李 翰,郭琪磊

(深圳市永存金剛石工具有限公司，廣東 深圳 518104)

金剛石在光學(xué)高速冷加工中的應(yīng)用

李 翰,郭琪磊

(深圳市永存金剛石工具有限公司，廣東 深圳 518104)

光學(xué)元件的加工，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，一直采用古典法——自由研磨。這種方法效率低下，品質(zhì)難以保證。打自人工合成金剛石問(wèn)世以來(lái)，金剛石這種超硬材料由于可以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，乃至價(jià)格出人意外的便宜，并且在市場(chǎng)上能輕易得到，這就為光學(xué)元件高速冷加工提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。文章介紹了金剛石在光學(xué)元件高速冷加工中的應(yīng)用以及它高速質(zhì)優(yōu)的工藝特點(diǎn)。

金剛石 ；光學(xué)元件；高速冷加工；銑磨；精磨；超精磨

1 光學(xué)材料和光學(xué)元件

1.1 光學(xué)材料

光學(xué)材料種類(lèi)很多，主要是下列材料。

(1)以藍(lán)寶石(Al2O3)、水晶(SiO2)、氧化鎂(MgO)、金紅石(TiO2)為主的單晶氧化物。在可見(jiàn)和近紅外波段光譜區(qū)，透光性好，常用來(lái)加工制作用于紫外到紅外光譜區(qū)的光學(xué)元件。

(2)以氟化鎂(MgF2)、氟化鈣(CaF2)、氟化鋇(BaF2)為主的單晶氟化物。在紫外、可見(jiàn)和紅外波段光譜區(qū)，有較高透光率、低折射率和低反射系數(shù)，常用來(lái)加工和制作紫外、紅外窗口和激光輸出窗口的光學(xué)元件。

(3)以鍺(Ge)、硅(Si)、化學(xué)元素在Ⅱ—Ⅵ族為主的半導(dǎo)體單晶材料以及金剛石等?？捎米黾t外窗口材料、紅外濾光片及其它光學(xué)元件。

(4)用上述單晶氧化物、單晶氟化物、半導(dǎo)體材料粉為原料，經(jīng)壓制、燒結(jié)所獲取的多晶材料?？捎米魈厥庑枰拇翱谄凸鈱W(xué)元件。

(5)微晶光學(xué)玻璃(玻璃陶瓷)材料。它是具有玻璃態(tài)和微晶態(tài)兩相的光學(xué)材料。它的特點(diǎn)是膨脹系數(shù)小，接近零。用來(lái)制作平面、樣板和大型反射鏡。

(6)有色光學(xué)玻璃。有色光學(xué)玻璃有離子著色玻璃、中性玻璃和硒鎘玻璃幾種。離子著色是在玻璃中添加鈷(Co)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、銅(Cu)等金屬氧化物著色劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)檫@些著色劑在玻璃中呈現(xiàn)離子狀態(tài)，故稱(chēng)離子著色玻璃。這些著色離子對(duì)入射光波起著“攔截”或“透過(guò)”作用，從而產(chǎn)生單一光束。如添加氧化物鎳，玻璃呈紫色或棕色；若添加氧化鈷，玻璃就呈藍(lán)色。如此等等。

中性玻璃也屬于離子著色玻璃。它具有均勻降低光源的光強(qiáng)而同時(shí)又不改變其光譜成分的特征。

硒鎘玻璃著色劑為硒化鎘和硫化鎘，它的特點(diǎn)是這些著色劑在玻璃中呈膠狀體。

(7)光學(xué)塑料(高分子有機(jī)聚合物)。光學(xué)塑料有聚甲丙烯酸甲酯(PMMA,俗稱(chēng)有機(jī)玻璃)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙基二甘醇酸酯(CR39)、丙烯酸和苯乙烯聚合物(NAS)、丙烯腈和苯乙烯聚合物(SAN)、衣康酸單脂金屬鹽等。

