金刚石在光学高速冷加工中的应用

李 翰,郭琪磊

(深圳市永存金刚石工具有限公司，广东 深圳 518104)

金刚石在光学高速冷加工中的应用

李 翰,郭琪磊

(深圳市永存金刚石工具有限公司，广东 深圳 518104)

光学元件的加工，在相当长的时间里，一直采用古典法——自由研磨。这种方法效率低下，品质难以保证。打自人工合成金刚石问世以来，金刚石这种超硬材料由于可以大规模工业化生产，乃至价格出人意外的便宜，并且在市场上能轻易得到，这就为光学元件高速冷加工提供了物质基础。文章介绍了金刚石在光学元件高速冷加工中的应用以及它高速质优的工艺特点。

金刚石 ；光学元件；高速冷加工；铣磨；精磨；超精磨

1 光学材料和光学元件

1.1 光学材料

光学材料种类很多，主要是下列材料。

(1)以蓝宝石(Al2O3)、水晶(SiO2)、氧化镁(MgO)、金红石(TiO2)为主的单晶氧化物。在可见和近红外波段光谱区，透光性好，常用来加工制作用于紫外到红外光谱区的光学元件。

(2)以氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、氟化钡(BaF2)为主的单晶氟化物。在紫外、可见和红外波段光谱区，有较高透光率、低折射率和低反射系数，常用来加工和制作紫外、红外窗口和激光输出窗口的光学元件。

(3)以锗(Ge)、硅(Si)、化学元素在Ⅱ—Ⅵ族为主的半导体单晶材料以及金刚石等。可用做红外窗口材料、红外滤光片及其它光学元件。

(4)用上述单晶氧化物、单晶氟化物、半导体材料粉为原料，经压制、烧结所获取的多晶材料。可用作特殊需要的窗口片和光学元件。

(5)微晶光学玻璃(玻璃陶瓷)材料。它是具有玻璃态和微晶态两相的光学材料。它的特点是膨胀系数小，接近零。用来制作平面、样板和大型反射镜。

(6)有色光学玻璃。有色光学玻璃有离子着色玻璃、中性玻璃和硒镉玻璃几种。离子着色是在玻璃中添加钴(Co)、镍(Ni)、钼(Mo)、锰(Mn)、铬(Cr)、钛(Ti)、铜(Cu)等金属氧化物着色剂来实现的。因为这些着色剂在玻璃中呈现离子状态，故称离子着色玻璃。这些着色离子对入射光波起着“拦截”或“透过”作用，从而产生单一光束。如添加氧化物镍，玻璃呈紫色或棕色；若添加氧化钴，玻璃就呈蓝色。如此等等。

中性玻璃也属于离子着色玻璃。它具有均匀降低光源的光强而同时又不改变其光谱成分的特征。

硒镉玻璃着色剂为硒化镉和硫化镉，它的特点是这些着色剂在玻璃中呈胶状体。

(7)光学塑料(高分子有机聚合物)。光学塑料有聚甲丙烯酸甲酯(PMMA,俗称有机玻璃)、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)、衣康酸单脂金属盐等。

(8)以铜(Cu)、铝(Al)、金(Ag)、银(Au)、钼(Mo)、硒化锌/锗(ZnSe/Ge)为主的金属及金属化合物材料。主要用于滤光片、添加剂、镀膜以及作光学元件基底。

(9)镧系光学材料和氟磷酸盐光学材料。

1.2 光学元件

组成光学系统的最基本的光学元件有：光学透镜、光学棱镜、光学窗口镜、光学滤光片、光学反射镜、分划板、波片、球罩、光学胶合透镜、光学分光镜。

(1)光学透镜。光学透镜是组成光学系统的最基本的光学元件。光学透镜有球面透镜、消色差透镜、柱面镜和非球面透镜。

a)球面透镜。球面透镜是基础光学元件之一，有平凸球面透镜、平凹球面透镜、双凸球面透镜、双凹球面透镜、正弯月球面透镜、负弯月球面透镜等。见图1。

图1 球面透镜Fig.1 Spherical lens

b)柱面透镜。柱面透镜的X轴和Y轴的半径不同，因此，透镜的形状为柱面或半柱面，而且只有单一光轴有图像放大倍率。下有平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、双凸柱面透镜、双凹柱面透镜、弯月柱面透镜、非球面柱面透镜、圆柱镜(棒镜)。见图2。

