精密加工和超精密加工
精密加工和超精密加工
1．镜面铣技术及其应用
1. 镜面铣在超精密机床中属于最简单的一类。其关键部件为高精度主轴和低摩擦高平稳定性的滑台。在现有的镜面铣床中，主轴多采用气体静压支承，只有个别的主轴采用液体静压支承技术。滑台的支承多数为气体静压系统，但最近几年液体静压系统呈上长趋势，其主要原因是液体静压系统具有高阻尼、高刚度优点。
2．镜面铣床的布局
如图1所示，镜面铣床多采用立式布局。主轴装在垂直滑台上，工件装夹在水平滑台上，垂直滑台只在加工开始前作进给移动，铣削过程中停留在某一位置不动，水平滑台在切削时则作连续运动。这种布局的主要优点在于工件可以直接放在水平滑台上进行调整和装夹，而且装夹力不需很大，只要能克服切削力即可。立式布局尤其适合于加工较大的工件，它的缺点是排屑问题。由于工件处于水平位置，已加工表面上易堆积切屑，如果切屑被飞刀带动擦过已加工表面，常造成刻痕或损伤，而在加工时使用冷却液更为突出。
为了解决然属问题，有些镜面铣床采用了图2所示的卧式结构。主轴装在水平滑台上，工件垂直装在另一水平滑台上，这种布局除了便于排屑外，还解决了某些超薄工件的自重变形问题，因而适合于加工较薄的大型平面。它的缺点是装夹问题，当工件较大较重时，调整工件位置十分困难。究竟采用哪种布局合适？主要取决于被加工工件的特点，只有限定工件的形状与尺寸范围，才能决定出最佳的布局。
除上述两种基本布局外，还有一些在此基础上衍生出的特殊布局。这些布局主要针对某一种或几种固定产品，虽然通用性较差，但就其加工的主要产品而言，生产率提高。
图3是一台在立式镜面铣床上装了转台而改装成的特殊铣床。用它除了可以加工普通平面外，通过调整刀盘的直径和倾角，还可以加工各种椭圆柱面。
如果在立式镜面铣床的水平滑台上装一个精密转台，则构成了工业上常用的多棱镜铣床(图4)。这种多棱镜广泛用于图像扫描和印刷工业。
把图3和图4的布局加以组合并作一些调整就形成了图5a和b所示的球面镜面铣床。改变刀盘的直径和倾角的大小，就可加工不同半径的球面。
3．镜面铣的应用范围和技术参数
镜面铣削的切削速度通常在30m/s左右。为了能加工出完美的工件，主轴在换刀后必须进行动平衡，以尽量减少动不平衡对工件表面造成的波纹。刀具的几何形状除与工件的几何形状有关外，主要取决于工件材料的物理特性。加工塑性材料如铜、铝和镍时，刀具的前角为0o，后角一般在5o～10o之间。刀尖圆弧半径常用0.5～5mm，机床刚度高可采用较大的半径以降低工件的表面粗糙度，如采用较小的刀尖半径时，为不使表面粗糙度恶化须相应减少进给量。
加工疏性材料如硅、锗、CaF2和ZnS时，刀具的前角一般在-15o～-45o之间选用。最佳前角除取决于材料本身外，还取决于机床和装夹系统的刚度，最好通过生产试
验来确定。
镜面铣削的平面度可达0.1μm。粗糙度除取决于机床、刀具的因素外，还与工件材料本身的特性有关，绝大多数情况下，以均方很值（rms）表示的粗糙度在R q l～5nm。对于红外范围的光学元件，镜面铣削后的形状精度和表面糙度完全可以满足要求，镀膜后就可直接使用。在可见光，紫外光和X范围内，铣削刀痕有时会引起光的散射，从而减弱系统的光学效率或成像质量。为了避免这一缺点，许多光学元件常选用镍作为材料，在镜面削后，再进行少量的抛光，使表面粗糙度达到R q0.l～0.5nm。
镜面铣削的应用非常广泛，以下仅举两个应用实例以供启迪。
（1）镜面镜削飞机玻璃现代大型客机的窗户为有机玻璃制成，在飞机起飞与降落时，玻璃屡遭大气中夹带的沙尘的碰撞，飞行一定的起降次数后，窗户玻璃的表面就变得十分粗糙，直接影响飞行员和乘客的视野、这对玻璃必须进行重新抛光修复。采用传统的抛光方法，修复一块玻璃薄常需要1h左右，当玻璃有较深的零星刻痕时，加工时间更长。如采用镜面铣的方法，所需时间不到抛光的一半，从而大大缩短飞机的维修时间，此法已被许多大的飞机维修中心所采用。
