单点金刚石精密数控车削加工技术及发展前景分析

针对我国红外热像仪、探测仪及惯性约束核聚变工程对红外晶体类光学元件的需求,开展了单点金刚石精密数控车削加工技术的研究,分析了单点金刚石精密数控车削加工技术的特点及应用范围、机床整体布局及主体结构型式。介绍了该项技术在国内外的发展现状和趋势,对该项技术的应用发展前景进行了分析和预测。在消化和引进国外先进制造技术和最新研究成果的基础上,突破单点金刚石精密数控车削加工的关键制造技术,解决了我国光学非球面精密数控车削加工技术和设备依赖引进的问题,实现了单点金刚石精密数控车削加工技术及设备的国产化,提高了我国红外光学元件的精密加工技术水平和设备制造能力。     

单点金刚石车削加工切削距离的计算

讨论了大型金属反射镜在金刚石车削中,金刚石刀具的磨损对加工精度的影响;详细介绍了超精密加工中几种典型零件形状单点金刚石车削加工的切削距离计算方法,经计算在加工直径为1000mm的圆盘工件时,当刀具的进给量为2μm/r,切削距离达到近400km。通过计算为加工大型光学元件刀具磨损规律的研究提供分析基础。     

小口径非球面加工技术及装备综述

小口径非球面零件是一种非常重要的光学零件。介绍了国内外小口径非球面超精密加工技术的发展现状和装备。对单点金刚石车削、超精密磨削、透镜成型、超精密铣削和特种加工技术进行了综述。指出了小口径非球面加工的发展趋势和产业化需要解决的问题。     

美国Moore Nanotechnology System

美国Moore Nanotechnology System，LLC是著名的光学超精密加工设备制造公司，其前身是Pneumo，主要产品是超精密金刚石车床和超精密确定性磨削装置。目前，能向中国出口的金刚石车床是二轴的250UPL和450UPL，及其附件（可搭成三轴或四轴）。Nanotech的产品向以精密著称，加工效果好。为适应现代光学的发展，近年又推出S^3超精密慢速加工系统和快速进给系统，     

衍射光学元件车削补偿技术的研究

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法,但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型,无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工,从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷,通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿,对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理,计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差,以此获得新的金刚石车削加工轨迹,实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验,最终使其PV值由10.4 m经过一次补偿加工后降为4.3 m。     

超微粒金刚石砂轮精密修整技术

金刚石砂轮的精密修整是脆硬材料镜面磨削的关键技术之一，为了保证磨轮起到足够数量微小磨削刃的作用，以使脆硬材料镜面磨削得到较好的面形精度，超微粒金刚石砂轮精密修整技术是目前国内外研究的一个课题。这里介绍了目前国内外修整金刚石砂轮的各种技术方法，并提出采用碗形碳化硅修整器和在线电解修整法，可获得较理想的修整效果。     

材料的微细加工技术研究

在微传感器、执行器、集成光学器件、高分辨探测器等的研究中,材料的非机械微细加工技术是一种必不可少的成型技术。通过相关课题的研究,开展了反应离子刻蚀技术和聚焦离子束精密加工技术研究,进行了金刚石薄膜等材料的微细加工技术实验研究,掌握了基本的实验流程和实验技能。     

超声振动车削装置设计

在切削加工领域，提高加工精度方法很多，其中一个非常重要的研究方向在于努力减小切削过程中的切削力和切削热。超声振动切削技术在降低切削力和切削热方面有重要的作用，可以较好地解决难加工材料、难加工零件以及精密加工等方面的一些工艺问题。为了推广应用这项新技术，文章基于超声振动切削理论，设计了一套超声振动车削装置，为实现黑色金属薄壁零件的精密加工提供了新的途径。     

纳米级光学超精密加工技术

纳米级光学超精密加工是软X射线光学和光电子学元件制备的重要基础技术之一。本文概述这一技术研究的主要内容并介绍近10年来特别是80年代后期在这一研究领域的最新进展，例如单点金刚石车削、可延展磨削、浮法抛光以及离子束抛光等。超精密加工的最终目标是直接操纵原则，本文还介绍了用扫描隧道显微镜（STM）实现亚纳米级超精密加工的可能性。亚纳米级超精密加工技术将成为下个世纪重要的高技术。     

金刚石复合折射透镜的设计及加工初探

复合折射透镜（compound refractive lens, CRL）因具有结构紧凑、焦距可调、准直方便等优点,被用作硬X射线自由电子激光（X-ray free electron laser, XFEL）装置的光束聚焦器件。面向XFEL光束高精度聚焦对高性能CRL的实际需求,从CRL的几何结构设计原理出发,分析了不同材料CRL的性能参数,证明了单晶金刚石材料是适用于XFEL光束聚焦的CRL优选材料。同时,考虑超硬金刚石材料的难加工特性以及低重频钛宝石飞秒激光不能实现大厚度材料高效加工的实际问题,探索了高重频光纤飞秒激光对大厚度单晶金刚石材料进行高效加工的可行性。研究结果表明,高重频飞秒激光精密加工技术是实现金刚石CRL制备的有效手段。     

用金刚石车削技术制备EOS实验用铝薄膜和铜薄膜

 具有材料理论密度的金属薄膜对于材料高压状态方程(EOS)研究而言具有重要的意义。本文提出采用金刚石车削技术，利用超精密金刚石车床、金刚石圆弧刀具及真空吸附夹持技术，对纯铝和无氧铜进行端面车削，完成了EOS实验用铝薄膜和铜薄膜的车削加工，实现了薄膜密度接近材料理论密度。精加工工艺参数为：进给量0.001 mm/r，主轴转速3000 r/min，切削深度1 μm。采用Form Talysurf series 2型触针式轮廓仪进行测量，结果表明：铝薄膜、铜薄膜厚度可以达到小于10 μm水平，表面均方根粗糙度小于5 nm，原始最大轮廓峰-谷高度小于50 nm，厚度一致性好于99%。     

