金刚石在光学高速冷加工中的应用分析

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金刚石在光学高速冷加工中的应用分析

杨磊 赵凤顺

摘要：金刚石的主要成分是碳元素，其熔点和燃点都相对比较高，在硬度方面也是其他材料无法达到的，随着人工金刚石的诞生，其成本也降低了一大部分，能够使其应用在各个领域。基于此，本文简单介绍光学元件精磨方法，深入探讨金刚石在光学高速冷加工中的应用，以供参考。

关键词：金刚石；高速冷加工；抛光材料

前言：随着我国科技高速发展，各个领域也在发生着翻天覆地的变化，以往加工光学元件一直采用自由研磨的方法，金刚石能人工合成之后，其成本大大降低，可以在各个领域进行使用，不再受到成本方面的限制，光学在进行元件冷加工的过程当中，金刚石也是不可替代的一部分。

1.光学元件精磨方法

1.1经典法

在早期制造光学元件的过程当中，通常使用散粒磨料来对其进行加工，可以称这种方法叫做经典法。在加工元件的过程中，使用经典法的工作效率相对比较低，而且制造出来的元件表层也缺乏一定的光洁度，虽然这种方法具有一定的缺点，但却是实际生产加工当中不可替代的技术，尤其是在制造不规则形状和大型元件时，必须用到这种方法。使用经典法主要采用刚玉、碳化硅、天然磨料等材料，自从金刚石能够人工合成之后，其具有硬度较高的特点，慢慢替代了加工过程中的普通磨料。利用金刚石进行加工，能够使磨削的效率得到质的飞跃，而且金刚石的粒子群相对比较集中，由于人工合成也提供了一定的挑选空间，制造出来的元件清洁度和大小都能够达到想要的效果[1]。

1.2准球心法

准球心法还有另一种叫法，即成型法，主要是利用成型的金刚石磨具对元件进行加工，能够保证制造出来的元件精度和形状能够符合相关的要求，而且使用这种方法能够实现批量生产，同时还具有效率高、质量好、成本相对较低等特点。

1.3范成法

范成法使用的主要材料也是金刚石，利用铣磨轮和元件进行各自的回转运动，从而加工出想要的形状，主要通过相互摩擦来实现加工，因金刚石具有一定的硬度，从而能够保证元件的清洁度和质量[2]。

2.金刚石在光学高速冷加工中的应用

2.1开坯切割下料

在制造光学元件的过程当中，使用的材料形态各种各样，包括片、板、块、锭、棒等，想要将形状各异的材料制造成元件，首先需要进行开坯切割工作。可以用于切割的工具比较多，但切割效果最好的还是金刚石材料，金刚石切割工具主要有线锯、薄片砂轮、绳锯、圆锯片等等。

2.2光学元件铣磨加工

毛坯可以通过预制成型，也可以通过开坯切割得到，但需要根据设计的要求，对余量进行合理预留，从而加工成为元件的雏形，雏形相对来说表面比较粗糙，精度和形状也都达不到相关标准，需要利用细磨砂轮对其进行进一步加工。用于铣磨加工的金刚石砂轮主要可以分为电沉积剂、陶瓷结合剂、树脂结合剂、金属结合剂四种，金属结合剂是应用最广泛的一种砂轮。其主要由钢基体和金刚石工作层组成，工作层需要将金属粉、填充材料和金刚石颗粒根据相应的比例进行混合，采取热压或者冷压进行烧结，从而形成。基体材料通常使用45#钢，主要用于连接，一端进行焊接、烧结或者黏合，使其和金刚石连接，另一端利用螺牙和铣磨机进行连接。在对元件进行初始加工时，可以选择金刚石简形砂轮进行操作，其外径为4-100mm，高度为5-10mm，内径为2-96mm，主要使用MBD和MBD4这两种型号，其粒度的尺寸范围在20/30-320/400，并需要结合树脂和金属结合剂使用，需要根据实际需求来进行定做。