(8)以銅(Cu)、鋁(Al)、金(Ag)、銀(Au)、鉬(Mo)、硒化鋅/鍺(ZnSe/Ge)為主的金屬及金屬化合物材料。主要用于濾光片、添加劑、鍍膜以及作光學(xué)元件基底。

(9)鑭系光學(xué)材料和氟磷酸鹽光學(xué)材料。

1.2 光學(xué)元件

組成光學(xué)系統(tǒng)的最基本的光學(xué)元件有：光學(xué)透鏡、光學(xué)棱鏡、光學(xué)窗口鏡、光學(xué)濾光片、光學(xué)反射鏡、分劃板、波片、球罩、光學(xué)膠合透鏡、光學(xué)分光鏡。

(1)光學(xué)透鏡。光學(xué)透鏡是組成光學(xué)系統(tǒng)的最基本的光學(xué)元件。光學(xué)透鏡有球面透鏡、消色差透鏡、柱面鏡和非球面透鏡。

a)球面透鏡。球面透鏡是基礎(chǔ)光學(xué)元件之一，有平凸球面透鏡、平凹球面透鏡、雙凸球面透鏡、雙凹球面透鏡、正彎月球面透鏡、負(fù)彎月球面透鏡等。見(jiàn)圖1。

圖1 球面透鏡Fig.1 Spherical lens

b)柱面透鏡。柱面透鏡的X軸和Y軸的半徑不同，因此，透鏡的形狀為柱面或半柱面，而且只有單一光軸有圖像放大倍率。下有平凸柱面透鏡、平凹柱面透鏡、雙凸柱面透鏡、雙凹柱面透鏡、彎月柱面透鏡、非球面柱面透鏡、圓柱鏡(棒鏡)。見(jiàn)圖2。

c)非球面透鏡。非球面透鏡是用于光匯聚的單一透鏡。它的面形有拋物面、橢圓球面和雙曲面。見(jiàn)圖3。

圖2 柱面透鏡Fig.2 Cylindrical lens

圖3 非球面透鏡Fig.3 Aspheric lens

圖4 消色差透鏡Fig.4 Achromatic len

d)消色差透鏡。消色差透鏡是一種把低色散的冕牌玻璃正透鏡和高色散的火石玻璃負(fù)透鏡粘接而成的一種光學(xué)元件。見(jiàn)圖4。

光學(xué)透鏡鏡片廣泛用于望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)鏡、近視鏡、放大鏡、顯微鏡、照相機(jī)鏡頭、光接收器和聚光鏡、光電儀器、半導(dǎo)體激光器、線性探測(cè)器照明、條形碼掃描、全息照明、光信息處理、計(jì)算機(jī)、激光發(fā)射等領(lǐng)域。

(2)光學(xué)棱鏡。光學(xué)棱鏡是透明材料(如玻璃、水晶)做成的實(shí)心多面體光學(xué)元件。光學(xué)棱鏡有直角棱鏡、五角棱鏡、道威棱鏡、屋脊棱鏡、角錐棱鏡、楔鏡、等邊棱鏡和立方體境。見(jiàn)圖5。

圖5 光學(xué)棱鏡Fig.5 Optical prism

光學(xué)棱鏡鏡片廣泛用于望遠(yuǎn)鏡、潛望鏡、雙目望遠(yuǎn)鏡導(dǎo)線控制測(cè)量、顯微鏡、水準(zhǔn)儀、槍械瞄準(zhǔn)鏡、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器、照相機(jī)、光電儀器、半導(dǎo)體激光器、照相機(jī)取景器、膀胱鏡、胃鏡、各類(lèi)激光治療設(shè)備、圖像觀察系統(tǒng)、各類(lèi)測(cè)量?jī)x器。

(3)光學(xué)窗口鏡。窗口鏡是掃描透鏡的保護(hù)鏡，通常由紅外高透材料鍺(Ge)、硅(Si)、氟化鈣(CaF2)、硒化鋅(ZnSe)來(lái)制作，種類(lèi)有紫外光學(xué)窗口、可見(jiàn)光光學(xué)窗口和紅外光學(xué)窗口。為了減少反射而產(chǎn)生的損耗，通常在其表面涂上一層增透膜，見(jiàn)圖6。

