金剛石車床的布局最初沿襲了傳統車床的結構,主軸固定在床身上,橫向沿台(X軸)裝在縱向滑台(Z軸)上。因為縱、橫滑台的導軌相互垂直,故又被稱為十字滑檯布局。其優點是技術成熟,結構緊湊,荷蘭Hembrug公司的super-mikroturn就一直採用這種結構。十字滑檯布局的缺點在於縱橫兩滑台運動時相互影響,當對動態精度要求高時,這種缺點就尤為突出。
金剛石車床的基本數據如表1所示。
表 1 金剛石車床技術參數和性能示例
最大車削直徑和長度/mm 400×200
最高轉速r/mm 3000、5000或7000
最大進給速度mm/min 5000
數控系統分辯率/mm 0.0001或0.00005
重複精度(±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
滑台運動的直線度/mm ≤0.001/150
橫滑台對主軸的垂直度/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
縱橫滑台的靜壓支承剛度/(N/μm) 720
十字滑台相互影響的主要原因是X向滑台的重量要由Z向滑台來支撐。為了解決這一問題,德國蔡司公司研製了一種改進的十字滑台(圖2)。其關鍵在於床身採用了大面積的花崗岩,Z嚮導軌直接加工在床身上,X嚮導軌雖然仍加工在Z向滑台上,但X向滑台的重量不再由Z向沿台來支撐,而是通過四條靜壓支柱直接由床身來支撐。Z向滑台只起帶動和導向X向滑台的作用,而無支撐功能。
十字滑台的另一個缺點是加工難度高,要達到高的縱橫滑台導軌間的垂直度,需要大量的手工刮研工作量。在勞動成本日益增長的今天,這種耗時費力的結構的缺點日益明顯。因而在80年代出現了T形布局(T-Base)。
T形布局車床的主軸裝在縱向或橫向滑台上,刀架則裝在另一滑台上,從而徹底解決了兩滑台相互影響的問題。這種布局有利於提高機床的閉環剛度。另外,縱橫兩移動軸的垂直度可在裝配時進行調整,生產成本較低,成為當前金剛石車床的主流布局。
上述結構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,但在加工複雜形狀如橢球面時,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,其誤差將被直接複印在工件上,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,都要付出成倍於普通刀具的代價;另一途徑是改變機床的結構,在刀架下面裝一數控精密轉檯。刀具移動時,轉檯根據工件的曲率和刀尖的圓弧半徑作相應轉動,從而使工件與刀刃的接觸點保持不變。但數控精密轉檯的造價很高,因此在對該兩方案取捨時,必須進行經濟分析比較。
3.金剛石車削的應用範圍和技術參數
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,其主要產品是各種光學系統中的反射鏡,如射電望遠鏡的主鏡面,LiDA(激光探測)系統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,各種紅外光學元件的需求量猛增,金剛石車削可加工各種紅外光學材料如鍺、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元件的數量,因為紅外材料的透射率較低,元件少可提高光學系統的透光性能,另外還可節約昂貴的紅外材料。
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