超精密单点金刚石车削原理和有限元仿真技术

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。

2.0 金刚石切削与精密磨削

2.0.1 金刚石超精密切削
1．金刚石超精密切削技术的进展
金刚石超精密切削是超精密加工技术的一个重要组成部分，早期主 要用来加工有色金属如无氧铀或铝合金等。 采用金刚石超精密切削技术可达到纳米级加工水平，不少国防尖端 产品零件(如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大 功率激光系统中的多种零件等)都需要利用金刚石超精密切削来加工。
最大进给速度mm/min 数控系统分辩率/mm
3000、5000或7000
5000 0.0001或0.00005
重复精度(±2σ)/mm
主轴径向圆跳动/mm 主轴轴向圆跳动/mm
≤0.0002/100
≤0.0001 ≤0.0001
滑台运动的直线度/mm
横滑台对主轴的垂直度/mm 主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm） 主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm） 纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm） 径向

3. 误差补偿

2.0.4 精密与超精密加工机床
1．精密与超精密切削机床的性能要求
(1) 很高的精度(包括高的静精度和动精度) 主要指标有主轴的回转精度、导轨运动精度、定位精度、重复定 位精度，分辨率及分度精度。精密车床主轴回转精度一般在1μm之内 ，导轨直线度小于10μm /100mm，精密坐标磨床的定位精度在1～3μm ，分辨率一般为0.01μm ，具有能够进行微量切削并具有在线误差补偿 的微量进给系统。而超精密车床主轴的回转精度大多在0.03～0.05μm ，导轨直线度为0.1～0.2μm /250mm，定位精度为0.01μm ，重复定位 精度为0.006μm ，进给分辨率为0.003～0.008μm ，分度精度为0.5″。 (2) 具有较高的刚度(包括静刚度、动刚度和热刚度)

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.

单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析磨损分析是评估单晶金刚石车刀在超精密单点切削中使用过程中的性能退化情况。

磨损是由切削力和摩擦力引起的，而超精密单点切削要求较小的切削力和摩擦力。

因此，单晶金刚石车刀的磨损是非常重要的。

首先，单晶金刚石车刀的磨损主要有两种形式：刃口磨损和表面磨损。

刃口磨损会导致车刀的切削边缘变钝，从而降低切削效率和切削质量。

表面磨损主要是由刀具与工件表面接触时产生的摩擦引起的。

这些磨损形式都会导致单晶金刚石车刀的使用寿命减少。

其次，可以通过磨损分析来确定单晶金刚石车刀的磨损程度。

常用的磨损评估方法有：测量切削力和刀具表面形貌、观察工件表面质量等。

测量切削力可以间接评估刃口磨损程度，如果切削力增加，则说明刃口已经磨损。

观察工件表面质量也可以判断磨损情况，如果工件表面粗糙度增加，则说明刃口已经损坏。

最后，还可以通过磨损分析找出导致单晶金刚石车刀磨损的原因。

可能的原因包括：切削条件不合适、切削速度过高、切削液不合适等。

通过找出磨损原因，可以采取相应的措施来减少磨损，延长单晶金刚石车刀的使用寿命。

总之，单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析是评估其使用寿命和性能的重要手段。

通过磨损分析，可以确定磨损程度，找出导致磨损的原因，并采取相应的措施来延长车刀的使用寿命。

此外，单晶金刚石车刀磨损分析还可以提供对刀具寿命的预测和刀具性能的改进。

通过磨损分析，可以获取关于刀具磨损速率和刀具寿命的重要信息。

这些信息对于制定合理的刀具更换计划非常关键，以避免频繁更换刀具或过度使用磨损严重的刀具。

磨损分析还可以帮助改进单晶金刚石车刀的设计和制造工艺。

通过观察磨损形态和区域，可以了解刀具的磨损机制和影响因素。

这对于优化刀具的材料、几何形状和涂层等方面非常有价值。

例如，可以针对刀具的磨损情况进行改进，使其更耐磨、更耐用，并提高切削效率和切削质量。

此外，磨损分析还可以通过对比不同切削条件下的磨损情况，寻找最佳的切削参数组合。

《超精密加工技术》结课论文摘要:主要论述对孙涛老师《超精密车削加工技术及应用》这门课学习后的一些情况所得，并结合网络所查资料对超精密车削加工理论、发展与运用方面有所阐述。