c)非球面透镜。非球面透镜是用于光汇聚的单一透镜。它的面形有抛物面、椭圆球面和双曲面。见图3。

图2 柱面透镜Fig.2 Cylindrical lens

图3 非球面透镜Fig.3 Aspheric lens

图4 消色差透镜Fig.4 Achromatic len

d)消色差透镜。消色差透镜是一种把低色散的冕牌玻璃正透镜和高色散的火石玻璃负透镜粘接而成的一种光学元件。见图4。

光学透镜镜片广泛用于望远镜、瞄准镜、近视镜、放大镜、显微镜、照相机镜头、光接收器和聚光镜、光电仪器、半导体激光器、线性探测器照明、条形码扫描、全息照明、光信息处理、计算机、激光发射等领域。

(2)光学棱镜。光学棱镜是透明材料(如玻璃、水晶)做成的实心多面体光学元件。光学棱镜有直角棱镜、五角棱镜、道威棱镜、屋脊棱镜、角锥棱镜、楔镜、等边棱镜和立方体境。见图5。

图5 光学棱镜Fig.5 Optical prism

光学棱镜镜片广泛用于望远镜、潜望镜、双目望远镜导线控制测量、显微镜、水准仪、枪械瞄准镜、太阳能转换器、照相机、光电仪器、半导体激光器、照相机取景器、膀胱镜、胃镜、各类激光治疗设备、图像观察系统、各类测量仪器。

(3)光学窗口镜。窗口镜是扫描透镜的保护镜，通常由红外高透材料锗(Ge)、硅(Si)、氟化钙(CaF2)、硒化锌(ZnSe)来制作，种类有紫外光学窗口、可见光光学窗口和红外光学窗口。为了减少反射而产生的损耗，通常在其表面涂上一层增透膜，见图6。

图6 光学窗口镜Fig.6 The optical window lens

光学窗口镜用于雕刻、打标、钻孔、激光切割及其他激光加工工业中。

(4)光学滤光片。滤光片是利用光学材料(玻璃或塑料)并在其中加入特种元素和染料后，实现单一光束通过的光学镜片。

自然光看起来是白的，实际上它是由七种光组成的。滤光片的作用是，当自然光束通过红色滤光片时，只能让红光通过，其它颜色光被吸收，空间出现的只是红光；当自然光束通过蓝色滤光片时，只能让蓝光通过，其他颜色的光被吸收，空间出现的只是蓝光。如此类推。滤光片有长/短波通滤光片，带通滤光片、有色滤光片、中性密度滤光片、生物滤光片、镀膜有色滤光片。

滤光片用于成像、探测、安防、监控、红外传输、红外遥控器等领域。

(5)光学反射镜。光学反射镜从形状上分有平面反射镜、球面反射镜、柱面反射镜和非球面反射镜。从镀膜材料来分，有金属膜反射镜和介质膜反射镜。

金属膜反射镜顾名思义就是在镜片表面镀以金、银、铝等材料。而介质膜反射镜是在镜片表面镀以金属氧化物等材料。

光学反射镜主要用于通讯、舞台激光灯、舞台工程激光高反镜、抗高功率激光反射系统、激光马达振镜、激光条码扫描仪、数码显微镜、投影机光学马达、红外仪和光谱仪。

(6)分划板。分划板有十字分划板、角度分划板、网络分划板及光栅基板。用于各种测量仪器、生化仪器、教育仪器、显微镜测微尺等。见图7。

图7 分划板Fig.7 reticle

(7)波片。波片有零级波片、真零级波片、多级波片和消色差波片。见图8。

(8)球罩。球罩一般由蓝宝石、石英或其他光学材料制作而成。见图9。

图8 波片Fig.8 Wave plate

图9 球罩Fig.9 The ball shield

图10 光学胶合透镜Fig.10 Optical agglutination lens

由光学材料制作的球罩，可作为卫星整流罩、炮弹制导整流罩，还可用于智能高速球形摄像机、高速运行的潜基光电设备、高速运行的机载光电设备、高速运行的陆基光电设备诸多领域，也是运载火箭，导弹多弹头化不可或缺的组件。

