金刚石切削技术及其应用-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
金刚石车削技术及其应用
2008/1/16/15:01 来源：慧聪网五金行业频道
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
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。
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/mm400×200
最高转速r/mm3000、5000或7000
最大进给速度mm/min5000
数控系统分辩率/mm0.0001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。
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。
轮胎面透镜的单点金刚石车削加工工艺技术研究 【摘要】基于较成熟的旋转对称非球面的单点金刚石车削加工工艺，通过大量工艺试验，对工装夹具、车削刀具、切削参数等进行研究，总结出了一套实用的单点金刚石车削轮胎面光学元件的加工工艺。该工艺方法也可以适用于其它离轴非球面的单点金刚石车削加工。 【关键词】单点金刚石车削；轮胎面透镜；离轴；工艺技术 1.引言 轮胎面透镜可用于光束束腰置远、光束偏转小角度等方面，在保证传输中的光束直径、消象散等方面具有传统光学元件难以具备的功能，被日益广泛地应用在国防军事、航空航天、通讯、医疗等领域。本工艺研究基于较成熟的旋转对称非球面的金刚石车削加工工艺，通过大量工艺试验，对工装夹具、车削刀具、切削参数等进行研究，总结出了一套实用的，行之有效的在单点金刚石车床上车削轮胎面光学元件的加工工艺。 2 .金刚石车削加工原理 本文的讨论是基于英国Taylor Hobson公司的Ultraform350单点金刚石车床。该车床是两轴机床，可加工最大直径为350mm的平面、球面、非球面等各类轴对称光学元件。其车削加工原理是，被加工件通过工装夹具吸附于主轴的真空吸盘上，并且光轴和车床Z轴重合，主轴带动被加工元件高速旋转，利用TPG刀具轨迹发生器生成程序，使刀具X、Z两轴插补联动按照光学元件子午曲线轨迹运动，对被加工光学元件进行车削，形成轴对称光学曲面。其中主轴与被加工光学元件的动平衡将影响零件的形状误差和表面波纹度[1]。 图1 单点金刚石车床车削原理简图 3.轮胎面的车削加工工艺 3.1 轮胎面的特点 轮胎面光学元件是非对称光学元件，以光轴为中心，其子午方向和弧矢方向具有不同的曲率半径，在精确要求两个曲率半径的同时，还需要具有很好的面形和表面粗糙度。 3.2 工装夹具 根据金刚石车床加工的特点，夹具采用回转对称结构[2]。设计的工装夹具简图如下： 图2 工装夹具简图 其中轮胎面母体是一椭球体，其子午和弧矢方向的曲率半径分别与被加工轮胎面的两个曲率半径相同。根据被加工轮胎面的外形尺寸，在母体的对称位置去除表面作为轮胎面的定位面，去除深度与被加工轮胎面匹配。轮胎面母体的旋转轴与夹具底座的旋转轴严格重合。夹具上设计了高精度定位槽（与轮胎面的台阶相匹配），确保轮胎面光学元件Ry与台阶之间角度满足轮胎面的设计要求。采用光胶法使被加工轮胎面元件与夹具紧密贴合并粘结轮胎面底面。夹具底座吸附面为高精度研磨面，面形精度PV值小于1um。夹具底座外圆经过精车，垂直度要求0.01mm以内，确保重复定位精度。 根据被加工轮胎面的参数，可以选择2个、4个或6个定位面，即同时加工2个、4个或6个相同的轮胎面。 3.3 车削刀具
单点金刚车快刀伺服加工微透镜阵列工艺探讨 【摘要】单点金刚石车的快刀伺服加工技术可实现复杂面形光学零件的高效优质加工。文中介绍了单点金刚车削以及快刀伺服的技术特点，以及对于加工微透镜的技术工艺路线予以分析和探讨，最后进行了零件的加工试验。 【关键词】单点金刚车；快刀伺服；微透镜阵列 0.引言 随着科学技术和信息化的迅猛发展，红外光学系统得到了飞速发展以及广泛的应用。红外光学元件主要包括红外晶体软脆性材料光学元件和玻璃、碳化硅SiC等硬脆性光学元件，由于红外晶体类光学元件在特定运行条件下，晶体内自发的Raman散射光通过表面时会得到放大。因此，晶体作为优质的光学材料，被较广泛地应用于红外光电仪器等非线性光学领域。但由于晶体材料本身具有质软，易潮解，脆性高，对温度变化敏感，易开裂的特点，因此晶体材料的加工周期很长，而且非常难以加工。尤其光学元件被业界公认为是最难加工的，随着对光学性能指标的要求不断提高，传统的光学元件加工方式已无法满足高精度的晶体材料光学元件的加工要求。 而快刀伺服FTS（Fast Tool Servo）加工技术则是通过驱动金刚石刀具产生高频响，小范围的快速精度进刀运动，并配合高精度的主轴回转和径向进给运动，来完成复杂面形零件的精密高效加工。这种加工方法具有高频响，高刚度，高定位精度等特点，可以重复加工出具有复杂形状的各种异形元件，一次加工即可获得较高的尺寸精度，形状精度和极佳的表面粗糙度，从而能够实现复杂光学面形的高效高精度加工。 1.