２００７年２月；第４３卷第１期；航空精密制造技术；ＡＶＩＡＴＩＯＮＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＡＮＵＦＡＣ；Ｆｅｂ．２００７Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．１；综述；金刚石超精密切削刀具技术概述＊；罗松保１，２；（１．北京航空精密机械研究所北京，１０００７６；；［摘要］分析了国内外金刚石超精密切削刀具技术的发；金刚石超精密切削刀具的选择以及金刚石超精密切削刀；［关键词］金刚石；超
２００７年２月
第４３卷第１期
航空精密制造技术
ＡＶＩＡＴＩＯＮＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｆｅｂ．２００７Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．１
金刚石超精密切削刀具技术概述＊
罗松保１，２
（１．北京航空精密机械研究所北京，１０００７６；２．中南大学机电工程学院湖南长沙，４１００８３）
［摘要］分析了国内外金刚石超精密切削刀具技术的发展概况，并从金刚石超精密切削刀具的精度控制、
金刚石超精密切削刀具的选择以及金刚石超精密切削刀具的制造技术等方面进行了探讨。
［关键词］金刚石；超精密；切削；刀具［中图分类号］ＴＧ７１１［文献标识码］Ａ
［文章编号］１００３－５４５１（２００７）０１－０００１－０４
ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＤｉａｍｏｎｄＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＴｕｒｎｉｎｇＴｏｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＬＵＯＳｏｎｇｂａｏ１，２
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＡｉｒｃｒａｆｔＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３）
［Ａｂａｔｒａｃｔ］
Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｂｒｉｅｆｌｙｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｄｉａｍｏｎｄｕｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｕｒｎｉｎｇｔｏｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｉｔ
ｅｌａｂｏｒａｔｅｓｉｎｄｅｔａｉｌｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏｏｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｄｉａｍｏｎｄｕｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｕｒｎｉｎｇｔｏｏｌ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｄｉａｍｏｎｄ；ｕｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｔｕｒｎｉｎｇ；ｔｏｏｌ
超精密加工技术是适应现代高科技的需要而发
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，直接利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。
金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构属原子密度最高的等轴面心立方晶系。金刚石晶体中碳原子间的连接键为ＳＰ３杂化共价键，具有极强的结合力、稳定性和方向性。金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度、刚性、折射率和导热系数，以及极高的抗磨损性、抗腐蚀性及化学稳定性。单晶金刚石的优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，是理想的超精密切削刀
展起来的先进制造技术，是高科技尖端产品开发中不可或缺的关键技术，是一个国家制造业水平重要标志，是先进制造技术基础和关键，是新技术的生长点，也是装备现代化不可缺少的关键技术之一，在军用和民用工业中有着十分广阔的应用前景。
金刚石超精密切削技术，包括金刚石超精密车削技术（ＳＰＤＴ，ＳｉｎｇｌｅＰｏｉｎｔＤｉａｍｏｎｄＴｕｒｎｉｎｇ）和金刚石超精密铣削（飞切）技术（ＳＰＤＦ，ＳｉｎｇｌｅＰｏｉｎｔ
ＤｉａｍｏｎｄＦｌｙｃｕｔｔｉｎｇ），是超精密加工技术的重要分
应用最为广泛支，也是超精密加工技术发展最早的、
的技术之一。金刚石超精密切削技术是在超精密
＊中国博士后科学基金（２００４０３５０８６），航空科学基金
金刚石超精密切削刀具技术概述
具材料。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。
