金刚石车削技术及其应用

tianxingzhe

1.金刚石车床的技术关键
, ?, J7 c& v* v9 r       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无能无力平稳性外，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。
; I, W7 \5 `( ?5 [7 @       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公司采用液压支承。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。
( S& j. y  F" j& E, E" l" D       2.金刚石车床的布局
       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，横向滑台（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8）。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。
* R& G# |4 e* m1 [, a      金刚石车床的基本数据如表1所示。

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    图8  十字滑台布局的金刚石车床
) H' x7 i5 w6 g# {9 U    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	滑台运动的直线度/mm		≤0.001/150
最高转速r/min	3000、5000和7000	横滑台对主轴的垂直度/mm		≤0.002/100
最大进给速度mm/min	5000	主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）	径向	1140
数控系统分辨率/mm	0.0001或0.00005		轴向	1020
重复精度（±2σ）/mm	≤0.0002/100	主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）		640
主轴径向圆跳动/mm	≤0.0001
主轴轴向圆跳动/mm	≤0.0001	纵横滑台的静压支承风度/（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9）。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。

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  N+ E& b, |2 w0 f5 o0 i' C. X图9  改进十字滑台结构的金刚石车床

       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横向滑台上，刀架则装在另一滑台上（见图10），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，纵横面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。

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图10  T形布局的金刚石车床

       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，刀刃与工件的接触点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，其误差将被直接长复印在工件上，从而限制了机床的加工精度。解决这一问题，通常有两岸种途径：一是提高刀具的形状精度，但无论是购置新刀具或重麿刀具，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度转台（见图11）。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台，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。

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图11  三轴联动T形布局的金刚石车床
4 J; K/ @' F" R; o, E4 V①in系非法定计量单位（lin=0.0254m）

       3.金刚石车削的应用范围和技术参数
0 L2 o7 j$ I5 S0 a* m# F/ J6 D       金刚石车削早期主要用来加工有色金属如无氧铜或铝合金等，其产品主要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哪锗、硅、ZnS和ZnSe等，工件的形状多为非球面，这样就可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胸性能，另外还可节约昂贵的红外材料。
1 X4 E( y4 t" J" {       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。
# a6 H1 S0 f: q+ I       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，还取决了材料的特性，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。
5 L- x# b! l1 ~4 X: w; e       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上，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。

- _6 g; j, ]* i$ y5 ^[ 本帖最后由 zyj10282005 于 2007-3-12 22:42 编辑 ]

langtou

好文章又学到了不少知识，谢谢楼主！