关键字：超精密加工车削金刚石刀具机床引言：之前一提到超精密这个词，会觉得它很神秘，但经过孙涛教授的讲解以及课后查找资料，同其它复杂的高新技术一样，对超精密加工有所了解。

由于新材料、新技术、新产品的更新换代日益加快，航空航天、军事武器以及民用产品的发展，当今产品要求具有较高的精度。

为此，一种本质上区别于普通车加工的超精密车加工便应运而生。

超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的，一般称为金刚石刀具具切削。

通常，我们按照加工精度划分，可将机械加工分为：一般加工、精密加工、超精密加工。

加工精度在0.1～1μm，表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之间的加工方法称之为精密加工；精度高于0.1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm之间的称为超精密加工。

因此，如果从去除单位尺寸将切削加工加以区别的话，以微米级的去除，才属于超精密加工。

1、需求背景航空航天、民用光学行业、军事、天文等，在制造中都会有大量精密和超精密加工的需求，隐形飞机、直升机、坦克、导弹导引头、侦察卫星等高保真共形光学曲面柱面棱、透、反射镜和菲涅尔透镜及各式导弹、航空航天器导航用陀螺仪的超精密切削加工，大口径KDP晶体元件在NIF大型激光光路中起着不可替代的作用，而大口径KDP晶体元件的加工必不可少需要用到超精密切削加工技术，在民用产品中，显示器、背光板、CCD相机、某些光学衍射元件，超精密切削加工技术也在其中扮演着不可或缺的作用。

60年代，美国由于发展LLNL 核聚变技术，首先使用天然金刚石刀具的超精密切削技术，其后，英国发展大型光学仪器、日本的民用工业也大量使用，使得超精密切削技术快速发展。

在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。

3)积屑瘤呈鼻形并自切削刃前伸出,这导致实际切削 厚度超过名义值。超精密切削的切削厚度原来就很小 ,增加切削厚度将使切削力明显增加。
三、使用切削液减小积屑瘤,减小加工表面粗糙 度值
图2-11 超精密切削时切削速度对加工表面粗糙 度的影响 f=0.0075mm/r ap=0.02mm
加工硬铝时,如将航空汽油作为切削液,可明显减小 加工表面粗糙度值,并且在低速时表面粗糙度值也很 小。这说明使用切削液后,已消除了积屑瘤对加工表 面粗糙度的影响，从污染环境看,应在保证加工表面 质量的条件下,尽量少用切削液。加工黄铜时,切削 液无明显效果,低速时加工表面粗糙度值不大,故加 工黄铜时可不使用切削液。
加的原因如下:
1)鼻形积屑瘤前端的圆弧半径R为2~3μm,较原来金刚 石车刀的切削刃钝圆半径rn(0.2~0.3μm)大得多。
2)积屑瘤存在时,它代替金刚石切削刃进行切削,积屑 瘤和切屑间的摩擦及积屑瘤和已加工表面之间的摩擦 都很严重,摩擦力很大,大大超过金刚石和这些材料之 间的摩擦力,这导致切削力的增加。
超精密切削刀具磨损和寿命
图2-2 磨损的金刚石切削刃
正常刀具磨损情况,一般磨 损主要在后刀面上。
图2-3 剧烈磨损的金刚石切削刃
剧烈磨损情况,从图中可看 到磨损区呈层状,即刀具磨 损为层状微小剥落,这大概 是由金刚石沿(111)晶面有 解理现象产生而造成这样的 磨损形式。
超精密切削刀具磨损和寿命
一、超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响
图2-8 背吃刀量㊀ap对积屑瘤高度的影响
硬铝v=314m/min f=0.0075mm/r
在实验的切削参数范围内都有积屑瘤产生。
背吃刀量ap<25μm时,积屑瘤的高度h0变化 不大,但ap大于25μm后,积屑瘤高度h0将随 ap值的增加而增加,这种变化的原因大概是