(9)光学胶合透镜。将光学元件用光学胶水胶合或者无胶光胶结合而成的组合元件。见图10。

(10)光学分光镜。光学分光镜是一个以设定比率将一个入射光束分割成两个单一光束的光学元件。也可以逆行，将两个不同光束组成单一光束。有偏振分光镜、消偏振分光镜和强光分光镜。从结构上可分为平板型和立方型两大类。

这些产品在激光系统中可大幅提高其损伤阀值，可用在普通激光二极管、气体和固体激光器上，以及高能量激光系统中，也是微型投影技术的核心部件。

2 金刚石在光学元件冷加工中的应用

光学元件的加工，从开坯切割下料(预制成型坯料除外)，到铣磨加工、精磨加工、超精磨加工、抛光及磨边的全过程中，金刚石及金刚石制品(金刚石工具)都可派上用场。金刚石分为天然金刚石和人造金刚石。金刚石硬度是目前已知物质中最硬的物质。在光学材料加工时，与刚玉、碳化硅等普通磨料相比，具有很高的效率和产品的成品率。是普通磨料不可比拟的。

20世纪50年代，人们开始掌握了人工合成金刚石的工艺技术。60多年来，随着科学技术进步和合成装备的改进，人工合成金刚石的技术逐步完善，现在已进入工业化大批量生产阶段。据2014年统计，中国人工合成的金刚石总产量估计为193亿克拉(3860吨)。国产金刚石不但产能大，而且价格也很适当。它已广泛用于各行各业。同样也进入到了光学元件冷加工的领域。

2.1 开坯、切割下料(预制成型胚料除外)

供光学元件用的材料，其初始形态有锭、块、板、环、棒、管、片等。见图11。这些不同形状的原始料，要加工成光学元件，第一步就是要进行开坯切割。开坯切割工具有多种选择，但最理想的，还是金刚石工具。金刚石开坯切割工具种类很多，主要有金刚石圆锯片、金刚石薄片砂轮、电镀金刚石切割薄片、金刚石绳锯、金刚石线锯等。

(1)金属结合剂金刚石圆锯片和金刚石薄片砂轮。

金刚石圆锯片和薄片砂轮，是由两部分构成的：金刚石工作层和基体。金刚石工作层是由金刚石和金属粉料、填充剂按一定比例均匀混合而成的。锯片基体为常用锰钢。而薄片砂轮基体为45#钢、铜或铝材。金刚石圆锯片，可以是金刚石工作层粉料与基体同时放在成形模中，一次性烧结而成，也可以将金刚石工作层粉料烧结成节块，然后焊接在基体上；也可以将基体外缘或内缘切出放射型窄槽，然后将金刚石颗粒挤压在其中，形成工作刀刃。金属结合剂金刚石薄片砂轮，可以是整体型的，也可以是非整体型的。整体型是指无基体，整片砂轮全由金刚石工作层粉料压制烧结而成的切割工具。非整体型砂轮是指金刚石工作层粉料与基体在模具中压制烧结而成的切割工具。

(2)树脂结合剂金刚石园锯片和金刚石薄片砂轮。

树脂结合剂金刚石圆锯片和金刚石薄片砂轮,是由金刚石工作层与钢基体组合的，也有(带加强筋)整体型的。是一种金刚石和树脂粉按比例混合，通过一定温度固化，使其具有一定机械强度和锋利切削能力的切断工具。

(3)电镀金刚石切割薄片。

电镀金刚石切割薄片，是将金刚石颗粒，通过电沉积的方式，把金刚石颗粒固着在圆钢片基体的外圆或内圆表层，构成切割工作层的工具。它装配在切割机上，实施对光学材料的开坯切割。