圖6 光學(xué)窗口鏡Fig.6 The optical window lens

光學(xué)窗口鏡用于雕刻、打標(biāo)、鉆孔、激光切割及其他激光加工工業(yè)中。

(4)光學(xué)濾光片。濾光片是利用光學(xué)材料(玻璃或塑料)并在其中加入特種元素和染料后，實(shí)現(xiàn)單一光束通過(guò)的光學(xué)鏡片。

自然光看起來(lái)是白的，實(shí)際上它是由七種光組成的。濾光片的作用是，當(dāng)自然光束通過(guò)紅色濾光片時(shí)，只能讓紅光通過(guò)，其它顏色光被吸收，空間出現(xiàn)的只是紅光；當(dāng)自然光束通過(guò)藍(lán)色濾光片時(shí)，只能讓藍(lán)光通過(guò)，其他顏色的光被吸收，空間出現(xiàn)的只是藍(lán)光。如此類(lèi)推。濾光片有長(zhǎng)/短波通濾光片，帶通濾光片、有色濾光片、中性密度濾光片、生物濾光片、鍍膜有色濾光片。

濾光片用于成像、探測(cè)、安防、監(jiān)控、紅外傳輸、紅外遙控器等領(lǐng)域。

(5)光學(xué)反射鏡。光學(xué)反射鏡從形狀上分有平面反射鏡、球面反射鏡、柱面反射鏡和非球面反射鏡。從鍍膜材料來(lái)分，有金屬膜反射鏡和介質(zhì)膜反射鏡。

金屬膜反射鏡顧名思義就是在鏡片表面鍍以金、銀、鋁等材料。而介質(zhì)膜反射鏡是在鏡片表面鍍以金屬氧化物等材料。

光學(xué)反射鏡主要用于通訊、舞臺(tái)激光燈、舞臺(tái)工程激光高反鏡、抗高功率激光反射系統(tǒng)、激光馬達(dá)振鏡、激光條碼掃描儀、數(shù)碼顯微鏡、投影機(jī)光學(xué)馬達(dá)、紅外儀和光譜儀。

(6)分劃板。分劃板有十字分劃板、角度分劃板、網(wǎng)絡(luò)分劃板及光柵基板。用于各種測(cè)量?jī)x器、生化儀器、教育儀器、顯微鏡測(cè)微尺等。見(jiàn)圖7。

圖7 分劃板Fig.7 reticle

(7)波片。波片有零級(jí)波片、真零級(jí)波片、多級(jí)波片和消色差波片。見(jiàn)圖8。

(8)球罩。球罩一般由藍(lán)寶石、石英或其他光學(xué)材料制作而成。見(jiàn)圖9。

圖8 波片F(xiàn)ig.8 Wave plate

圖9 球罩Fig.9 The ball shield

圖10 光學(xué)膠合透鏡Fig.10 Optical agglutination lens

由光學(xué)材料制作的球罩，可作為衛(wèi)星整流罩、炮彈制導(dǎo)整流罩，還可用于智能高速球形攝像機(jī)、高速運(yùn)行的潛基光電設(shè)備、高速運(yùn)行的機(jī)載光電設(shè)備、高速運(yùn)行的陸基光電設(shè)備諸多領(lǐng)域，也是運(yùn)載火箭，導(dǎo)彈多彈頭化不可或缺的組件。

(9)光學(xué)膠合透鏡。將光學(xué)元件用光學(xué)膠水膠合或者無(wú)膠光膠結(jié)合而成的組合元件。見(jiàn)圖10。

(10)光學(xué)分光鏡。光學(xué)分光鏡是一個(gè)以設(shè)定比率將一個(gè)入射光束分割成兩個(gè)單一光束的光學(xué)元件。也可以逆行，將兩個(gè)不同光束組成單一光束。有偏振分光鏡、消偏振分光鏡和強(qiáng)光分光鏡。從結(jié)構(gòu)上可分為平板型和立方型兩大類(lèi)。