毕业论文超精密车床结构设计及仿真摘要随着科学技术的发展及高新技术的需要，精密及超精密加工技术在工业生产中的地位越来越重要。

几十年来，超精密加工已成为工业生产中最关键的、效果最显著的技术之一。

本文密切结合河北省博士基金项目课题进行研究，以超精密车床的开发为目标，以压电材料学、弹性铰链理论、虚拟样机技术为基础，完成了超精密车床的结构设计，通过三维建模，对其进行了运动学仿真和切削力仿真；本论文完成了以下内容：◆引入了模块化设计思想，设计了一台小型化的基于电主轴和压电陶瓷微进给平台等关键部件的超精密车床。

◆设计了一种以压电陶瓷作动器为动力源，弹性铰链为弹性变形元件的新型微进给刀架；在此基础上，进行了位移-电压曲线的线性分析试验，为微进给刀架线性驱动提供了依据。

◆基于虚拟样机仿真技术，利用Pro/ENGINEER 软件，进行了车床各零部件的三维实体建模，根据传统的装配方式进行了虚拟装配和运动仿真，并进行了装配过程中的干涉检查。

◆在VC++开发环境下，将OBJ 数据文件导入OpenGL 中，从而简化了虚拟车床的设计，利用双缓存技术以及定时器技术等对所设计的机床进行了切削以及切削力的实时动态仿真。

通过仿真和实验，结果表明：所设计微进给系统进给分辨率为0.01µm；线性位移变化量为4.58µm；车床可以达到亚微米级进给精度；最后对全文的研究工作和取得的进展进行了总结，并提出了进一步研究的建议和设想。

关键词：超精密车床，微进给，实体建模，仿真iSTRUCTURE DESIGN AND SIMULATION OFULTRA-PRECISION MACHINING LATHEABSTRACTWith the development of science and technology and needs of high-tech, precision and ultra-precision processing technology plays an increasingly important role in industrial production. Ultra-precision machining has become one of the most critical and effective techniques in industrial production for decades. Closely connecting with the Doctor Foundation subject of Hebei province, the structure of ultra-precision lathe was designed with the aid of the science of piezoelectric material, flexure hinge theory and virtual prototype technology; Then a 3D model of the lathe was set up; And at last, the kinematics and cutting force simulation was proceeded on basic of the lathe modeling. The creative work has been completed as follows：◆With the aid of modular-design thought，a miniaturized ultra-precision lathe was designed, which was based on some key components，such as electric spindle and piezoelectric ceramic micro-positioning platform.◆A micro-feeding tool holder was designed based on piezoelectric ceram and flexible hinge，which took piezoelectric ceram as its power supply, and flexible hinge as its deformation component. The linear analysis experiments were done with the micro-feeding tool holder. As a result, a displacement-voltage curve was got that laid a foundation for linear driving of tool holder.◆With the virtual prototype simulation technology and Pro/ENGINEER software, the 3-D solid modeling of lathe parts have been established. According to traditionally assemblage type, virtual assembly and kinematics simulation has been carried out, and interference detection in assembly processes has been tested.◆With the VC++ development environment，in order to predigest the design of the virtual lathe，OBJ data file has been converted into OpenGL. The cutting experiment of the designed lathe has been done，and the simulation of cutting force was proceeded in virtue of double buffer technique and timer technique and so on.The results of simulation and experiments indicated that the feeding resolution ofmicro-positioning system could reach 0.01µm and the linear displacement change also could reach 4.58µm；So the lathe could achieve submicron-sized accuracy. At last, the paperiisummarized the researches and achievements, and proposed some suggestions and ideas in the next step of the study.KEY WORDS：ultra-precision lathe, micro-feeding, solid modeling, simulationiii原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。