目前，采用金刚石切削技术可以加工的材料有：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。
超精密加工的最终精度误差来源较多，其中包括机床本身的误差、工件安装精度、刀具调整精度、环境条件（温度、湿度、洁净度以及振动等）以及刀具精度。相对于其它不确定、随机误差而言，刀具的精度则是可以控制和预测的。超精密加工中合理正确地选择、使用刀具，可以有效地提高工件的制造精度、降低生产成本，优化生产过程。
应，与黑色金属（铁碳合金）在加工中会发生化学磨损，所以，金刚石只能用于加工有色金属和非金属材料上，不能用于加工黑色金属。
而ＣＢＮ（ＰＣＢＮ）是目前硬度仅次于金刚石的刀具材料，有很好的化学稳定性，不会和铁系材料产生亲和现象，即使在１０００℃的高温下，切削黑色金属也完全能胜任，因此可以用于加工那些不能用金刚石刀具加工的铁系金属材料，如钛合金、碳钢、高速钢、工具钢、模具钢、合金结构钢、铸铁、淬硬钢等。这两种材料的同时存在，起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工，对整个切削加工领域极为有利。
２超精密金刚石切削刀具的精度控制
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，有时亦柱面以及锥面等简称为修光刃，主要用于加工平面、
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（ＯＳＡＫＡ
ＤＩＡＭＯＮＤ）在数年前就能达到Ｒ±０．０５μｍ，英国则更
高，达到Ｒ±０．０２μｍ。
金刚石圆弧刀具按后刀面形状分为圆锥控制（ＣｏｎｉｃａｌＣｌｅａｒａｎｃｅ）
金刚石超精密车削功能
金刚石超精密铣削功能
和圆柱控制（Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ
Ｃｌｅａｒａｎｃｅ）。其中圆锥后刀面的刀具具有以下特点：
其刀尖圆弧是一段真正的圆弧；在不同的刀尖圆弧位置时，刀具后角均保持一致；每经过一次刃磨后的刀尖圆弧半径将逐渐减少，其切削圆弧长度也相应减少。而圆柱后刀面的刀具具有以下特点：其刀尖圆弧不是一段真正的圆弧，而是一段椭圆弧（例如，对于圆弧半径为０．５ｍｍ，包角为１００°，后角为１２．５°，前角为０°的刀具来说，其椭圆形状刃口误差与真正的圆弧刃口的理论误差可以达到０．４μｍ）；在不同的刀尖圆弧位置时，刀具后角有所不同，越往两侧面时角度越小；每经过一次刃磨后的刀尖圆弧半径将保持不变。按刀尖圆弧精度控制情况又可以分为控制波纹度（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＷａｖｉｎｅｓｓ）和非控制波纹度（
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。
众所周知，金刚石材料的化学成分是碳，它与铁系有亲和力，切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于７００℃，否则会发因为金刚石在高温生石墨化现象，工具会很快磨损。
下和Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐｔ等会发生反
《航空精密制造技术》２００７年第４３卷第１
为５￣１０ｍｍ）、采用圆柱控制后刀面的刀具即可。而对于粗加工以及不需要两轴联动加工的单轴加工，也可以使用圆弧刃口精度稍低的刀具，甚至还可以使用非控制波纹度刀具，以降低刀具使用成本。
超精密切削刀具前角需要根据加工的材料不同进行选择，其规律如图５所示：
圆锥控制后刀面金刚石刀具
圆柱控制后刀面金刚石刀具
ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＷａｖｉｎｅｓｓ）两种。超精密金刚石刀具刀尖
圆弧半径的准确度（圆度）将影响所加工工件面形精度，尤其是在加工曲面而需要使用刀尖的一段圆弧时。而刀尖圆弧的波纹度（粗糙度）将主要影响所加工工件的表面粗糙度。ＣＢＮ（ＰＣＢＮ）刀具后刀面也有圆柱、圆锥控制之分，圆弧轮廓度也有控制、非控制之分。
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。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。而相应地，刀具价格则随着精度的提高而逐渐提高。
超精密金刚石切削刀具的前角选择
以下为几例刀具选用实例：
铜、镍（精加工）&加工铝、!
选用０°前角刀具，刀具半径ｒ＝０．５或１．０ｍｍ或
，采用圆锥或者圆柱控制精１．５ｍｍ，有效包角为１００°
度，刀具刃口波纹度选用０．５μｍ或０．２５μｍ。
Ｇｅ、Ｓｉ等）&加工晶体（如ＺｎＳ、#
采用负前角刀具（前角为－２５°），刀具半径为ｒ＝
，采用圆柱控制０．６５ｍｍ或１．０ｍｍ，有效包角为１００°
精度（或者圆锥控制精度），刀具刃口波纹度选用０．７μｍ或１．０μｍ。
３超精密金刚石切削刀具的选择
在选择超精密切削金刚石刀具时，应根据所加
４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
