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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。