《单晶硅各向异性超精密切削仿真与实验研究》一、引言随着微电子技术的快速发展，单晶硅作为一种重要的半导体材料，在集成电路制造领域扮演着不可或缺的角色。

由于其材料本身的特殊性，如硬度高、各向异性等特点，单晶硅的超精密切削加工一直是国内外学者研究的热点。

本研究通过对单晶硅各向异性的超精密切削过程进行仿真与实验研究，旨在揭示切削过程中的材料去除机理，为提高切削效率和加工精度提供理论依据。

二、单晶硅材料特性及切削难点单晶硅具有优异的物理、化学性质，如高硬度、高耐磨性以及各向异性等。

这些特性使得在切削过程中，刀具易磨损，切削力大，且易产生加工误差。

此外，由于单晶硅的晶体结构复杂，不同方向的力学性能差异显著，这给超精密切削带来了极大的挑战。

因此，研究单晶硅的各向异性超精密切削过程，对于提高加工效率、降低加工成本、提高加工精度具有重要意义。

三、仿真研究为了深入理解单晶硅各向异性超精密切削过程中的材料去除机理，我们采用仿真软件进行模拟研究。

通过建立切削过程的物理模型，设置合理的边界条件和参数，模拟了切削过程中材料的变形、断裂以及刀具的磨损等情况。

仿真结果表明，在切削过程中，材料的去除与晶体结构密切相关，不同方向的切削力差异显著。

此外，我们还发现，合理的切削参数可以显著降低切削力，减小刀具磨损，提高加工效率。

四、实验研究为了验证仿真结果的准确性，我们进行了单晶硅各向异性的超精密切削实验。

实验中，我们采用了不同的切削参数和刀具材料，观察了切削过程中的材料去除情况、切削力、刀具磨损等指标。

实验结果表明，仿真结果与实验数据基本一致，验证了仿真模型的准确性。

同时，我们还发现，在实际切削过程中，合理选择切削参数和刀具材料对于提高加工效率、降低加工成本具有重要意义。

五、结论与展望通过仿真与实验研究，我们深入理解了单晶硅各向异性超精密切削过程中的材料去除机理，为优化切削过程提供了理论依据。

研究发现，合理选择切削参数和刀具材料可以显著提高加工效率、降低加工成本、减小刀具磨损。

超精密车削时切屑形成及表面微观形貌形成机理的研究摘要：在亚微米级cnc 超精密车床上进行了单晶金刚石刀具切削试验，根据试验结果分析了切屑形成机理和最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系，建立了加工表面微观形貌的几何模型。

研究结果表明：通过计算最小切削厚度值可预测金刚石车削加工可获得的表面粗糙度值。

1 引言随着超精密切削机床及其控制技术的迅速发展，切削加工范围已由金属等塑性材料逐渐延伸到玻璃、陶瓷等各种难加工材料。

由于金刚石刀具的物理化学性能以及极薄切削层特性等的影响，使超精密切削具有与普通切削不同的特殊规律。

早在几十年前，国外许多学者就对超精密加工表面形成机理进行了理论探讨和试验研究，但受当时条件的局限，对超光滑表面微观形貌形成机理的解释还具有一定的片面性。

本文通过用单晶金刚石刀具对铜合金和铝合金材料进行超精密微切削试验，在试验结果的基础上系统研究了最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系，并从微切屑的形成、最小切削厚度、变形等方面研究了超光滑加工表面微观形貌的形成机理。

2 切屑的形成机理通过研究微切屑的形成与加工表面粗糙度之间的关系，可以揭示刀具几何形状和切削参数对加工表面粗糙度的影响。

为此，我们在哈尔滨工业大学自行研制的hcm-1 型亚微米级超精密车床上进行了一系列切削试验。

试验材料为铜合金；切削深度为1～10μm；进给量为3μm/r；主轴转速为1500r/min。

从局部放大的切屑sem照片上可以看出：切削铜合金时产生的切屑是由剪切滑移的层状薄片堆积形成，且卷曲成螺旋状。

试验表明：沿圆弧刀具切削刃的有效切削厚度是一个变量，在切削刃与待加工表面接触点处切削厚度达到最大值。

当切削厚度较大时，切屑的表面结构较紧密；切削厚度较小时，切屑的表面结构则较疏松；同时，随着切削深度的减小，切屑的卷曲半径增大。

观察加工表面微观形貌的afm 照片和切屑的sem照片可以发现：因刀具磨损造成的切削刃不完整性复映到加工表面上，从而产生平行于切削方向的刀具刮痕。

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。

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。 .