工的材料种类、所加工的面形形状以及精度（面形精度和表面粗糙度）选择适当的金刚石刀具，主要考虑以下因素：!&刀具切削刃的种类，即圆弧刃还是直线刃；#后角；$&刀具几何角度，即前角、&圆弧刀具的圆弧半径大小；%&圆弧刀具的后刀面形状，即圆锥控制还是圆柱控制；&&圆弧刀具的刀尖圆弧精度，即控制波纹度还是非控制波纹度，如果是控制控制波纹度，其精度是多少；’&圆弧刀具的有效切削圆弧的包角大小（直线刃刀具的修光刃的长度）；(&必要时需要考虑刃口钝圆半径的大小（衡量金刚石刀具锋利度的一个重要指标）；)&刀具本身的价格。
单点金刚石飞切由于其加工特点决定了刀具与工件的的接触点保持不变，所以选用半径稍大（通常
的技艺，为了获得更高精度的切削刃口圆弧半径，特别是精度小于０．０５μｍ以下时，对研磨机提出了相当严格的要求，必须有极高回转精度的主轴轴系，更多是采用空气轴承作为支承，研磨盘必须能在机床上加以修平，使其端面跳动控制在０．５μｍ以下。近来，金刚石切削工具的刃磨已引起人们的关切，新的刃磨方案相继提出，其中热化学方法介绍颇多，如日本东京工业大学吉川昌范教授用加热到８００℃的铸铁盘来实施。在加速研磨的设想方面认为，研磨工作量的７０％在粗研，所以可以用热化学方法先去除大部分的留量，然后再精研，可大幅度提高金刚石刀具刃磨的工效。
金刚石刀具钝圆半径一直在向更小的方
金刚石超精密切削刀具技术概述
向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙度。目前，其钝圆半径甚至可以达到连扫描电子显微镜（ＳＥＭ）也无法检测的程度。据日本大阪大学井川直哉教授介绍，最小可达２～４ｎｍ（通过切削获得的厚为１ｎｍ的切屑推算），这是当前的最高水平。１９８６年日本专门成立了一个金刚石刀尖评价委员会，来解决刀尖的测量问题，直至今天仍然没有很好解决，只是从０．０５μｍ提高到２０～４０ｎｍ。１９９２年东芝机械的浅井昭一也曾提出过利用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）或原子力显微镜（ＡＦＭ）进行检测的建议，但是并没有再报道过。１９９６年，我国华中理工大学发表了用
刀具刃口轮廓检测在８００×放大镜下无缺陷，包角为１００°（使用单晶金刚石）或者１２０°（包角在１２０°及以上时需使用多晶金刚石），圆弧轮廓精度通常可以达到优于０．２５μｍ，必要时可以做到０．０５μｍ；刀具前角：－２５￣５°，后角为５￣１５°；刀具圆弧半径范围为
０．０２￣１００ｍｍ（其中Ｒ５－１００ｍｍ供飞切时使用；
Ｒ０．０５￣２．５ｍｍ供预精加工和单轴加工时使用）。$日本ＯＳＡＫＡＤＩＡＭＯＮＤＵＬＴＲＡＰＲＥＣＩＳＩＯＮ#
ＣＵＴＴＩＮＧＴＯＯＬＳ刀具情况
刀具刃口经过ＳＥＭ２０，０００倍放大检测无缺
陷，自行开发的分辨率为５ｎｍ的测量系统记录每一个刃口报告，圆弧轮廓精度在０．０５￣２μ包ｍ（９０￣１５０°，后角为０￣２０°；刀具角范围）；刀具前角为－３０￣１０°圆弧半径范围为０．０１￣２００ｍｍ。
尽管国内相关单位近期进口了数台超精密圆弧刃金刚石刀具刃磨机，但由于对设备本身缺乏系统了解，以及对超精密刀具刃磨工艺掌握还很不深入，目前还很难依靠自己力量制造出高精度的圆弧刃金刚石刀具。所以还需要对引进设备硬件本身进行系统研究，同时对超精密刃磨工艺系统作深入、系统的探索。同时，我们还需要积极研发具有自主知识产权的超精密圆弧刃金刚石刀具刃磨技术。
参考文献：（略）
（收稿日期２００６－１２－０２）
ＡＦＭ检测的报道。１９９８年，哈工大又再次作了报道，
检测技术的突用ＡＦＭ成功地检测了刃口圆弧半径。破，为进一步探索微量切削机理创造了条件。
目前国内还没有开发成功用于光学零件ＣＮＣ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。国内超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，如日本ＯＳＡＫＡＤＩＡＭＯＮＤＵＬＴＲＡＰＲＥＣＩＳＩＯＮ
ＣＵＴＴＩＮＧＴＯＯＬＳ刀具公司、英国ＣＯＮＴＯＵＲＦＩＮＥ
供货周期长。而刀ＴＯＯＬＩＮＧ刀具公司等，价格昂贵、
具使用一定时间后，需要重新刃磨时还需要寄往厂供货周期长的家进行精度修复，同样存在价格昂贵、问题。
#&英国ＣＯＮＴＯＵＲＦＩＮＥＴＯＯＬＩＮＧ生产的商用
超精密金刚石刀具情况
作者简介：罗松保（１９６８－），男，研究员，中南大学在站博士后，主要从事超精密加工理论与技术的研究工作。
派生式工艺设计(DeriveTypeTechnologyDesign,DTTD)
ＤＴＴＤ是指利用零件的工艺相似性，通过检索
和修改标准工艺（典型工艺）来制订相应的工艺。故也称之为检索式工艺设计。建立这类系统时，要对现有零件按相似性原则进行分组，形成零件族，建立零件族特征矩阵。为每个零件族制订典型工艺及相应的检索方法与逻辑。这些信息数据均预先存入计算
机数据库中。在为某一个具体零件进行工艺过程设计时，首先输入零件的几何和工艺特征信息，通过对零件族特征矩阵的检索，查明此零件所属零件族，并调出相应的典型工艺，然后再根据具体的加工要求，对典型工艺进行删选编辑，以获得具体零件的工艺过程。
包含各类专业文献、生活休闲娱乐、文学作品欣赏、各类资格考试、外语学习资料、行业资料、应用写作文书、98金刚石超精密切削刀具技术概述等内容。　
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