超精密车削金刚石刀具刃口误差的高精度补偿

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论述金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围

金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具是超精密切削中常用的刀具材料，其切削机理、条件和应用范围如下：
1.切削机理：
⏹金刚石刀具的切削刃非常锋利，在切削过程中能够实现“切入式切削”，
使切削力大大减小。

⏹金刚石的硬度极高，切削时不易被工件材料磨损，能够保持良好的切削刃
形状。

⏹金刚石的传热性能极佳，能够快速地将切削热量传递出去，从而降低切削
温度，减少热损伤。

1.切削条件：
⏹刀具刃口半径：为了实现超精密切削，需要将刀具的刃口半径减小到亚微
米级，以提高切削的精度和表面粗糙度。

⏹切削用量：为了减小切削力和热量，需要选择较小的切削深度和进给速度，
以提高切削效率。

⏹工件材料：金刚石刀具适用于加工各种硬材料，如淬火钢、硬质合金等。

但是，对于一些韧性较大的材料，需要进行预处理或选择其他刀具材料。

1.应用范围：
⏹金刚石刀具广泛应用于超精密切削领域，如光学零件、轴承、硬盘磁头、IC
芯片等高精度、高表面质量的零件加工。

⏹在加工过程中，金刚石刀具还可以用于制作各种微细结构，如微孔、微槽
等。

综上所述，金刚石刀具的超精密切削需要满足一定的条件，并具有广泛的应用范围。

超精密加工中的金刚石刀具及刀具磨损分析

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。

基于泽尼克多项式系数的大相对孔径表面超精密车削误差的补偿方法

ＷａｇＹｉｕＪｎｃｉｎ，Ｙｉｇｈ
（ｎｔｕｅｏｄｍｐｉａｅｈｏｏｙｏｃｏＵｉｅｓｙＳｚｏ１０６ＣｉａＩｓｔｔｆＭｏｅＯｔｌＴｃｎｌｇ，Ｓｏｈｗｎｖｒｉ，ｕｈｕ２５０，ｈｎ）ｉｃｔ
王毅，景池余
（州大学现代光学技术研究所，苏苏州２５０）苏江１０６摘要：超精密车削误差补偿是提高超精密车削工艺水平的关键技术。首先对超精密车削中的各种
误差进行了简单的分析与归纳，指出刀具刃口几何形状误差与机床导轨非线性误差具有相同的表现
ｋｎｍａｉｓｘｓｈｄｈｅｓｍｅｆｒａ，ｄｏｏｔｅｃｕｄｅｏｅｓｔｄｃｏｄｎｔｔｅｉｅｔｃａｉＳａｔａｏｍｔａｂｔｎｈｆｈｍｏｌｂｃｍｐｎａｅａｃｒｉｇｏｈ
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超级精密加工论文

超精密加工技术综述摘要超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。

关键词超精密加工金刚石刀具的切削1. 前言超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一。

在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。

超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.3～0.03?m，表面粗糙度为Ra0.03～0.005?m)和纳米级(精度误差为0.03?m，表面粗糙度小于 Ra0.005?m)精度的加工。

实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。

加之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。

超精密加工主要包括三个领域：超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。

它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。

超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。

超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1?m。

如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达2～5nm。

2. 工作原理近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。

3. 设备对精密和超精密加工所用的加工设备有下列要求。

(1)高精度。

包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；(2)高刚度。

包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。

超精密切削及金刚石刀具

二）金刚石刀具的性能特点极高的硬度，维氏硬度达HV10000。极高的耐磨性，天然金刚石耐磨性为硬质合金的80-120
倍，人造金刚石为硬质合金的60-80倍。
刀刃非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达
纳米级。
摩擦系数低，金刚石与一些有色金属之间摩擦系数比其
它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半。
格常数，各边夹角分别
c
b Y
以α、β、γ表示。
根据6个参数间的相互关
系，可将全部空间晶格归属于7种类型：三斜、
a
单斜、正交、六方、菱
方、四方、立方。金刚
X
晶格常数 a，b，c
石属于六方晶系。
2、晶体中的晶面和晶轴
晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原子面。 Z
晶轴：与晶面垂直的轴
2、对加工表面组织位错的影响
刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。
四）刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响
刃口半径越小，残留应力越低。背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大。
五、超精密切削的最小切削厚度
使用极其锋利的金刚石刀具在机床最佳条件下可
导热性能高，导热系数为硬质合金的1.5-9倍，铜的2-6倍
。
热胀系数低，热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢
的1/10，因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形。
各向异性，单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐
磨性、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之
间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须进行晶体定向。
三）金刚石的晶体结构 1、晶体结构

影响单点金刚石超精密车削加工精度因素的研究

ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏ．２，２０１３
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６５０５００）
单点金刚石车削（ｓＰＤＴ）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ＭＳＣ．Ｍａｒｃ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０．０５ｍ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 ■

单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析

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。

金刚石刀具超精密切削加工)

36
第2章超精密切削与金刚石刀具
5) 刀具刃口锋锐度ρ ➢ 刃口圆弧半径ρ越小，切削厚度就越薄，越能够减小切
削表面弹性恢复和表面变质层。 ➢ ρ与切削刃的加工方位有关，普通刀具5~30μm，金刚石
刀具<10nm，最好能够< 5nm； ➢ 从物理学的观点，刃口半径ρ有一极限（后续介绍）。
37
ρ
第2章超精密切削与金刚石刀具
（2）球面镜切削示例
球面镜加工原理
1-主轴；2-凹面镜；3-刀具轴
31
第2章超精密切削与金刚石刀具
（3）大型金刚石刀具切削机床示例
LLNL的LODTM超精密车床
• Work table: 1.65 m dia
• Figure accuracy: 0.028 μm
• Surface finish :3.5-9.0 nm
35
第2章超精密切削与金刚石刀具
2.2.2 超精密切削对刀具性能的要求
1) 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。
2) 刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。 3) 切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度, 普
通刀刃的粗糙度Ry0.3~5 μm，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.1~0.2 μm，特殊情况Ry1nm，极难刃磨。 4) 化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。
（3）变形加工 ——利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。
主要包括：锻造、热流动加工、铸造、液体流动加工等。
77
第1章绪论
1.3.2 根据加工过程中材料的流动形态来分类
——去除加工是使材料逐渐减少，一部分材料变为切屑，这种流动称之为分散流；

