金剛石切削技術(shù)及其應(yīng)用

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2008/1/16/15:01

來源：慧聰網(wǎng)五金行業(yè)頻道

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壓軸承，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

金剛石車床的布局最初沿襲了傳統(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

最大車削直徑和長度/mm400×200

最高轉(zhuǎn)速r/mm3000、5000或7000

最大進給速度mm/min5000

數(shù)控系統(tǒng)分辯率/或

重復(fù)精度(±2σ)/mm≤100

主軸徑向圓跳動/mm≤

主軸軸向圓跳動/mm≤

滑臺運動的直線度/mm≤150

橫滑臺對主軸的垂直度/mm≤100

主軸前靜壓軸承（φ100mm）的剛度/（N/μm）徑向1140

軸向1020

主軸后靜壓軸承（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），從而徹底解決了兩滑臺相互影響的問題。這種布局有利于提高機床的閉環(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，必須進行經(jīng)濟分析比較。

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。型腔材料除超高強度鎳鋼外還有工具鋼和陶瓷等。超高強度鎳鋼是模壓成形時應(yīng)用最廣的材料，因為它既滿足模具的硬度要求，又可用金剛石車削出最佳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μm以下。工件表面粗糙度除與切削參數(shù)及機床特性有關(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到Rq1～5nm。

金剛石車削的刀具的參數(shù)與鏡面