這些產(chǎn)品在激光系統(tǒng)中可大幅提高其損傷閥值，可用在普通激光二極管、氣體和固體激光器上，以及高能量激光系統(tǒng)中，也是微型投影技術(shù)的核心部件。

2 金剛石在光學(xué)元件冷加工中的應(yīng)用

光學(xué)元件的加工，從開(kāi)坯切割下料(預(yù)制成型坯料除外)，到銑磨加工、精磨加工、超精磨加工、拋光及磨邊的全過(guò)程中，金剛石及金剛石制品(金剛石工具)都可派上用場(chǎng)。金剛石分為天然金剛石和人造金剛石。金剛石硬度是目前已知物質(zhì)中最硬的物質(zhì)。在光學(xué)材料加工時(shí)，與剛玉、碳化硅等普通磨料相比，具有很高的效率和產(chǎn)品的成品率。是普通磨料不可比擬的。

20世紀(jì)50年代，人們開(kāi)始掌握了人工合成金剛石的工藝技術(shù)。60多年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和合成裝備的改進(jìn)，人工合成金剛石的技術(shù)逐步完善，現(xiàn)在已進(jìn)入工業(yè)化大批量生產(chǎn)階段。據(jù)2014年統(tǒng)計(jì)，中國(guó)人工合成的金剛石總產(chǎn)量估計(jì)為193億克拉(3860噸)。國(guó)產(chǎn)金剛石不但產(chǎn)能大，而且價(jià)格也很適當(dāng)。它已廣泛用于各行各業(yè)。同樣也進(jìn)入到了光學(xué)元件冷加工的領(lǐng)域。

2.1 開(kāi)坯、切割下料(預(yù)制成型胚料除外)

供光學(xué)元件用的材料，其初始形態(tài)有錠、塊、板、環(huán)、棒、管、片等。見(jiàn)圖11。這些不同形狀的原始料，要加工成光學(xué)元件，第一步就是要進(jìn)行開(kāi)坯切割。開(kāi)坯切割工具有多種選擇，但最理想的，還是金剛石工具。金剛石開(kāi)坯切割工具種類(lèi)很多，主要有金剛石圓鋸片、金剛石薄片砂輪、電鍍金剛石切割薄片、金剛石繩鋸、金剛石線鋸等。

(1)金屬結(jié)合劑金剛石圓鋸片和金剛石薄片砂輪。

金剛石圓鋸片和薄片砂輪，是由兩部分構(gòu)成的：金剛石工作層和基體。金剛石工作層是由金剛石和金屬粉料、填充劑按一定比例均勻混合而成的。鋸片基體為常用錳鋼。而薄片砂輪基體為45#鋼、銅或鋁材。金剛石圓鋸片，可以是金剛石工作層粉料與基體同時(shí)放在成形模中，一次性燒結(jié)而成，也可以將金剛石工作層粉料燒結(jié)成節(jié)塊，然后焊接在基體上；也可以將基體外緣或內(nèi)緣切出放射型窄槽，然后將金剛石顆粒擠壓在其中，形成工作刀刃。金屬結(jié)合劑金剛石薄片砂輪，可以是整體型的，也可以是非整體型的。整體型是指無(wú)基體，整片砂輪全由金剛石工作層粉料壓制燒結(jié)而成的切割工具。非整體型砂輪是指金剛石工作層粉料與基體在模具中壓制燒結(jié)而成的切割工具。

(2)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石園鋸片和金剛石薄片砂輪。

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石圓鋸片和金剛石薄片砂輪,是由金剛石工作層與鋼基體組合的，也有(帶加強(qiáng)筋)整體型的。是一種金剛石和樹(shù)脂粉按比例混合，通過(guò)一定溫度固化，使其具有一定機(jī)械強(qiáng)度和鋒利切削能力的切斷工具。