(4)金刚石绳锯。

金刚石绳锯，是一种将金刚石颗粒与金属粉(或树脂粉)烧结(或固化)成小节块，然后用钢丝串起来，像绳子一样的工具。这些金刚石结块就像一把把小刀。当它安装在相应的设备上，以一定的速度运转时，这些金刚石节块，就可以完成光学材料的开坯切割作业。

(5)金刚石线锯。

金刚石线锯用电沉积的方式，将金刚石颗粒固着在钢丝绳上，工具上的每颗金刚石都是一把刀，它有着无数锋利刃，当相关设备带动它转动时，就可对光学材料进行切割。

金刚石颗粒大小在金刚石切割工具中起着很重要的作用。一般来说，对于贵重原料的切割，原则上选取粒度较小的金刚石和工作层面较薄的金刚石工具，以减少分割时材料的损失。对于价格低廉的原料，可选用金刚石颗粒较粗，工作层较厚的金刚石工具，便于提高生产效率。

制造上述金刚石工具最好选用MBD、MBD4型金刚石，或更好的MBD6型金刚石。

市场上提供的金刚石粒度范围在20/30～325/400。

光学原材料开坯切割下料用的金刚石工具，可根据光学元件生产厂商实际情况，如原料购入的价格、自有设备性能、技术水平、投入多少资金来确定。

2.2 光学元件铣磨加工

不管是预制成型的毛坯，还是经开坯切割加工出来的毛坯，都要按设计要求，并预留加工余量，加工成光学元件雏形。这种具有一定几何形状、尺寸精度和表面粗糙初始雏形的进一步加工，可以通过金刚石铣磨砂轮来完成。

用来铣磨加工光学元件的金刚石砂轮，有金属结合剂砂轮、树脂结合剂砂轮、陶瓷结合剂砂轮和电沉积金刚石砂轮。最通用的一种是金属结合剂筒形金刚石砂轮。它由金刚石工作层和钢基体两部分组成。金刚石工作层由金刚石颗粒、金属粉和填充材料按比例混合，通过冷压烧结或热压烧结而成。基体材料一般用45#钢。它起着连接桥的作用。一端通过烧结、焊接或粘合的方式与金刚石工作层连在一起，构成一个整体。另一端加工有螺牙，与铣磨机配接。

金刚石筒形砂轮外形尺寸范围和相关要素：

外径：Φ4mm～Φ100mm；

内径：Φ2mm～Φ96mm；

高度：Φ5mm～Φ10mm；

金刚石型号：MBD、MBD4型；

粒度尺寸范围：20/30～325/400；

结合剂：金属结合剂、树脂结合剂。

供应商可根据用户要求量身定做。表1列举了部分试验数据，仅供参考。

表1 金刚石粒度与切削深度试验数据

光学元件初始加工工具，金刚石筒形砂轮不是唯一选项。它也可选用粗粒度的精磨片(组盘)或精磨柱来加工。尽管工具结构不尽相同，但功能是一样的。

2.3 金属结合剂金刚石精磨片和精磨柱

金属结合剂金刚石精磨片和精磨柱，是由金刚石粉与金属粉和填充料混合后，通过冷压烧结或热压烧结方法制成的，用于光学元件精磨加工的工具。主要用来除去前道铣磨加工工序留下来的破坏层和粗糙面，同时确保光学元件有一定的形面尺寸和加工余量(粗糙度)。见图12。

图12 金属结合剂金刚石精磨片、精磨柱Fig.12 Metal bonded diamond accurate grinding disc and grinding column