diamond turning technology not only has high processing quality, but also can effectively avoid the reduction of surface
shape accuracy caused by abrasive embedded in optical elements. It is suitable for ultra-precision machining of smallcaliber and large-volume chalcogenide glass lenses. In this paper, the principle and conditions of single point diamond
起到了重要的支撑作用。
1 硫系玻璃单点金刚石车削的加工原理
单点金刚石车削技术( single point diamond turning technology, SPDT) 是在超精密车床上,通过对机床和
加工环境进行精密控制,利用天然金刚石刀具对零件进行车削加工的技术。 硫系玻璃进行单点金刚石车削
面和二元 面 硫 系 玻 璃 光 学 元 件 的 应 用 越 来 越 广 泛, 对 硫 系 玻 璃 光 学 元 件 超 精 密 加 工 的 要 求 也 日 益
提高 [14-15] 。
硫系玻璃常见的超精密加工方式有单点金刚石车削、模压成型、磁流变成形等 [16-18] 。 单点金刚石车床
结合了现代化计算机、自动化控制及机械制造等技术,可加工平面、球面、非球面及衍射面等 [19-20] ,加工的硫
工艺等对面形精度和表面光洁度的影响。
关键词:硫系玻璃; 单点金刚石车削加工; 面形精度; 表面光洁度; 生产效率

超精密切削金刚石刀具磨损研究摘要：金刚石超精密切削技术,是超精密加工技术的重要分支, 也是超精密加工技术发展最早的、应用最为广泛的技术之一。

金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论上可以达到原子级的平直度与锋利度,切削时切薄能力强、精度高、切削力小; 其高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可保证刀具具有超长寿命, 从而能进行长时间的持续切削, 并可减小因刀具磨损对零件精度的影响; 其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形。

天然单晶金刚石, 由于具有各向异性, 因此各晶面的硬度相差甚大, 在刀具刃磨时, 择其软的一面作为研磨面, 而将其硬的面作为前刀面或后刀面, 这给研磨带来了有利的条件, 因其各向异性, 所以在使用中, 必须考虑到晶面的合理选择, 以利于延长寿命。

关键词：金刚石刀具刀具磨损裂纹在金刚石精密切削加工中，金刚石刀具的磨损是必然的。

在常规条件下，如用金刚石切削黑色金属如钢、铁、锰和某些难加工材料如铬、钛等时，金刚石刀具的磨损特别快，以致于无法维持切削的顺利进行、保证所需加工精度。

为了提高金刚石刀具在切削黑色金属过程中的刀具寿命，需要研究金刚石刀具的具体磨损过程，从机械、热摩擦和热化学的角度对金刚石刀具磨损机理做了分析研究，进而研究了黑色金属材料材质变化及其机械物理性能对金刚石刀具磨损的影响，从而为减缓刀具磨损、提高加工表面质量、扩展金刚石刀具可切削材料提供理论支撑。

金刚石刀具切削黑色金属过程中磨损严重，磨损过程复杂。

由于普通切削过程中的切削力和切削温度较高，金刚石刀具的磨损机理主要有机械磨损、热摩擦磨和热化学磨损。

这些磨损在切削过程中可能同时发生也可能交互式地发生，从而致金刚石刀具磨损。

1. 机械磨损金刚石刀具机械磨损主要是有以下两部分组成：工件材料中的硬质点在切削过程中周而复始地对刀具产生冲击，使金刚石颗粒容易产生微裂解，发生机械磨损；另一方面由于工件材料中含有的硬质点或积屑瘤的碎片等在刀具表面上划出沟纹而造成的磨损。

第30卷第7期2022年4月Vol.30No.7Apr.2022光学精密工程Optics and Precision Engineering微透镜阵列单点金刚石车削补偿技术王之岳，陈灶灶，朱利民，张鑫泉*（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）摘要：为了提高微透镜阵列单点金刚石车削的加工精度与一致性，提出了加工误差的理论模型，并针对其补偿方法进行了理论分析和实验研究。

将微透镜阵列加工等效为自由曲面加工，通过建立单点金刚石慢刀伺服切削模型，计算了理论曲面在每一个切削点处沿切削方向的曲率半径；结合刀具等效倾斜角模型和机床加工时延模型，进一步得到了慢刀伺服切削微透镜阵列误差面形的理论预测值。

