金刚石超精密加工浅析
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• • • • • 刀具切削刃的种类, 即圆弧刃还是直线刃 刀具几何角度, 即前角、 后角 圆弧刀具的圆弧半径大小 圆弧刀具的后刀面形状, 即圆锥控制还是圆柱控制; 圆弧刀具的刀尖圆弧精度, 即控制波纹度还是非控 制波纹度, 如果是控制控制波纹度,其精度是多少; • 圆弧刀具的有效切削圆弧的包角大小(直线刃刀具 的修光刃的长度) ; • 必要时需要考虑刃口钝圆半径的大小 (衡量金刚石 刀具锋利度的一个重要指标) • 刀具本身的价格。
金刚石车床
金刚石切削技术可以加工的材料
• 塑性材料, 如有色金属(铜、 铝合金等)、 金、 银、 无电镍、 有机玻璃、 各种塑料制品 (照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片)等; 脆 性材料, 如硅、 锗、 红外光学晶体(碲镉汞、 锑化镉、 多晶硅、 硫化锌、 硒化锌、 氯 化钠、氯化钾、 氯化锶、 氟化镁、 氟化钙、 铌酸锂、 KDP晶体等)。 上述材料经过金刚 石超精密切削加工均可直接达到光学表面 质量要求。
• 一般来说, 圆弧刃刀具的价格高于直线刃刀 具,圆锥控制刀具的价格高于圆柱控制刀具, 控制控制波纹度刀具的价格高于非控制波 纹度刀具。
金刚石刀具精度
• 超精密金刚石刀具的精度顺序大致为: 直线 刃刀具精度<圆柱非控制波纹度刀具精度< 圆柱控制波纹度刀具精度<圆锥控制波纹度 刀具精度。
超精密金刚石切削刀具的选择
金刚石超精密切削技术
• 包括金刚石超精密车削技术( SPDT, Single Point Diamond Turning)和金刚石超精密铣削 ( 飞切) 技术 ( SPDF, Single PointDiamond Flycutting) , 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。 金刚石超精密切削 技术是在超精密数控车床上, 采用具有纳米级锋利度 的天然单晶金刚石刀具, 在对机床和加工环境进行精 确控制条件下, 直接用金刚石刀具单点切削加工出符 合光学质量要求的光学零件。金刚石刀具具有较高 的耐磨性及形状再现性。金刚石超精密加工的切削 深度一般在微米量级, 可加工出微米及亚微米级的形 状精度及纳米级表面粗糙度的精密工件。
金刚石刀具分类
• 金刚石刀具根据其切削刃的形状可以分为两种, 一 是圆弧刃, 可用于加工各种形状的工件, 尤其适用 于加工复杂曲面的工件 • 另一为直线刃, 有时亦称为修光刃, 主要用于加工 平面、 柱面以及锥面等简单规则形状的工件。 • 圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单, 但应用于 高精度曲面加工时, 圆弧的刃磨要求很严格, 它的 精度会直接 “复印” 到所加工的曲面上。 据资 料表明, 日本大阪金刚石制作所 (OSAKADIAMOND)在数年前就能达到 R± 0.05μ m,英国则更高, 达到 R± 0.02μ m。
国内情况
目前国内还没有开发成功用于光学零件 CN 超精密确定性加工专用刀具的制造技术, 特 别是超精密圆弧金刚石刀具的制造及刃磨 技术。国内精密加工所使用的超精密圆弧 刃刀具基本上都是从世界上几个著名的超 精密金刚石刀具制造商花高价购买, 价格昂 贵、供货周期长。而刀具使用一定时间后, 需要重新刃磨时还需要寄往厂家进行精度 修复,同样存在价格昂贵、供货周期长的问 题。
• 金刚石刀具钝圆半径一直在向更小的方向 发展, 因为它的大小直接影响到被加工表面 的粗糙度。目前, 其钝圆半径甚至可以达到 连扫描电子显微镜( SEM)也无法检测的程 (分辨率达3nm)。据日本大阪大学井川直哉 教授介绍, 最小可达 2～ 4nm(通过切削获得 的厚为 1nm的切屑推算) ,这是当前的最高 水平。
超精密金刚石切削刀具的制造技术
• 超精密金刚石切削工具的高精度刃磨需要 高超的技艺, 为了获得更高精度的切削刃口 圆弧半径, 特别是精度小于 0.05um以下时, 对研磨机提出了当严格的要求, 必须有极高 回转精度的主轴轴系, 更多是采用空气轴承 作为支承, 研磨盘必须能在机床上加以修平, 使其端面跳动控制在 0.5um以下。
金刚石圆弧刀具
• 圆锥控制(Conical Cleawk.baidu.comance)
• 圆 柱 控 制 (CylindricalClearance)。
按刀尖圆弧精度控制情况分类
• 控制波纹度( Controlled Waviness) • 非控制波纹度(Non-Controlled Waviness)
金刚石刀具的价格
金刚石超精密加工浅析
张琼宇
引言
• 硬盘制造工艺引发的对现代加工工艺的思 考
• 早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面 上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头 在盘面上的飞行高度降到约0.1μm～0.5μm， 现在的水平已经达到 0.005μm～0.01μm， 这只是人类头发直径的千分之一
