理性能指标分别见表1和表2[2]。 表1 LY12的化学组分(%) 组成元素 Cu Mn M g Al G B3190标准值 3180～41900130～01901120～1180 -测试值 415 0151 1142 - 表2 LY12的物理性能 弹性模量E (×103MPa ) 7412切变模量G (×103MPa )2713剪切强度τ(MPa )252H BS 硬度(G Pa )1140强化系数n 0132 (3)金刚石刀具 天然单晶金刚石具有极高的硬度、耐磨性和弹性模量,制成的刀具工作寿命长,尺寸耐用度高,切削刃极为锋利,可实现超薄切削,切削刃形可复映在已加工表面上,加工出超光滑表面;金刚石刀具与工件材料间抗粘结性好、摩擦系数低、加工表面完整性好[3]。本切削试验所用刀具为英国C ontour Fine T ooling 公司生产的圆弧刃金刚石车刀,刀具前角γ0=0°,后角α0=7° ,刀尖圆弧半径r ε=115mm ,切削刃0 1工具技术
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
国内金刚石微分主要生产企业 1.中南钻石股份有限公司 公司简介 中南钻石股份有限公司是全球最大的工业金刚石制造商，高品质工业金刚石、立方氮化硼市场份额世界第一。公司位于中国历史文化名城—南阳。公司以“技术领先，创新未来”为指导，致力于超硬材料系列产品的系统性创新，是中国超硬材料产业技术进步的主要推动力量。公司设有部级技术研发中心，拥有与国际接轨的全套检测设备，质量体系已通过ISO9001国际认证,环境体系已经通过ISO14001认证，产品质量达到国际先进水平。公司以“为顾客创造价值，帮助顾客成功”为理念，与一大批新老客户结成了共谋发展的产业利益联盟，可以长期稳定地为顾客提供具有更高性价比的产品与服务。15年的改革与创新，使我们挤身于全球工业金刚石制造的先进行列，获得了“中国名牌”和“顾客首选第一品牌”的荣誉称号。 公司三废已达到国家相关标准要求，已建和在建项目均按照国家环境保护三同时的要求进行，2006年7月，公司通过了清洁生产的审核。 发展历程 中南钻石股份有限公司是全球最大的工业钻石（人造金刚石）、立方氮化硼制造商之一，是中国兵器工业集团河南中南工业有限责任公司（原河南中南机械厂）的控股子公司。 河南中南机械厂成立于1981年，最初主要承担军品生产国有企业，是国家“六五”期间重点军工企业，曾为我国国防建设做出过重要贡献。 1998年开始，企业把人造金刚石作为主业，自力更生，艰苦奋斗，大胆创新，务实拼搏，探索出了一条自我发展、自我完善，自我不断超越的发展之路，但当时只批量生产，而且质量不稳定、成本较高。 2001年，中南公司金刚石生产关键技术取得重大突破，试验成功粉末触媒合成芯柱制造技术，中国乃至世界金刚石市场格局被打破。中国不仅不再需要进口国外金刚石，反而成为全球最大的金刚石及其制品出口国。中南公司的迅速雄起标志着中国金刚石时代的来临。 中南公司金刚石产品的发展也划分为三个阶段。第一阶段是在郑州成立技术
金刚石刀具的磨损机理 引言：由于金刚石材料的高硬度和各向同性使其磨损非常缓慢。是一种理想的刀具材料。为了充分发挥PCD刀具的切削性能，世界各国先后投入大量人力物力对PCD刀具进行研究。 1、金刚石刀具的磨损形态 金刚石刀具的磨损形态常见于前刀面磨损、后刀面磨损和刃口崩裂。 1、金刚石刀具的磨损机理 金刚石刀具的磨损机理比较复杂，可分为宏观磨损与微观磨损。前者以机械磨损为主，后者以热化学磨损为主。宏观磨损的基本规律如图，早期磨损迅速，正常磨损十分缓慢。通过高倍显微镜观察，刃口质量越差及锯齿度越大，早期磨损就越明显。这是因为金刚石刀刃圆弧采用机械方法研磨时，实际得到的是不规则折线如图，在切削力作用下，单位折线上压力迅速增大，导致刀刃磨损加快。另一个原因是，当金刚石刀具的刃磨压力过大或刃磨速度过高，及温度超过某一临界值时，金刚石刀具表面就会发生氧化与石墨化，使金刚石刀具表面的硬度降低，形成硬度软化层。在切削力作用下，软化层迅速磨损。由此可见，金刚石刀具刃磨质量的高低会严重影响它的使用寿命与尺寸精度的一致性。 当宏观磨损处于正常磨损阶段，金刚石刀具的磨损十分缓慢，实践证明，在金刚石的结晶方向上的磨损更是缓慢。随着切削时间的延长，刀具仍有几十至几百纳米的磨损，这就是微观磨损。通过高倍显微镜长期观察以及用光谱与衍射分析后，金刚石刀具的微观磨损原因可能有以下3个： 1随着切削时间的不断延长，切削区域能量不断积聚，温度不断升高，当达到热化学反应温度时，就会在刀具表面形成新的变质层。变质层大多是强度甚差的氧化物与碳化物，不断形成，不断随切屑消失，逐渐形成磨损表面。