然后，使用原位测量设备测量处理得到实际加工误差，将面形误差理论值与实际加工误差测量值比较，并将面形误差理论值预补偿到加工程序中。

实验结果表明，面形误差理论值与实际加工误差测量值具有一致性，两者偏差在［-0.7μm，0.3μm］；补偿加工后微透镜阵列的PV值从5.4μm降低到0.6μm。

所提出的微透镜阵列的单点金刚石车削加工与补偿方法能够预测误差面形，显著提升面形精度与一致性。

关键词：超精密加工；微透镜阵列；单点金刚石车削；慢刀伺服；原位测量；加工补偿中图分类号：O439文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20223007.0813Single point diamond turning and compensation for micro-lens array WANG Zhiyue，CHEN Zaozao，ZHU Limin，ZHANG Xinquan*（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）*Corresponding author，E-mail：zhangxinquan@Abstract：To improve the efficiency and consistency of machining micro-lens arrays using single point dia⁃mond turning，a theoretical model of surface residuals was proposed in this study.A compensation method for the model was then studied.The micro-lens array was regarded as a freeform surface.The radius of curvature at each cutting point along the cutting direction was calculated by establishing an slow slide servo （SSS）cutting bined with the tool equivalent tilt angle and lathe delay models，the theoretical surface residuals of the freeform array in SSS were obtained.Subsequently，the actual surface residuals were measured and processed using in situ measurement.The theoretical and measured surface residuals were then compared and the surface residuals were compensated for in the machining program.The theo⁃retical surface residuals are consistent with the actual ones，with an error range of［-0.7μm，0.3μm］. The peak to valley（PV）value is reduced from5.4μm to0.6μm after compensation.Therefore，the sin⁃gle point diamond turning and compensation method presented in this study is able to predict the surface re⁃siduals and significantly improve machining accuracy and consistency.Key words：ultra-precision fabrication；micro-lens array；single diamond turning；slow slide servo；in si⁃tu measurement；machining compensation文章编号1004-924X（2022）07-0813-08收稿日期：2021-11-03；修订日期：2021-11-26.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.52075332）；中科院战略性先导专项A类（No.XDA25040000，No.XDA25040200，No.XDA25040202）第30卷光学精密工程1引言微透镜阵列是将单颗透镜作为阵列单元，排列在一个基板上的一种透镜应用。

超精密切削切屑形成过程的SPH 方法模拟研究王永刚宁波大学,宁波,315211摘要:采用光滑粒子流体动力学方法对单点金刚石刀具超精密切削A ISI-4340钢的切屑形成机理及影响因素进行了数值模拟。

数值模拟结果显示:当切削厚度较大(019L m 和016L m)时,超精密切削加工产生切屑的形成机制同普通切削一样属于剪切滑移破坏,切屑呈锯齿状,切削力呈波浪形振荡;当切削厚度较小(0130L m 和0115L m)时,切屑形成机制由剪切破坏转换为挤压破坏,形成了带状连续切屑,切削力在进入稳定切削阶段后基本保持恒定。

关键词:超精密切削;光滑粒子流体动力学;切屑形成机理;数值模拟中图分类号:T H 161 文章编号:1004)132X(2009)23)2861)04SPH Method Simulation of Chip Formation in Ultr a -pr ecision Cutting Pr or cessesWang YonggangNingbo U niversity,N ingbo,Zhejiang,315211Abstr act :In order to investigate the mechanism of chip formation and the influences of some cut 2ting parameters,a SPH method was used to study the ultra-precision cutting AISI-4340steel with diamond tool.T he simulation results show that the chip for mation mechanism in ultra-pr ecision cut 2ting process is the adiabatic shear band formation as the same to general cutting under the condition of the bigger cutting thicknesses (019L m and 016L m),the chip morphology is like a saw-tooth,and the cutting force is characterized by oscillatory profiles.With the decreases of the cutting thickness up to 0130L m and 0115L m,respectively,the shear localized chip formation mechanism is transformed to the extruded-like chip formation behavior,the chip mor phology is like a strap,and cutting force main 2tains approximately a constant value.Key words :ultra-prescision cutting;SPH (smoothed par ticle hydro-dynamics);chip formation mechanism;numer ical simulation收稿日期:2009)02)17基金项目:国家自然科学基金资助项目(10876014);宁波大学人才基金资助项目0 引言超精密切削加工技术是现代制造技术的前沿方向,在航空航天、国防工业及微机电系统等方面都有非常广阔的应用前景,因此研究超精密切削加工的切削机理及切削参数变化对加工表面质量的影响已日益受到人们的重视。