金属结合剂金刚石精磨片，可以单片使用，也可以多片组盘使用，外形尺寸范围和相关要素如下：

直径范围：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范围: 0.5mm～5mm(或更厚)；

工作面曲率半径: R∞(平状)～RR(半球)；

金刚石型号：MBD原生料或破碎料；

金刚石粒度: 80/100～W7；

结合剂：铜基、铁基、镍基、钴基、铝基、锌基、合金基。

根据用户工艺技术要求,除了圆形片外,还可以加工制造成三角形、方形、六角形等。

金属结合剂金刚石精磨柱，分平形、平凹形、平凸形、双凹形、双凸形等。为了排屑和冷却液畅通之用，端面加工有二分槽、四分槽、六分槽和八分槽。

金属结合剂金刚石精磨柱，是单个精磨加工用的工具。外形尺寸范围和相关要素如下:

直径范围：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范围: 2mm～20mm(或更厚)；

工作面曲率半径: R∞(平状)～RR(半球)；

金刚石型号：MBD原生料或破碎料；

金刚石粒度: 80/100～W7；

结合剂：铜基、铁基、镍基、钴基、铝基、锌基、合金基。

2.4 树脂结合剂金刚石超精磨片和超精磨柱

树脂结合剂金刚石超精磨片和超精磨柱，是由金刚石粉、树脂粉、填充料混合后，通过冷压固化或热压固化的方法加工而成的，用于光学元件表面超精磨加工工序，用来去除上段精磨工序留下来的破坏层(粗糙面)，并进一步提高光学元件的形面尺寸、光洁度和光圈值。外型与金属结合剂相应磨具类似。

树脂结合剂金刚石超精磨片，可以单片使用，也可以多片组盘使用。形状尺寸和相关要素如下:

直径范围：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范围: 0.5mm～5mm(或更厚)；

工作面曲率半径: R∞(平状)～RR(半球)；

金刚石型号：MBD原生料或破碎料；

金刚石粒度: 80/100～W7；

结合剂：酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、塑料。

根据用户工艺技术要求,除了圆形片外,还可以加工制造成三角形、方形、六角形等。

树脂结合剂金刚石超精磨柱，有平形、平凹形、平凸形、双凹形、双凸形之分。为了排屑和冷却之用，加工有二分槽、四分槽、六分槽和八分槽。

树脂结合剂金刚石超精磨柱，是单个超精磨加工用的工具。形状尺寸和相关要素如下:

直径范围：Φ2mm～Φ50mm(或更大)；

厚度范围: 2mm～20mm(或更厚)；

工作面曲率半径: R∞(平状)～RR(半球)；

金刚石型号：MBD原生料或破碎料；

金刚石粒度: 80/100～W7；

结合剂：酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、塑料。

一般情况下，光学元件须经精磨工序后，进入超精磨工序，然后再进入抛光工序。实际上，很多厂家不遵循这个规则。他们通常选用粗细两种(或两种以上)粒度的金刚石精磨片(柱)，进行两段或多段精磨，来完成精磨和超精磨两道工序，并直接转入抛光工序；也有的厂家摒弃精磨片(柱)的精磨工序，直接改用两种(或两种以上)粒度的金刚石超精磨片(柱)进行两段或多段磨加工，无需抛光工序，实现光学元件从坯料到成品整个加工程序。实践证明，均可达到同等效果。

2.5 金刚石抛光粉、金刚石研磨膏、金刚石研磨液和金刚石抛光皮

光学元件经过精磨和超精磨以后，为了确保光学元件的形面尺寸、表面光洁度和光圈值，还要通过最后一道工序——抛光。抛光材料，可选择金刚石抛光粉、金刚石研磨膏、金刚石研磨液或金刚石抛光皮。金刚石粒度一般选用W5以细。

在光学元件加工过程中，铣磨、精磨、超精磨及抛光等工序的加工余量，需要合理搭配。这样做的目的是为了提高生产率，保证品质和降低成本。千万注意:不同材质的光学元件，因其硬度(磨耗度)不相同，因此加工余量的配置也是不尽相同的。

工作实践中，对于中硬材质的光学元件加工工序，我们认为表2的配置是可取的。

表2 中硬材质光学元件加工工序配置

2.6 金刚石磨边轮和磨边盘

磨边就是将定心后的光学元件进行对称地磨外圆。通常用金属(或树脂)结合剂金刚石成型砂轮、金刚石平面砂轮、金刚石平行砂轮、金刚石电沉积砂轮，进行垂直、平行、端面、倾斜和成型磨削来完成。

