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技術(shù)文章

金剛石車削技術(shù)及其應(yīng)用

閱讀:549          發(fā)布時間:2011-4-6

1. 金剛石車床的技術(shù)關(guān)鍵

金剛石車床與鏡面銑床相比,其機(jī)械結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,技術(shù)要求更為嚴(yán)格。除了必須滿足很高的運動平穩(wěn)性外,還必須具有很高的定位精度和重復(fù)精度。鏡面銑削平面時,對主軸只需很高的軸向運動精度,而對徑向運動精度要求較低。金剛石車床則須兼?zhèn)浜芨叩妮S向和徑向運動精度,才能減少對工件的形狀精度和表面粗糙度的影響。

目前市場上提供的金剛石車床的主軸大多采用氣體靜承,軸向和徑向的運動誤差在50nm以下,個別主軸的運動誤差已低于25nm。金剛石車床的滑臺在90年代以前絕大部分采用氣體靜壓支承,荷蘭的Hembrug公司則采用液體靜壓支承。進(jìn)入90年代以來,美國的Pneumo公司(現(xiàn)已與Precitech公司合并)的主要產(chǎn)品Nanoform600和250也采用了具有高剛性、高阻尼和高穩(wěn)定性的液體靜壓支承滑臺。

2.金剛石車床的布局

金剛石車床的布局zui初沿襲了傳統(tǒng)車床的結(jié)構(gòu),主軸固定在床身上,橫向沿臺(X軸)裝在縱向滑臺(Z軸)上。因為縱、橫滑臺的導(dǎo)軌相互垂直,故又被稱為十字滑臺布局。其優(yōu)點是技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)緊湊,荷蘭Hembrug公司的super-mikroturn就一直采用這種結(jié)構(gòu)(圖1)。十字滑臺布局的缺點在于縱橫兩滑臺運動時相互影響,當(dāng)對動態(tài)精度要求高時,這種缺點就尤為突出。

金剛石車床的基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表 1 金剛石車床技術(shù)參數(shù)和性能示例

zui大車削直徑和長度/mm 400×200
zui高轉(zhuǎn)速r/mm 3000、5000或7000
zui大進(jìn)給速度mm/min 5000
數(shù)控系統(tǒng)分辯率/mm 0.0001或0.00005
重復(fù)精度(±2σ)/mm ≤0.0002/100
主軸徑向圓跳動/mm ≤0.0001
主軸軸向圓跳動/mm ≤0.0001
滑臺運動的直線度/mm ≤0.001/150
橫滑臺對主軸的垂直度/mm ≤0.002/100
主軸前靜承(φ100mm)的剛度/(N/μm) 徑向 1140
軸向 1020
主軸后靜承(φ80mm)的剛度/(N/μm) 640
縱橫滑臺的靜壓支承剛度/(N/μm) 720

十字滑臺相互影響的主要原因是X向滑臺的重量要由Z向滑臺來支撐。為了解決這一問題,德國蔡司公司研制了一種改進(jìn)的十字滑臺(圖2)。其關(guān)鍵在于床身采用了大面積的花崗巖,Z向?qū)к壷苯蛹庸ぴ诖采砩希琗向?qū)к夒m然仍加工在Z向滑臺上,但X向滑臺的重量不再由Z向沿臺來支撐,而是通過四條靜壓支柱直接由床身來支撐。Z向滑臺只起帶動和導(dǎo)向X向滑臺的作用,而無支撐功能。

十字滑臺的另一個缺點是加工難度高,要達(dá)到高的縱橫滑臺導(dǎo)軌間的垂直度,需要大量的手工刮研工作量。在勞動成本日益增長的今天,這種耗時費力的結(jié)構(gòu)的缺點日益明顯。因而在80年代出現(xiàn)了T形布局(T-Base)。
 

T形布局車床的主軸裝在縱向或橫向滑臺上,刀架則裝在另一滑臺上(見圖3),從而*解決了兩滑臺相互影響的問題。這種布局有利于提高機(jī)床的閉環(huán)剛度。另外,縱橫兩移動軸的垂直度可在裝配時進(jìn)行調(diào)整,生產(chǎn)成本較低,成為當(dāng)前金剛石車床的主流布局。

上述結(jié)構(gòu)的金剛石車床在加工簡單幾何形狀如平面、圓錐和圓柱面時,刀刃與工件的接觸的在加工過程中保持不變,但在加工復(fù)雜形狀如橢球面時,刀刃與工件的接觸點隨刀具的位置而變化。如果刀刃的幾何形狀精度不高,其誤差將被直接復(fù)印在工件上,從而限制了機(jī)床的加工精度。解決這一問題,通常有兩種途徑:一是提高刀具的形狀精度、但無論是購置新刀具或重磨刀具,都要付出成倍于普通刀具的代價;另一途徑是改變機(jī)床的結(jié)構(gòu),在刀架下面裝一數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(見圖4)。刀具移動時,轉(zhuǎn)臺根據(jù)工件的曲率和刀尖的圓弧半徑作相應(yīng)轉(zhuǎn)動,從而使工件與刀刃的接觸點保持不變。但數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺的造價很高,因此在對該兩方案取舍時,必須進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析比較。
 

3.金剛石車削的應(yīng)用范圍和技術(shù)參數(shù)

金剛石車削早期主要用來加工有色金屬如元氧鈾或鋁合金等,其主要產(chǎn)品是各種光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡,如射電望遠(yuǎn)鏡的主鏡面,LiDA(激光探測)系統(tǒng)中的各鏡面以及激光切割機(jī)床中的反射鏡等。在東西方軍備競賽時期,各種紅外光學(xué)元件的需求量猛增,金剛石車削可加工各種紅外光學(xué)材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等,工件的形狀多為非球面,這樣就可大大減少光學(xué)元件的數(shù)量,因為紅外材料的透射率較低,元件少可提高光學(xué)系統(tǒng)的透光性能,另外還可節(jié)約昂貴的紅外材料。

在日常消費品中,金剛石車削常被用來加工有機(jī)玻璃和各種塑料,其應(yīng)用實例有大型投影電視屏幕、照像機(jī)的塑料鏡片以及樹脂隱形眼鏡鏡片。

在大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中,光學(xué)元件多采用擠壓成形或壓注成形。成形所用的型腔多采用金剛石車削來完成的。型腔材料除超高強(qiáng)度鎳鋼外還有工具鋼和陶瓷等。超高強(qiáng)度鎳鋼是模壓成形時應(yīng)用zui廣的材料,因為它既滿足模具的硬度要求,又可用金剛石車削出*的形狀精度和表面質(zhì)量。用金剛石刀具加工工具鋼時,刀具易產(chǎn)生化學(xué)磨損這是因為工具鋼中碳元素與金剛石產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)之故。所以此時要在刀架上附加一個超聲振動裝置,或者改用立方
氮化硼刀具進(jìn)行加工。

用金剛石車削直徑在100mm以下的工件時,形狀誤差可控制在0.1μm以下。工件表面粗糙度除與切削參數(shù)及機(jī)床特性有關(guān)外,還取決于材料的特性,絕大多數(shù)可用金剛石車削的材料的表面粗糙度可達(dá)到Rq1~5nm。

金剛石車削的刀具的參數(shù)與鏡面銑相似,金屬材料多用零度前角刀具加工,紅外材料和脆性材料則多用負(fù)前角刀具加工。

金剛石車削的切削參數(shù)根據(jù)工件材料和機(jī)床特性而定。通常主軸轉(zhuǎn)速低于2000r/min,個別可達(dá)5000r/min。隱形眼鏡鏡片車床較特殊,其轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min。

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