(3)電鍍金剛石切割薄片。

電鍍金剛石切割薄片，是將金剛石顆粒，通過(guò)電沉積的方式，把金剛石顆粒固著在圓鋼片基體的外圓或內(nèi)圓表層，構(gòu)成切割工作層的工具。它裝配在切割機(jī)上，實(shí)施對(duì)光學(xué)材料的開(kāi)坯切割。

(4)金剛石繩鋸。

金剛石繩鋸，是一種將金剛石顆粒與金屬粉(或樹(shù)脂粉)燒結(jié)(或固化)成小節(jié)塊，然后用鋼絲串起來(lái)，像繩子一樣的工具。這些金剛石結(jié)塊就像一把把小刀。當(dāng)它安裝在相應(yīng)的設(shè)備上，以一定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這些金剛石節(jié)塊，就可以完成光學(xué)材料的開(kāi)坯切割作業(yè)。

(5)金剛石線鋸。

金剛石線鋸用電沉積的方式，將金剛石顆粒固著在鋼絲繩上，工具上的每顆金剛石都是一把刀，它有著無(wú)數(shù)鋒利刃，當(dāng)相關(guān)設(shè)備帶動(dòng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就可對(duì)光學(xué)材料進(jìn)行切割。

金剛石顆粒大小在金剛石切割工具中起著很重要的作用。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于貴重原料的切割，原則上選取粒度較小的金剛石和工作層面較薄的金剛石工具，以減少分割時(shí)材料的損失。對(duì)于價(jià)格低廉的原料，可選用金剛石顆粒較粗，工作層較厚的金剛石工具，便于提高生產(chǎn)效率。

制造上述金剛石工具最好選用MBD、MBD4型金剛石，或更好的MBD6型金剛石。

市場(chǎng)上提供的金剛石粒度范圍在20/30～325/400。

光學(xué)原材料開(kāi)坯切割下料用的金剛石工具，可根據(jù)光學(xué)元件生產(chǎn)廠商實(shí)際情況，如原料購(gòu)入的價(jià)格、自有設(shè)備性能、技術(shù)水平、投入多少資金來(lái)確定。

2.2 光學(xué)元件銑磨加工

不管是預(yù)制成型的毛坯，還是經(jīng)開(kāi)坯切割加工出來(lái)的毛坯，都要按設(shè)計(jì)要求，并預(yù)留加工余量，加工成光學(xué)元件雛形。這種具有一定幾何形狀、尺寸精度和表面粗糙初始雛形的進(jìn)一步加工，可以通過(guò)金剛石銑磨砂輪來(lái)完成。

用來(lái)銑磨加工光學(xué)元件的金剛石砂輪，有金屬結(jié)合劑砂輪、樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪、陶瓷結(jié)合劑砂輪和電沉積金剛石砂輪。最通用的一種是金屬結(jié)合劑筒形金剛石砂輪。它由金剛石工作層和鋼基體兩部分組成。金剛石工作層由金剛石顆粒、金屬粉和填充材料按比例混合，通過(guò)冷壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)而成?；w材料一般用45#鋼。它起著連接橋的作用。一端通過(guò)燒結(jié)、焊接或粘合的方式與金剛石工作層連在一起，構(gòu)成一個(gè)整體。另一端加工有螺牙，與銑磨機(jī)配接。

金剛石筒形砂輪外形尺寸范圍和相關(guān)要素：

外徑：Φ4mm～Φ100mm；

內(nèi)徑：Φ2mm～Φ96mm；

高度：Φ5mm～Φ10mm；

金剛石型號(hào)：MBD、MBD4型；

粒度尺寸范圍：20/30～325/400；

結(jié)合劑：金屬結(jié)合劑、樹(shù)脂結(jié)合劑。

供應(yīng)商可根據(jù)用戶(hù)要求量身定做。表1列舉了部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅供參考。

表1 金剛石粒度與切削深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

光學(xué)元件初始加工工具，金剛石筒形砂輪不是唯一選項(xiàng)。它也可選用粗粒度的精磨片(組盤(pán))或精磨柱來(lái)加工。盡管工具結(jié)構(gòu)不盡相同，但功能是一樣的。