光学元件经粗磨、精磨和抛光后，外圆常出现毛刺、崩边以及边厚差。在光学仪器系统中，为了保证光学元件光轴的一致性，在装配前必须进行定心磨边，除去毛刺、崩边和边厚差，提高光学元件外缘尺寸精准度，以便消除或减小光学元件中心偏差。保障光学元件的光轴和几何轴重合或控制在一定的公差范围内。

铣磨、精磨、超精磨及抛光过程中，铣磨砂轮、精磨片(柱)、超精磨片(柱)中的气孔易被堵塞，出现钝化现象，影响切削效果。为了提高切削效力，在光学元件加工过程中，应该使用冷却液。冷却液作用有两种：一是冲走堵塞工具气孔中的磨屑，二是对工具有微腐蚀作用。从而不断地使金刚石露出，保证有足够的切削刃,能有效地实施对元件加工。

3 光学元件精磨、超精磨方法

光学元件精磨、超精磨方法，大致分为三种：经典法、准球心法和范成法。

3.1 经典法

它是一种利用散粒磨料加工光学元件的早期通用方法。它的缺点是加工效率低下，光学元件表面光洁度比较差。尽管如此，当今仍然是一种不可或缺的方法，特别是对大件、特殊形状的光学元件。

早期经典法用的磨料，主要是天然磨料、刚玉和碳化硅等普通磨料。打自金刚石可以工业化大规模生产以来，金刚石这种超硬磨料，在光学元件加工中就逐渐代替了普通磨料。运用金刚石磨料除了有更高的磨削效率外，同时，因为它是经过精细分选、粒群集中，可以有效保证光学元件的表面尺寸和光洁度。

3.2 准球心法

随着科学技术的进步，装配制造业的发展,不断涌现出各种规格型号,供光学元件开坯切割、铣磨、精磨、超精磨和抛光用的机诫设备，这就为实现金刚石工具对光学元件实施高速冷加工工艺奠定了牢固基础和有力保障。准球心法(又为成型法)其特点是用自身带有形面的成型金刚石磨具进行加工。光学元件的表面形状和精度是依靠金刚石磨具的形状和精度来保证的。这种方法的优点是元件可批量生产、磨削效率高、表面光洁度好、金刚石磨具自损慢。

金刚石精磨柱、超精磨柱主要用于单片一对一的实施光学元件进行加工。见图13。

图13 金刚石精磨柱、超精磨柱示意图Fig.13 Diagram of diamond accurate grinding column and diamond ultra-precision grinding column

金刚石精磨片、超精磨片除了可以用来一对一加工光学元件外，更主要是以多片组盘(磨盘)形式对多片光学元件组盘进行成盘加工。

3.3 范成法

这种方法是金刚石铣磨轮与光学元件相对各自做回转运动，以金刚石铣磨轮切削轨迹的包络面将光学元件加工出所需要的表面形状。它的特点是在运动中金刚石铣磨轮表面与光学元件表面间以线接触的方式来完成加工作业。若铣磨砂轮与被加工光学元件以圆面接触方式来完成加工作业，它又具有成形法(准球心法)性质。见图14。

图14 环带状接触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、超精磨片组盘时排列方式：同心圆排列、纵横排列、单头螺旋线排列和多头螺旋线排列。见图15。

图15 精磨片、超精磨片组盘排列方式Fig.15 Group arrangement of accurate grindingand ultra-precision grinding disc

不同牌号的光学材料，其硬度(或磨耗度)是不相同的。为了达到最佳工艺效果，对金刚石精磨片(柱)、超精磨片(柱)中的金刚石粒度尺寸就要有一定要求，并给予合理搭配。

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，工程师，深圳市永存金刚石工具有限公司总经理，总工程师。

李 翰,郭琪磊.金刚石在光学高速冷加工中的应用[J].超硬材料工程，2017，29(2)：44-51.

TQ164

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1673-1433(2017)02-0044-08