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
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。
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)
模具钢的单点金刚石切削技术
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
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。
超精密车削加工
《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。
《精密和超精密加工技术(第3版)》第2章超精密切削与金刚石刀具
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
超精密车床结构设计及仿真
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》
《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。
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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。
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ρ。
切削时刃前区的应力状态十分复杂，应力集中造成金属中位错集中，导致金属产生塑性变形和滑移分离，一部分金属成为切屑沿前刀面流出，另一部分金属经后刀面熨压留在已加工表面。
因为两部分金属运动方向不同，必然使刀具刃口前金属呈拉伸状态，拉应力使刃前区金属的抗剪能力下降，在刀刃的直接作用下，金属产生滑移分离。
刃口半径越小，应力越集中，变形越容易，切削力越小，加工表面质量越好。
另外，切削层金属被通过分流点O且平行于已加工表面的分流线分为两部分，分流线以上的材料沿前刀面流出，分流线以下的塑性变形层被O点以下的刀刃熨压后成为已加工表面。
经过熨压以后，刀刃下方的材料产生严重的压缩变形，对已加工表面质量产生直接的影响。
3 切削过程的有限元仿真
3.1 有限元仿真平台的选择
有限元仿真的大型的通用商业软件有NASTRAN、ASKA、SAP、ANSYS、MARC、ABAQUS、JIFEX等，这些软件包含了众多的单元形式、材料模型及分析能力，并具有网格自动划分、结果分析和显示等前后处理功能[2]。
切削过程的有限元仿真属于非线性问题，材料将发生大变形，需要仿真平台需要具有网格自适应重划分功能。
MSC.Marc的全局网格重划分功能为此需求提供了必要的支持，而且MSC.Marc具有强大的求解非线性问题的能力，也为用户提供了丰富的用户子程序接口，使得用户可以通过Fortran程序进行二次开发，自定义复杂的材料模型。
相比较以往采用ABAQUS、Deform2D、Thirdwave AdvantEdge等软件进行的有限元仿真模型，MSC.Marc为用户提供了更强大而且更简便的解决方案。
3.2 切削模型的建立
切削过程的有限元仿真的关键问题之一是对切削产生的原理进行建模仿真。
旧有的建模方法要在切屑与工件之间预先设定分离准则（包括几何分离准则和物力分离准则），即当变形达到某一预设条件或某一物理量（如应力、等效塑性应变、或应变能密度等）达到预定值的时候，切屑将从预设的位置进行断开。
由于MSC.Marc提供了强大的二维、三维的全局网格重划分功能，切削模型将不依赖于分离准则，这也使得切削模型更能描述实际的加工过程。
此外，MSC.Marc具有强大的接触模拟功能，这也使得利用MSC.Marc建模时在定义刀具与工件接触的问题上较之ABAQUS等其它软件大大简化。
图3 切削几何模型与边界条件
根据实际加工条件利用Mentat进行二维几何建模如图3所示。
其中，工件左侧的所有节点水平位移及工件底面所有节点在平面内两个方向的位移全部设定为零。
右侧的刀具假定为刚体，工件材料利用MSC.Marc提供的宏观弹塑性模型输入相应的材料常数，并对工件模型采用网格全局重划分。
在模型中假定了刀具的刃口半径为零，改变刀具的前角进行切削仿真可以得出如图4所示的应力分布结果图。
图4 不同刀具前角二维切削仿真结果比较
图5 三维仿真结果图
如二维仿真类似，单点金刚石正交切削过程可以抽象为平面应变问题进行三维有限元仿真。
模型采用了四面体单元对工件进行网格划分。
仿真结果如图5所示。
利用Mentat后处理功能，可以得出切削过程的切削力变化图（图6）。
图6 切削力变化结果图
4 总结
本文利用有限元仿真技术，对单点金刚石车削过程进行了二维、三维建模仿真,模拟了切屑的产生及生长过程，分析了加工过程中工件内部的应力分布情况以及刀具的切削力的变化，也在二维仿真中讨论了不同刀具前角对切屑形态的影响。