2金刚石晶体在切削力特别是承受交变脉冲载荷持续作用下，一个又一个C原子获得足够的能量后从晶格中逸出，造成晶体缺陷，原子间引力减弱，在外力作用下晶格之间发生剪切与剥落，逐渐形成晶格层面的磨损，达到一定数量的晶格层面磨损后就会逐渐形成刀具的磨损表面。 3金刚石刀具在高速切削有色金属及其合金时，在长时间的高温高压作用下，当金刚石晶体与工件的金属晶格达到分子甚至原子之间距离时，引起原子之间相互渗透。改变了金刚石晶体的表面成分，使得金刚石刀具表面的硬度与耐磨性降低，这种现象称为金刚石的溶解。金刚石刀具的磨损程度与磨损速度则取决于金刚石原子在有色金属或在其它非金属材料原子中的溶解率。实践证明，金刚 石刀具在切削不同的材料时，有不同的溶解率，也就是说金刚石刀具在不同切削条件下切削不同的工件材料，磨损速度与程度是不相同的，溶解率越大，金刚石刀具磨损就越快。 2、金刚石刀具的化学磨损 微切削加工用来制作具有光学表面质量的零件,目前只限于少数材料。属于这一类的材料主要有高纯度铜、无硅铝合金和含磷量约为12%的非电流析出镍。工业上很重要的铁基材料则由于单晶金刚石刀具的严重磨损而无法加工。解决这一问题主要有三种可能的途径,也就是说,通过改进切削加工工艺、刀具材料和被加工材料。金刚石刀具沉积硬质材料涂层则属于改进刀具材料。涂层应能阻止金刚石与被加工材料的直接接触。 为了确定适宜的硬质材料涂层,首先应研究切削加工过程中刀具与工件之间存在的界面的相互作用。切削加工Fe、Ni、Cr、Ti等(门捷列夫元素周期表第-族过渡金属)金属材料时,金刚石刀具则出现严重的化学磨损。解释化学磨损的一种假设是过渡金属中存在非配对d电子。过渡金属倾向于通过其d轨道与碳的p轨道
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。其中天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃
单点金刚车快刀伺服加工微透镜阵列工艺探讨 【摘要】单点金刚石车的快刀伺服加工技术可实现复杂面形光学零件的高效优质加工。文中介绍了单点金刚车削以及快刀伺服的技术特点，以及对于加工微透镜的技术工艺路线予以分析和探讨，最后进行了零件的加工试验。 【关键词】单点金刚车；快刀伺服；微透镜阵列 0.引言 随着科学技术和信息化的迅猛发展，红外光学系统得到了飞速发展以及广泛的应用。红外光学元件主要包括红外晶体软脆性材料光学元件和玻璃、碳化硅SiC等硬脆性光学元件，由于红外晶体类光学元件在特定运行条件下，晶体内自发的Raman散射光通过表面时会得到放大。因此，晶体作为优质的光学材料，被较广泛地应用于红外光电仪器等非线性光学领域。但由于晶体材料本身具有质软，易潮解，脆性高，对温度变化敏感，易开裂的特点，因此晶体材料的加工周期很长，而且非常难以加工。尤其光学元件被业界公认为是最难加工的，随着对光学性能指标的要求不断提高，传统的光学元件加工方式已无法满足高精度的晶体材料光学元件的加工要求。 而快刀伺服FTS（Fast Tool Servo）加工技术则是通过驱动金刚石刀具产生高频响，小范围的快速精度进刀运动，并配合高精度的主轴回转和径向进给运动，来完成复杂面形零件的精密高效加工。这种加工方法具有高频响，高刚度，高定位精度等特点，可以重复加工出具有复杂形状的各种异形元件，一次加工即可获得较高的尺寸精度，形状精度和极佳的表面粗糙度，从而能够实现复杂光学面形的高效高精度加工。 1.技术特点 目前，准分子激光加工微投透镜的方法主要是准分子与激光与动态二元掩模法相结合（二元掩模法是指通过使用二元掩模制造微透镜的方法。其主要加工特点为：（1）制造过程简单，（2）制造速度快，（3）制造成本低。但由于自身的特点，所以其本身也有加工上的缺点：制造出的微透镜为非球面微透镜。 而相对来说，使用了单点金刚车的快刀伺服技术由于与有色金属亲和力好，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且刀具刃口极为锋利，刃口半径为0.5～0.01μm，同时可适用于加工非金属材料。相对而言，使用了单点金刚车的快刀伺服技术生产效率更高，加工精度更高，重复性好，适合批量生产，加工成本比传统的加工技术明显降低。而且可实现球面和非球面的精密加工。 本文所探讨的是基于单点金刚石车削的快刀伺服技术在微透镜阵列加工的新型工艺研究。微透镜是最重要的微光学元件之一，其几乎被用于所有的微光学系统。目前对于微透镜的定于较多，没有形成统一的定义。通常所说的微透镜一