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２１年１０１月
光电工程
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文章编号：１０～０Ｘ（０１ｏ一０８００３５１２１）ｌ０９ — ５
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ｗａｄｅｄｓｄｅｕｃ．Ｔｈｅｔｆｅｔａｅｏｐｎｓｔｏｗａｉｕｌｔｄｂｃｍｐｕｅ．Ｆｉｌｙｎ，ｈｅｅｆｃｆｒｃｍｅａｉｎｓｓｍａｅｙｏｔｔｒｎａｌ，５ｍ，ｒｄｉ０ｍｍ，ｗｏｋ０ｍａｕｓ５ｒ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｏｅｓｔｎｍｅｈｄｆｒｔｅｅｒｒｆｉｍｏｄｔｏ ’ ｃｔｎｄｅｉａｂｔｅｎｃｃｎｌｇｉｄｒｈｅｃｍｐｎａｉｔｏｏｒｏａｎｌｕｔｇｅｇｏｔ — ｅｋｔｈｏｏｙｔｈｎｅｅｏｈｏｄｏＳｉｓｌｅｏｔｈｇｃｕａｙａｐｅｉｕｆｃ ’ ｄｒｃｌｏｍａｉｎａｔｒｓｎｌｄａｎｕｎｎ．ｐｃａｌｏｔｅｂｇｒｌｔｅａｅｔｒｉｈａｃｒｃｓｈｒｓｒａｅＳｉｔｆｒｔｆｅｉｇｅｉｍｏｄｔｒｉｇＥｓｅｉｌｔｈｉｅａｉｐｒｅｃｅｙｏｙｖｕａｐｅｉ，ｎｕｎｅｉｉｇｒＴａｉｏａｏｅｓｔｎｗａｏｅａｃｒｉｇｔｅｍｅｓｒｍｅｔｅｕｔｒｍｒｆｅｍｅｅ，ｓｈｒｃｉｆｅｃｓｂｇｅ．ｒｄｔｎｌｍｐｎａｉｓｄｎｃｏｄｎｔａｕｅｎｓｌｆｏｐｏｌｔｒｌｉｃｏｏｈｒｉｗｈｃｏｋｌｎａｕｅｎｉｅａｄｃｕｅｗｒｃｓｉｇｅｃｅｃ．ｎｗｏｅｓｔｎｍｅｈｄｗａｒｔｕｉｈｔｏｏｇｍｅｓｒｍｅｔｔｎａｓｄｌｐｏｅｓｆｉｎｙＡｅｃｍｐｎａｉｔｏｓｆｓｙｐｔｍｏｎｉｏｉｌｆｒｒｎｔｅａｔｌ．ｉｉｈｔｅｃｒｅｔｎｏｈｎｏｆｄａｎｏｌｕｔｇｅｇｓｄｎｃｏｄｎｏｏｗａｄｉｈｒｉｅｎｗｈｃｈｏｒｃｉｆｔｅｅ．ｏｉｍｏｄｔｏ ’ ｃｔｎｄｅｗａｏｅａｃｒｉｇｔｃｏｒＳｉ
对于大相对口径，深度非球面的车削，金刚石刀具刃口误差对最终的面形的影响非常大。传统补偿方法是根据轮
廓仪的测量结果对刀具刃口误差进行修正，但是该方法存在测量时间长，高频误差大，加工效率低的缺点，本丈
最先提出利用车削表面面形误差拟舍后的泽尼克多项式系数对刀具刃口误差进行加工补偿，首先对该补偿方法进
预期，精度高，误差收敛速度快。
关键词：超精密车削；刀具刃口误差；补偿；光学加３－
中图分类号：Ｔ７６Ｈ１１Ｇ０；Ｔ６文献标志码：Ａｄｉｌ．９９．ｓ．０．０Ｘ．１．１１ｏ：０３６／ｉｎ１３５１２Ｏ．９ｊｓ００１０
（ｎｔｕｅｆＭｏｅｎＯｔａｃｎｌｇ，ｏｃｏｎｅｓｔＳｚｏ１０６ｄａｇｕｒｖｎｅＣｉａＩｓｔｔｏｉｄｒｐｉｌｅｈｏｏｙＳｏｈｗＵｉｒｙｕｈｕ２０，ｉｎｓｏｉ，ｈ）ｃＴｖｉ，５Ｐｃｎ
行了详细的理论推导，然后对补偿效果进行计算机模拟，最后在Ｎｎｔｈ５单点金刚石车床上完成了口径５ａｏｅ２０ｃ０ｍｍ，半径５大相对口径实验件的超精密车削及修正车削，面形精度ＰＶ８ｍ，ＭＳ７ｉ。充分证明该补偿符合０ｍｍ＝６ｎＲ＝ｎｎ
超精密车削金刚石刀具刃口误差的高精度补偿
王毅，余景池
（苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州２０１０６）５摘要：超精密车削中的金刚石刀具刀口误差的补偿问题一直是制约高精度非球面车削直接成形的瓶颈技术，尤其