2.3 金屬結(jié)合劑金剛石精磨片和精磨柱

金屬結(jié)合劑金剛石精磨片和精磨柱，是由金剛石粉與金屬粉和填充料混合后，通過(guò)冷壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)方法制成的，用于光學(xué)元件精磨加工的工具。主要用來(lái)除去前道銑磨加工工序留下來(lái)的破壞層和粗糙面，同時(shí)確保光學(xué)元件有一定的形面尺寸和加工余量(粗糙度)。見(jiàn)圖12。

圖12 金屬結(jié)合劑金剛石精磨片、精磨柱Fig.12 Metal bonded diamond accurate grinding disc and grinding column

金屬結(jié)合劑金剛石精磨片，可以單片使用，也可以多片組盤(pán)使用，外形尺寸范圍和相關(guān)要素如下：

直徑范圍：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范圍: 0.5mm～5mm(或更厚)；

工作面曲率半徑: R∞(平狀)～RR(半球)；

金剛石型號(hào)：MBD原生料或破碎料；

金剛石粒度: 80/100～W7；

結(jié)合劑：銅基、鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鋅基、合金基。

根據(jù)用戶(hù)工藝技術(shù)要求,除了圓形片外,還可以加工制造成三角形、方形、六角形等。

金屬結(jié)合劑金剛石精磨柱，分平形、平凹形、平凸形、雙凹形、雙凸形等。為了排屑和冷卻液暢通之用，端面加工有二分槽、四分槽、六分槽和八分槽。

金屬結(jié)合劑金剛石精磨柱，是單個(gè)精磨加工用的工具。外形尺寸范圍和相關(guān)要素如下:

直徑范圍：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范圍: 2mm～20mm(或更厚)；

工作面曲率半徑: R∞(平狀)～RR(半球)；

金剛石型號(hào)：MBD原生料或破碎料；

金剛石粒度: 80/100～W7；

結(jié)合劑：銅基、鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鋅基、合金基。

2.4 樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石超精磨片和超精磨柱

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石超精磨片和超精磨柱，是由金剛石粉、樹(shù)脂粉、填充料混合后，通過(guò)冷壓固化或熱壓固化的方法加工而成的，用于光學(xué)元件表面超精磨加工工序，用來(lái)去除上段精磨工序留下來(lái)的破壞層(粗糙面)，并進(jìn)一步提高光學(xué)元件的形面尺寸、光潔度和光圈值。外型與金屬結(jié)合劑相應(yīng)磨具類(lèi)似。

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石超精磨片，可以單片使用，也可以多片組盤(pán)使用。形狀尺寸和相關(guān)要素如下:

直徑范圍：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范圍: 0.5mm～5mm(或更厚)；

工作面曲率半徑: R∞(平狀)～RR(半球)；

金剛石型號(hào)：MBD原生料或破碎料；

金剛石粒度: 80/100～W7；

結(jié)合劑：酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、塑料。

根據(jù)用戶(hù)工藝技術(shù)要求,除了圓形片外,還可以加工制造成三角形、方形、六角形等。

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石超精磨柱，有平形、平凹形、平凸形、雙凹形、雙凸形之分。為了排屑和冷卻之用，加工有二分槽、四分槽、六分槽和八分槽。

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石超精磨柱，是單個(gè)超精磨加工用的工具。形狀尺寸和相關(guān)要素如下:

直徑范圍：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范圍: 2mm～20mm(或更厚)；

工作面曲率半徑: R∞(平狀)～RR(半球)；

金剛石型號(hào)：MBD原生料或破碎料；

金剛石粒度: 80/100～W7；

結(jié)合劑：酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、塑料。

一般情況下，光學(xué)元件須經(jīng)精磨工序后，進(jìn)入超精磨工序，然后再進(jìn)入拋光工序。實(shí)際上，很多廠家不遵循這個(gè)規(guī)則。他們通常選用粗細(xì)兩種(或兩種以上)粒度的金剛石精磨片(柱)，進(jìn)行兩段或多段精磨，來(lái)完成精磨和超精磨兩道工序，并直接轉(zhuǎn)入拋光工序；也有的廠家摒棄精磨片(柱)的精磨工序，直接改用兩種(或兩種以上)粒度的金剛石超精磨片(柱)進(jìn)行兩段或多段磨加工，無(wú)需拋光工序，實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件從坯料到成品整個(gè)加工程序。實(shí)踐證明，均可達(dá)到同等效果。