硬盘盘片
• 由于硬盘材料为铝合金（热膨胀系数低） 所以一般采用专用的金刚石车刀对原材料 进行镜面车削以达到要求 。
金刚石车床
金刚石切削技术可以加工的材料
• 塑性材料, 如有色金属(铜、 铝合金等)、 金、 银、 无电镍、 有机玻璃、 各种塑料制品 (照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片)等; 脆 性材料, 如硅、 锗、 红外光学晶体(碲镉汞、 锑化镉、 多晶硅、 硫化锌、 硒化锌、 氯 化钠、氯化钾、 氯化锶、 氟化镁、 氟化钙、 铌酸锂、 KDP晶体等)。 上述材料经过金刚 石超精密切削加工均可直接达到光学表面 质量要求。
• 一般来说, 圆弧刃刀具的价格高于直线刃刀 具,圆锥控制刀具的价格高于圆柱控制刀具, 控制控制波纹度刀具的价格高于非控制波 纹度刀具。
金刚石刀具精度
• 超精密金刚石刀具的精度顺序大致为: 直线 刃刀具精度<圆柱非控制波纹度刀具精度< 圆柱控制波纹度刀具精度<圆锥控制波纹度 刀具精度。
超精密金刚石切削刀具的选择
金刚石超精密切削技术
• 包括金刚石超精密车削技术( SPDT, Single Point Diamond Turning)和金刚石超精密铣削 ( 飞切) 技术 ( SPDF, Single PointDiamond Flycutting) , 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。 金刚石超精密切削 技术是在超精密数控车床上, 采用具有纳米级锋利度 的天然单晶金刚石刀具, 在对机床和加工环境进行精 确控制条件下, 直接用金刚石刀具单点切削加工出符 合光学质量要求的光学零件。金刚石刀具具有较高 的耐磨性及形状再现性。金刚石超精密加工的切削 深度一般在微米量级, 可加工出微米及亚微米级的形 状精度及纳米级表面粗糙度的精密工件。
金刚石刀具分类
• 金刚石刀具根据其切削刃的形状可以分为两种, 一 是圆弧刃, 可用于加工各种形状的工件, 尤其适用 于加工复杂曲面的工件 • 另一为直线刃, 有时亦称为修光刃, 主要用于加工 平面、 柱面以及锥面等简单规则形状的工件。 • 圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单, 但应用于 高精度曲面加工时, 圆弧的刃磨要求很严格, 它的 精度会直接 “复印” 到所加工的曲面上。 据资 料表明, 日本大阪金刚石制作所 (OSAKADIAMOND)在数年前就能达到 R± 0.05μ m,英国则更高, 达到 R± 0.02μ m。
国内情况
目前国内还没有开发成功用于光学零件 CN 超精密确定性加工专用刀具的制造技术, 特 别是超精密圆弧金刚石刀具的制造及刃磨 技术。国内精密加工所使用的超精密圆弧 刃刀具基本上都是从世界上几个著名的超 精密金刚石刀具制造商花高价购买, 价格昂 贵、供货周期长。而刀具使用一定时间后, 需要重新刃磨时还需要寄往厂家进行精度 修复,同样存在价格昂贵、供货周期长的问 题。
• 金刚石刀具钝圆半径一直在向更小的方向 发展, 因为它的大小直接影响到被加工表面 的粗糙度。目前, 其钝圆半径甚至可以达到 连扫描电子显微镜( SEM)也无法检测的程 (分辨率达3nm)。据日本大阪大学井川直哉 教授介绍, 最小可达 2～ 4nm(通过切削获得 的厚为 1nm的切屑推算) ,这是当前的最高 水平。
超精密金刚石切削刀具的制造技术
• 超精密金刚石切削工具的高精度刃磨需要 高超的技艺, 为了获得更高精度的切削刃口 圆弧半径, 特别是精度小于 0.05um以下时, 对研磨机提出了当严格的要求, 必须有极高 回转精度的主轴轴系, 更多是采用空气轴承 作为支承, 研磨盘必须能在机床上加以修平, 使其端面跳动控制在 0.5um以下。
金刚石圆弧刀具
• 圆锥控制(Conical Cleawk.baidu.comance)
• 圆 柱 控 制 (CylindricalClearance)。
按刀尖圆弧精度控制情况分类
• 控制波纹度( Controlled Waviness) • 非控制波纹度(Non-Controlled Waviness)
金刚石刀具的价格
金刚石超精密加工浅析
张琼宇
引言
• 硬盘制造工艺引发的对现代加工工艺的思 考
• 早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面 上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头 在盘面上的飞行高度降到约0.1μm～0.5μm， 现在的水平已经达到 0.005μm～0.01μm， 这只是人类头发直径的千分之一
硬盘盘片
• 由于硬盘材料为铝合金（热膨胀系数低） 所以一般采用专用的金刚石车刀对原材料 进行镜面车削以达到要求 。