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(yùn)動(dòng)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(shí)，對(duì)主軸只需很高的軸向運(yùn)動(dòng)精度，而對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)精度，才能減少對(duì)工件的形狀精度和表面粗糙度的影響。

    目前市場(chǎng)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(yùn)動(dòng)誤差在50nm以下，個(gè)別主軸的運(yùn)動(dòng)誤差已低于25nm。金剛石車床的滑臺(tái)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(lái)，美國(guó)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(tái)。

    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(tái)（X軸）裝在縱向滑臺(tái)（Z軸）上。因?yàn)榭v、橫滑臺(tái)的導(dǎo)軌相互垂直，故又被稱為十字滑臺(tái)布局。其優(yōu)點(diǎn)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(tái)布局的缺點(diǎn)在于縱橫兩滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)相互影響，當(dāng)對(duì)動(dòng)態(tài)精度要求高時(shí)，這種缺點(diǎn)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(zhǎng)度/mm400×200

    最高轉(zhuǎn)速r/mm3000、5000或7000

    最大進(jìn)給速度mm/min5000

    數(shù)控系統(tǒng)分辯率/mm0.0001或0.00005

    重復(fù)精度(±2σ)/mm≤0.0002/100

    主軸徑向圓跳動(dòng)/mm≤0.0001

    主軸軸向圓跳動(dòng)/mm≤0.0001

    滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線度/mm≤0.001/150

    橫滑臺(tái)對(duì)主軸的垂直度/mm≤0.002/100

    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(tái)的靜壓支承剛度/（N/μm）720

    十字滑臺(tái)相互影響的主要原因是X向滑臺(tái)的重量要由Z向滑臺(tái)來(lái)支撐。為了解決這一問(wèn)題，德國(guó)蔡司公司研制了一種改進(jìn)的十字滑臺(tái)（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(tái)上，但X向滑臺(tái)的重量不再由Z向沿臺(tái)來(lái)支撐，而是通過(guò)四條靜壓支柱直接由床身來(lái)支撐。

Z向滑臺(tái)只起帶動(dòng)和導(dǎo)向X向滑臺(tái)的作用，而無(wú)支撐功能。
    十字滑臺(tái)的另一個(gè)缺點(diǎn)是加工難度高，要達(dá)到高的縱橫滑臺(tái)導(dǎo)軌間的垂直度，需要大量的手工刮研工作量。在勞動(dòng)成本日益增長(zhǎng)的今天，這種耗時(shí)費(fèi)力的結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)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(tái)上，刀架則裝在另一滑臺(tái)上（見(jiàn)圖3），從而徹底解決了兩滑臺(tái)相互影響的問(wèn)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(dòng)軸的垂直度可在裝配時(shí)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(jiǎn)單幾何形狀如平面、圓錐和圓柱面時(shí)，刀刃與工件的接觸的在加工過(guò)程中保持不變，但在加工復(fù)雜形狀如橢球面時(shí)，刀刃與工件的接觸點(diǎn)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(wèn)題，通常有兩種途徑：一是提高刀具的形狀精度、但無(wú)論是購(gòu)置新刀具或重磨刀具，都要付出成倍于普通刀具的代價(jià)；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(tái)（見(jiàn)圖4）。刀具移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)工件的曲率和刀尖的圓弧半徑作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工件與刀刃的接觸點(diǎn)保持不變。但數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)的造價(jià)很高，因此在對(duì)該兩方案取舍時(shí)，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(lái)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(cè)）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(jìng)賽時(shí)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?yàn)榧t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(fèi)品中，金剛石車削常被用來(lái)加工有機(jī)玻璃和各種塑料，其應(yīng)用實(shí)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(lái)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(shí)應(yīng)用最廣的材料，因?yàn)樗葷M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(shí)，刀具易產(chǎn)生化學(xué)磨損這是因?yàn)楣ぞ咪撝刑荚嘏c金剛石產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)之故。所以此時(shí)要在刀架上附加一個(gè)超聲振動(dòng)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(shí)，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(gè)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。