2.5 金剛石拋光粉、金剛石研磨膏、金剛石研磨液和金剛石拋光皮

光學(xué)元件經(jīng)過(guò)精磨和超精磨以后，為了確保光學(xué)元件的形面尺寸、表面光潔度和光圈值，還要通過(guò)最后一道工序——拋光。拋光材料，可選擇金剛石拋光粉、金剛石研磨膏、金剛石研磨液或金剛石拋光皮。金剛石粒度一般選用W5以細(xì)。

在光學(xué)元件加工過(guò)程中，銑磨、精磨、超精磨及拋光等工序的加工余量，需要合理搭配。這樣做的目的是為了提高生產(chǎn)率，保證品質(zhì)和降低成本。千萬(wàn)注意:不同材質(zhì)的光學(xué)元件，因其硬度(磨耗度)不相同，因此加工余量的配置也是不盡相同的。

工作實(shí)踐中，對(duì)于中硬材質(zhì)的光學(xué)元件加工工序，我們認(rèn)為表2的配置是可取的。

表2 中硬材質(zhì)光學(xué)元件加工工序配置

2.6 金剛石磨邊輪和磨邊盤(pán)

磨邊就是將定心后的光學(xué)元件進(jìn)行對(duì)稱(chēng)地磨外圓。通常用金屬(或樹(shù)脂)結(jié)合劑金剛石成型砂輪、金剛石平面砂輪、金剛石平行砂輪、金剛石電沉積砂輪，進(jìn)行垂直、平行、端面、傾斜和成型磨削來(lái)完成。

光學(xué)元件經(jīng)粗磨、精磨和拋光后，外圓常出現(xiàn)毛刺、崩邊以及邊厚差。在光學(xué)儀器系統(tǒng)中，為了保證光學(xué)元件光軸的一致性，在裝配前必須進(jìn)行定心磨邊，除去毛刺、崩邊和邊厚差，提高光學(xué)元件外緣尺寸精準(zhǔn)度，以便消除或減小光學(xué)元件中心偏差。保障光學(xué)元件的光軸和幾何軸重合或控制在一定的公差范圍內(nèi)。

銑磨、精磨、超精磨及拋光過(guò)程中，銑磨砂輪、精磨片(柱)、超精磨片(柱)中的氣孔易被堵塞，出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，影響切削效果。為了提高切削效力，在光學(xué)元件加工過(guò)程中，應(yīng)該使用冷卻液。冷卻液作用有兩種：一是沖走堵塞工具氣孔中的磨屑，二是對(duì)工具有微腐蝕作用。從而不斷地使金剛石露出，保證有足夠的切削刃,能有效地實(shí)施對(duì)元件加工。

3 光學(xué)元件精磨、超精磨方法

光學(xué)元件精磨、超精磨方法，大致分為三種：經(jīng)典法、準(zhǔn)球心法和范成法。

3.1 經(jīng)典法

它是一種利用散粒磨料加工光學(xué)元件的早期通用方法。它的缺點(diǎn)是加工效率低下，光學(xué)元件表面光潔度比較差。盡管如此，當(dāng)今仍然是一種不可或缺的方法，特別是對(duì)大件、特殊形狀的光學(xué)元件。

早期經(jīng)典法用的磨料，主要是天然磨料、剛玉和碳化硅等普通磨料。打自金剛石可以工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)以來(lái)，金剛石這種超硬磨料，在光學(xué)元件加工中就逐漸代替了普通磨料。運(yùn)用金剛石磨料除了有更高的磨削效率外，同時(shí)，因?yàn)樗墙?jīng)過(guò)精細(xì)分選、粒群集中，可以有效保證光學(xué)元件的表面尺寸和光潔度。

