金刚石车削技术及其应用

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1. 金刚石车床的技术关键 金刚石车床与镜面铣床相比，其机械结构更为复杂，技术要求更为严格。除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影响。 目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静压轴承，轴向和径向的运动误差在50nm以下，个别主轴的运动误差已低于25nm。金刚石车床的滑台在90年代以前绝大部分采用气体静压支承，荷兰的Hembrug公司则采用液体静压支承。进入90年代以来，美国的Pneumo公司（现已与Precitech公司合并）的主要产品Nanoform600和250也采用了具有高刚性、高阻尼和高稳定性的液体静压支承滑台。 2．金刚石车床的布局 6 v2 Y" ]- E: l6 W( A( s8 z   3 V7 @) w, n: [$ N# A 金刚石车床的布局最初沿袭了传统车床的结构，主轴固定在床身上，横向沿台（X轴）装在纵向滑台（Z轴）上。因为纵、横滑台的导轨相互垂直，故又被称为十字滑台布局。其优点是技术成熟，结构紧凑，荷兰Hembrug公司的super-mikroturn就一直采用这种结构（图1）。十字滑台布局的缺点在于纵横两滑台运动时相互影响，当对动态精度要求高时，这种缺点就尤为突出。 金刚石车床的基本数据如表1所示。 1 [. B! D/ x& o 表 1 金刚石车床技术参数和性能示例 最大车削直径和长度/mm 400×200 最高转速r/mm 3000、5000或7000 最大进给速度mm/min 5000 数控系统分辩率/mm 0.0001或0.00005 重复精度(±2σ)/mm ≤0.0002/100 主轴径向圆跳动/mm ≤0.0001 主轴轴向圆跳动/mm ≤0.0001 滑台运动的直线度/mm ≤0.001/150 横滑台对主轴的垂直度/mm ≤0.002/100 主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm） 径向 1140 轴向 1020 主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm） 640 纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm） 720 十字滑台相互影响的主要原因是X向滑台的重量要由Z向滑台来支撑。为了解决这一问题，德国蔡司公司研制了一种改进的十字滑台（图2）。其关键在于床身采用了大面积的花岗岩，Z向导轨直接加工在床身上，X向导轨虽然仍加工在Z向滑台上，但X向滑台的重量不再由Z向沿台来支撑，而是通过四条静压支柱直接由床身来支撑。Z向滑台只起带动和导向X向滑台的作用，而无支撑功能。 十字滑台的另一个缺点是加工难度高，要达到高的纵横滑台导轨间的垂直度，需要大量的手工刮研工作量。在劳动成本日益增长的今天，这种耗时费力的结构的缺点日益明显。因而在80年代出现了T形布局(T-Base)。 T形布局车床的主轴装在纵向或横向滑台上，刀架则装在另一滑台上（见图3），从而彻底解决了两滑台相互影响的问题。这种布局有利于提高机床的闭环刚度。另外，纵横两移动轴的垂直度可在装配时进行调整，生产成本较低，成为当前金刚石车床的主流布局。 上述结构的金刚石车床在加工简单几何形状如平面、圆锥和圆柱面时，刀刃与工件的接触的在加工过程中保持不变，但在加工复杂形状如椭球面时，刀刃与工件的接触点随刀具的位置而变化。如果刀刃的几何形状精度不高，其误差将被直接复印在工件上，从而限制了机床的加工精度。解决这一问题，通常有两种途径：一是提高刀具的形状精度、但无论是购置新刀具或重磨刀具，都要付出成倍于普通刀具的代价；另一途径是改变机床的结构，在刀架下面装一数控精密转台（见图4）。刀具移动时，转台根据工件的曲率和刀尖的圆弧半径作相应转动，从而使工件与刀刃的接触点保持不变。但数控精密转台的造价很高，因此在对该两方案取舍时，必须进行经济分析比较。 / W5 b6 H9 Y2 V- h* f2 x 3．金刚石车削的应用范围和技术参数 金刚石车削早期主要用来加工有色金属如元氧铀或铝合金等，其主要产品是各种光学系统中的反射镜，如射电望远镜的主镜面，LiDA（激光探测）系统中的各镜面以及激光切割机床中的反射镜等。在东西方军备竞赛时期，各种红外光学元件的需求量猛增，金刚石车削可加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等，工件的形状多为非球面，这样就可大大减少光学元件的数量，因为红外材料的透射率较低，元件少可提高光学系统的透光性能，另外还可节约昂贵的红外材料。 在日常消费品中，金刚石车削常被用来加工有机玻璃和各种塑料，其应用实例有大型投影电视屏幕、照像机的塑料镜片以及树脂隐形眼镜镜片。 在大批量生产的产品中，光学元件多采用挤压成形或压注成形。成形所用的型腔多采用金刚石车削来完成的。型腔材料除超高强度镍钢外还有工具钢和陶瓷等。超高强度镍钢是模压成形时应用最广的材料，因为它既满足模具的硬度要求，又可用金刚石车削出最佳的形状精度和表面质量。用金刚石刀具加工工具钢时，刀具易产生化学磨损这是因为工具钢中碳元素与金刚石产生化学反应之故。所以此时要在刀架上附加一个超声振动装置，或者改用立方 氮化硼刀具进行加工。 用金刚石车削直径在100mm以下的工件时，形状误差可控制在0.1μm以下。工件表面粗糙度除与切削参数及机床特性有关外，还取决于材料的特性，绝大多数可用金刚石车削的材料的表面粗糙度可达到Rq1～5nm。 金刚石车削的刀具的参数与镜面铣相似，金属材料多用零度前角刀具加工，红外材料和脆性材料则多用负前角刀具加工。 金刚石车削的切削参数根据工件材料和机床特性而定。通常主轴转速低于2000r／min，个别可达5000r／min。隐形眼镜镜片车床较特殊，其转速可达10000r／min。