2.3金属结合剂金刚石精磨片和精磨柱

精磨柱和精磨片主要是将金属粉、填充料和金刚石粉根据相关的比例进行混合之后，再进行热压或者冷压操作制成，通常在元件进行精磨时进行使用，能够有效对铣磨加工过程当中产生的粗糙面和破坏层进行去除，保证加工余量和元件的尺寸能够符合相关要求。精磨片可以多片组盘进行使用，也可以采取单片的使用方法，其直径为2-50mm，厚度为0.5-5mm，主要型号为破碎料和MBD原生料，需要结合合金基、铝基、镍基、铁基等结合剂进行使用，可以根据相应的需求，制造成方形、圆形、三角形等形状。精磨柱可以分为平凸形、双凸形、平凹形等，为了能够保证冷却液和排屑使用过程当中的畅通，在进行端面加工时，可以分为八分槽、六分槽、四分槽和二分槽，精磨柱的直径为2-50mm，厚度为2-20mm，主要型号为破碎料和MBD原生料，需要结合合金基、铝基、镍基、铁基等结合剂进行使用。

2.4树脂结合剂金刚石超精磨片和超精磨柱

超精磨柱和超精磨片是利用填充料、树脂粉和金刚石粉按照一定比例混合而成，并采取冷压或者热压固化操作制成，在对元件表面进行超精磨加工过程当中使用，能够有效对精磨过程当中留存的破坏层进行处理，使元件的光圈值、光洁度和尺寸能够进一步精确，和金属结合剂的外形比较相似。超精磨片和精磨片相同，都可以多片或者单片进行使用，其直径为2-50mm，厚度为0.5-5mm，主要型号为破碎料和MBD原生料，需要结合环氧树脂、塑料、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等结合剂进行使用，能够根据需要得到方形、六角形、圆形等形状。超精磨柱和精磨柱类似，可以分为平凹形、双凹形、双凸形等，主要在冷却和排屑的过程当中使用，在进行加工过程中，可以分为八分槽、六分槽、四分槽和二分槽，超精磨柱的直径为2-50mm，厚度为2-20mm，主要型号为破碎料和MBD原生料，需要结合环氧树脂、塑料、酚醛树脂、聚铣亚胺树脂这几种结合剂进行使用。通常情况之下，元件在进行精磨之后，再采取超精磨操作，然后进行抛光，但在实际生产操作过程中，部分企业没有按照操作流程进行，选择两种粒度的精磨片，通过多段精磨操作，来完成这两道流程。但根据实际结果来看，效果也能够符合相关要求。

2.5用作抛光材料

元件在经过超精磨操作之后，需要对其进行抛光操作，使其光圈值、光洁度和尺寸能够符合实际需求，可以采用研磨液、研磨膏、抛光皮、抛光粉这四种金刚石材料进行抛光操作。在加工元件过程汇总，需要合理分配各个流程当中的加工余量，能够使整体的生产效率得到有效提升，质量也能得到相应的保证，同时还能够降低生产成本。

2.6金刚石磨边轮和磨边盘

定心后元件需要进行磨边，保证其外圆能够对称，主要使用平行砂轮、电沉积砂轮、平面砂轮和成型砂轮进行操作，对元件进行全方位磨削，从而达到想要的效果。元件在经过打磨、抛光等工序之后，外圆会有崩边、边厚差、毛刺的情况出现，为了保证元件光轴的一致性，需要采取定心磨边操作，去除瑕疵，使元件的整体精准度得到有效提高，从而保证元件使用过程当中的误差在合理范围之内。

结束语：将人工合成的金刚石应用到实际生产加工过程当中，能够有效提高生产加工的整体效率，也能在成本上进行一定程度的节约，应该加强其在光学元件制造过程当中的应用，根据目前的需求和未来发展的需求，进行不断的创新和改进，使其能够更好为生产工作服务，促进行业可持续发展。

参考文献：

[1]王凯,徐亮,王新永,严伟容.聚晶金刚石刀具低温冷却铣削C_f/SiC磨损机理[J].科学技术与工程,2021,21(26):11125-11129.

[2]庞爱红,董欣然,吴增凤.金刚石微粉表面的纳米硅烷化改性及其抗氧化性能[J].金刚石与磨料磨具工程,2022,42(04):410-420.

作者简介：杨磊，1987年8月4日，女，汉族，大专，行政管理

赵凤顺，1983年5月3日，男，汉族，大专，消防管理