技术特点 目前，准分子激光加工微投透镜的方法主要是准分子与激光与动态二元掩模法相结合（二元掩模法是指通过使用二元掩模制造微透镜的方法。其主要加工特点为：（1）制造过程简单，（2）制造速度快，（3）制造成本低。但由于自身的特点，所以其本身也有加工上的缺点：制造出的微透镜为非球面微透镜。 而相对来说，使用了单点金刚车的快刀伺服技术由于与有色金属亲和力好，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且刀具刃口极为锋利，刃口半径为0.5～0.01μm，同时可适用于加工非金属材料。相对而言，使用了单点金刚车的快刀伺服技术生产效率更高，加工精度更高，重复性好，适合批量生产，加工成本比传统的加工技术明显降低。而且可实现球面和非球面的精密加工。 本文所探讨的是基于单点金刚石车削的快刀伺服技术在微透镜阵列加工的新型工艺研究。微透镜是最重要的微光学元件之一，其几乎被用于所有的微光学系统。目前对于微透镜的定于较多，没有形成统一的定义。通常所说的微透镜一
1 概述 超精密加工，在精度等级上代表了发展的最高阶段。通常，按加工精度等级，可将机械加工分为普通加工、精密加工、超精密加工三个不同阶段。随着生产技术的不断发展，划分的界限也逐渐向前推移。就加工精度等级而言，当前普遍认为：精密加工的精度为1-0.1mμ、表面粗糙度为Ra 0.1-0.025mμ；超精密加工的精度高于0.1mμ、表面粗糙度Ra小于0.025mμ。精密和超精密加工主要包括下列三种不同的工艺技术：(1)超精密切削加工；(2)精密和超精密磨削和研磨；(3)精密特种加工，如电子束、离子束加工技术等。单点金刚石车削（SPDT）加工技术（图1）是超精密加工中常用的技术。由于金刚石的硬度高、耐磨性强、导热性优越，金刚石刀具的刃口可以非常锋利（刃口半径可以小于0.05mμ甚至更小），而且金刚石与有色金属的亲和力小。对于铜、铝等有色金属以及塑料可以采用单点金刚石车削的方法，进行数控加工，直接得到超精密的光学表面。 图1 金刚石刀具与单点金刚石车削设备 有限单元法作为一种计算机仿真技术与求解方法，已经被广泛应用于科学研究的各个领域。计算机仿真实验的方法减少了物理实验的成本，加速了实验的过程。近年来，有限元仿真方法也被广泛的应用于加工过程的仿真中，作为一种预测切削力与工件表面质量的工具。本文主要介绍使用MSC.Marc进行单点金刚石车削原理的仿真方法。 2 超精密单点金刚石车削原理 理想状态下，采用圆弧刃单点金刚石刀具进行超精密撤销加工时，在工件加工表面形成轮廓峰和轮廓谷，它们之间的距离，就是所谓的理论残留高度或者理论粗糙度（如图2a）。
图2 单点金刚石切削原理示意图 在实际超精密切削塑性金属时，主切削刃和前刀面的主要任务是去除金属，切削层在前刀面的挤压作用下发生剪切滑移和塑性变形，然后形成切屑沿前刀面流出（如图2b）。前刀面的形状直接影响塑性变形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之间的摩擦特性，并直接对切削力、切削温度、切屑的折断方式和加工表面质量形成显著影响。主切削刃是前刀面和后刀面的交线。实际上前刀面和后刀面的交线不可能为理想直线，而是一微观交接的曲线。该曲线的形状可以近似用与其在不同位置的法平面相交成交线的平均曲率半径来反映，称其为刃口半径ρ。切削时刃前区的应力状态十分复杂，应力集中造成金属中位错集中，导致金属产生塑性变形和滑移分离，一部分金属成为切屑沿前刀面流出，另一部分金属经后刀面熨压留在已加工表面。因为两部分金属运动方向不同，必然使刀具刃口前金属呈拉伸状态，拉应力使刃前区金属的抗剪能力下降，在刀刃的直接作用下，金属产生滑移分离。刃口半径越小，应力越集中，变形越容易，切削力越小，加工表面质量越好。另外，切削层金属被通过分流点O且平行于已加工表面的分流线分为两部分，分流线以上的材料沿前刀面流出，分流线以下的塑性变形层被O点以下的刀刃熨压后成为已加工表面。经过熨压以后，刀刃下方的材料产生严重的压缩变形，对已加工表面质量产生直接的影响。 3 切削过程的有限元仿真 3.1 有限元仿真平台的选择 有限元仿真的大型的通用商业软件有NASTRAN、ASKA、SAP、ANSYS、MARC、ABAQUS、JIFEX等，这些软件包含了众多的单元形式、材料模型及分析能力，并具有网格自动划分、结果分析和显示等前后处理功能[2]。切削过程的有限元仿真属于非线性问题，材料将发生大变形，需要仿真平台需要具有网格自适应重划分功能。MSC.Marc的全局网格重划分功能为此需求提供了必要的支持，而且MSC.Marc具有强大的求解非线性问题的能力，也为用户提供了丰富的用户子程序接口，使得用户可以通过Fortran程序进行二次开发，自定义复杂的材料模型。相比较以往采用ABAQUS、Deform2D、Thirdwave AdvantEdge等软件进行的有限元仿真模型，MSC.Marc为用户提供了更强大而且更简便的解决方案。 3.2 切削模型的建立 切削过程的有限元仿真的关键问题之一是对切削产生的原理进行建模仿真。旧有的建模方法要在切屑与工件之间预先设定分离准则（包括几何分离准则和物力分离准则），即当变形达到某一预设条件或某一物理量（如应力、等效塑性应变、或应变能密度等）达到预定值的时候，切屑将从预设的位置进行断开。