3.2 準(zhǔn)球心法

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，裝配制造業(yè)的發(fā)展,不斷涌現(xiàn)出各種規(guī)格型號(hào),供光學(xué)元件開(kāi)坯切割、銑磨、精磨、超精磨和拋光用的機(jī)誡設(shè)備，這就為實(shí)現(xiàn)金剛石工具對(duì)光學(xué)元件實(shí)施高速冷加工工藝奠定了牢固基礎(chǔ)和有力保障。準(zhǔn)球心法(又為成型法)其特點(diǎn)是用自身帶有形面的成型金剛石磨具進(jìn)行加工。光學(xué)元件的表面形狀和精度是依靠金剛石磨具的形狀和精度來(lái)保證的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是元件可批量生產(chǎn)、磨削效率高、表面光潔度好、金剛石磨具自損慢。

金剛石精磨柱、超精磨柱主要用于單片一對(duì)一的實(shí)施光學(xué)元件進(jìn)行加工。見(jiàn)圖13。

圖13 金剛石精磨柱、超精磨柱示意圖Fig.13 Diagram of diamond accurate grinding column and diamond ultra-precision grinding column

金剛石精磨片、超精磨片除了可以用來(lái)一對(duì)一加工光學(xué)元件外，更主要是以多片組盤(pán)(磨盤(pán))形式對(duì)多片光學(xué)元件組盤(pán)進(jìn)行成盤(pán)加工。

3.3 范成法

這種方法是金剛石銑磨輪與光學(xué)元件相對(duì)各自做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以金剛石銑磨輪切削軌跡的包絡(luò)面將光學(xué)元件加工出所需要的表面形狀。它的特點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)中金剛石銑磨輪表面與光學(xué)元件表面間以線接觸的方式來(lái)完成加工作業(yè)。若銑磨砂輪與被加工光學(xué)元件以圓面接觸方式來(lái)完成加工作業(yè)，它又具有成形法(準(zhǔn)球心法)性質(zhì)。見(jiàn)圖14。

圖14 環(huán)帶狀接觸的范成法高速精磨超精磨Fig.14 Band contact high-speed accurate grinding and ultra-precision grinding through generation method

精磨片、超精磨片組盤(pán)時(shí)排列方式：同心圓排列、縱橫排列、單頭螺旋線排列和多頭螺旋線排列。見(jiàn)圖15。

圖15 精磨片、超精磨片組盤(pán)排列方式Fig.15 Group arrangement of accurate grindingand ultra-precision grinding disc

不同牌號(hào)的光學(xué)材料，其硬度(或磨耗度)是不相同的。為了達(dá)到最佳工藝效果，對(duì)金剛石精磨片(柱)、超精磨片(柱)中的金剛石粒度尺寸就要有一定要求，并給予合理搭配。

Application of Diamond in Optical High Speed Cold Machining

LI Han, GUO Qi-lei

(ShenzhenYongcunDiamondToolsCo. ,Ltd.Shenzhen,Guangdong518104,China)

For quite a long time, free grinding has been adopted for optical element processing. This type of method was inefficient and the quality was hard to control. The synthetic diamond, which is easy to buy on the market with an unexpectedly cheap price as it can be manufactured through large-scale industrial production, has provided a material basis for optical high speed cold machining of optical element since the advent of it. In this article, the application of diamond in optical element high speed cold machining and its technological characteristics of high speed and high quality have been respectively introduced.

diamond; optical element; high-speed cold machining; grinding; accurate grinding; ultra-precision grinding；；

2016-10-16

李 翰(1974-)，男，工程師，深圳市永存金剛石工具有限公司總經(jīng)理，總工程師。

李 翰,郭琪磊.金剛石在光學(xué)高速冷加工中的應(yīng)用[J].超硬材料工程，2017，29(2)：44-51.

TQ164

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1673-1433(2017)02-0044-08