激光核聚变光学元件超精密加工技术的研究

论述了脆性材料延性加工机理。应用超精密加工技术解决了激光核聚变光学元件的大批量加工问题。研究了平面光学元件、KDP晶体和方形透镜超精密加工技术,给出了这三类光学元件超精密加工的工艺过程、机床设计准则和最佳工艺参数。     

切削参数对新型光学铝级金刚石车削刀具磨损的影响

光学器件和光学测量系统的关键部件主要通过超精密加工制造。铝合金具有很多优势,通常用于光子产业。光学领域对铝合金使用和需求的不断增加,促进了在铸造过程中采用快速凝固技术对铝合金等级重新改良的发展。优异的微观结构和改进的机械和物理性能是新型铝合金等级的特点。目前主要问题在于采用金刚石车削时,由于在切削性方面缺乏对铝合金性能的充分研究,导致机械加工数据库非常有限。本文通过改变金刚石的切削参数,测量切齿安装距超过4km时金刚石刀具的磨损,研究了快速凝固铝合金RSA 905的切削性能。改变的机械加工参数为切削速度、进给速度和切削深度。结果表明切削速度对金刚石刀具的磨损影响最大。主轴转速为500rpm、进给速度为25mm/min、切削深度为15μm时,刀具磨损达到最大值12.2μm;主轴转速为1750rpm、进给速度为5mm/min、切削深度为5μm时,刀具磨损达到最小值2.45μm。通常,较高的切削速度、较低的进给速度和较短的切削深度的组合可以减少金刚石刀具磨损。建立了模型统计以分析金刚石刀具磨损。通过该模型可以生成磨损图,从而确定切削参数产生最小磨损的区域。结果证明,快速凝固铝是更好的选择,为机械工程师使用这种材料提供了参考。     

单点金刚石机床及其在光学工程领域的应用

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。     

单点金刚石机床及其在光学工程领域的应用

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。     

KDP晶体单点金刚石切削表面粗糙度预测及实验研究

采用单点金刚石切削的方法加工了KDP晶体,利用回归分析的方法建立了表面粗糙度预测模型,达到了在加工前设计、预测和控制表面粗糙度的目的。利用预测模型分析了进给量、切削速度、背吃刀量对表面粗糙度的影响。通过优化设计获得了KDP晶体在该条件下的最佳切削参数,得到的表面粗糙度的最佳估计值为6.3389nm。利用最佳的切削工艺参数,加工出了表面粗糙度值为6.895nm的超光滑表面。     

单点金刚石超精密车削快点火靶丸微孔精度控制北大核心CSCD

研究了单点金刚石超精密车削技术(SPDT)加工靶丸微孔中的精度控制方法,建立了靶丸微孔加工误差的仿真模型,并理论分析了不同误差因素对微孔尺寸误差的影响规律;根据误差分析结果提出了基于刀具阶梯进给运动方式的微孔精度控制方法,用以控制靶丸微孔精度;在单点金刚石超精密车床上进行了辉光放电聚合物(GDP)靶丸微孔的车削实验,实验结果表明:采用该精度控制方法,靶丸微孔尺寸误差和圆度误差分别降低了70.7%和87.5%,实验结果表明了所提出方法的有效性。     

超光滑表面及其制造技术的发展

超光滑表面制造技术是超精密加工技术的一个重要分支。通过介绍超光滑表面的特征、应用及其制造技术的发展,希望给出超光滑表面技术的整体轮廓。在介绍超光滑表面的概念及其主要特征的基础上,通过典型例证指出了超光滑表面的软X射线光学、激光陀螺等科技领域的重要应用。回顾了超光滑表面制造技术的发展过程,对各种超光滑表面加工原理与方法进行了简单描述与评价。最后提出了对超光滑表面制造技术的发趋势的观点。     

飞切加工KDP晶体的工艺研究北大核心CSCD

KDP晶体在惯性约束核聚变光学系统中具有十分重要的作用,针对如何制造出满足应用要求的KDP晶体元件仍然是一个难点的问题。进行了采用飞切加工技术对KDP晶体平面元件的加工工艺研究。介绍了飞切加工的技术原理,以及影响表面粗糙度的因素;通过相应的工艺实验,对KDP晶体加工检测过程中可能影响表面粗糙度的各个因素进行了研究。实验结果表明:金刚石刀具参数、加工参数、以及加工后表面清洁方式都会影响表面粗糙度,但是金刚石刀具参数对表面粗糙度的影响最大。采用前角为-45°、圆弧半径为5.0mm的金刚石刀具,以及最优的加工参数,可以获得表面粗糙度Sa优于1nm的超光滑表面。研究结果对飞切加工KDP晶体平面元件提供了有效的工艺方案,具有广泛的工程应用价值。     

切削用量对铝靶表面质量的影响

 采用单点金刚石切削技术，完成了对ICF实验用铝靶的切削加工，重点研究了切削用量对加工表面质量的影响。实验结果表明：采用较小的进给速度，较大的主轴转速能够获得较低的表面粗糙度，切削深度对表面质量影响较小。通过Form Talysurf 表面轮廓仪测量，结果表明表面粗糙度小于50 nm。