（2）坦克的光学系统窗口现代作战坦克的火炮系统均采用光电控制，其观察系统除用于可见光外，还能于夜间观察红外光和由物体热辐射形成的热像，为了在野外的恶劣环境下保护这些敏感的光学元件，这些观察控制系统均装在坦克内部，与外界接触的是一块对角长度约200mm的窗口，它需能透过各种波长的光。窗玻璃采用宽带光学材料ZnS，其机械加工性很差，特别是在抛光时，除表面污染外，极易形成刻痕。故采用传统的研磨与抛光方法，废品率很高。如用镜面铣，首先解决了表面污染问题，加工时只与金刚石刀接触，而无其他媒体，由于金刚石化学性质十分稳定，不与ZnS发生化学反应。这种窗玻璃加工的另一难题是两个光学表面的平行度，公差要求lμm以下。常规的抛光方法很难保证这一精度。采用镜面铣削时，可先铣削工作台面，使它与铣床导轨面平行，然后直接把工件放在工作台上进行加工，以确保工件的平行度。由此可见，镜面铣除可高效地替代常规的抛光加工外，还可完成抛光所不能加工的工作，为发展新型的光学系统开辟了新的生产途径。
2．金刚石车削技术及其应用
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
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R q1～5nm。
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。3．精密和超精密磨削
1．精密和超精密磨削的技术关键
在工具和模具制造中，磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工序。技术关键除磨床本身外、磨削工艺也起决定性的作用。在磨削脆性材料时，由于材料本身的物理特性，切屑形成多为脆性断裂，磨剂后的表面比较粗糙。在某些应用场合如光学元件，这样的粗糙表面必须进行抛光，它虽能改善工件的表面粗糙度，但由于很难控制形状精度，抛光后经常会降低。为了解决这一矛盾，在80年代末日本和欧美的众多公司和研究机构相继推回了两种新的磨削工艺：塑性磨削（Ductile Grinding）和镜面磨削（Mirror Grinding）。
（1）塑性磨削它主要是针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺的切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来。所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削（Shere Mode Grindins）。由此磨削后的表面没有微裂级形成，也没有脆必剥落时的元规则的凹凸不平，表面呈有规则的纹理。
塑性磨削的机理至今不十分清楚在切屑形成由脆断向逆性剪切转变为塑断，这一切削深度被称为临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般来说，临界切削深度在100μm以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（Nanogrinding）。根据这一理论，有些人提出了一种观点，即塑性磨削要靠特殊磨床来实现。这种特殊磨床必须满足如下要求：
l）极高的定位精度和运动精度。以免因磨粒的切削深度超过100μm时，导致转变为脆性磨削。
2）极高的刚性。因为塑性磨削的切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性太低，
会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。
对形成塑性磨削的另一种观点认为切削深度不是唯一的因素，只有磨削温度才是切屑由脆性向塑性转变的关键。从理论上讲，当磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致了切屑形成机理的变化。作者从实践中找到了支持这种观点的许多证据：比如在一台已经服役20多年的精度和刚度不高的平面磨床上磨削SiC陶瓷，用40O0#的金刚石砂轮。工件表面粗糙度小于R q5μm，表面上看不到脆断的痕迹。另外德国亚琛工业大学的Konig教授作了如下试验，在普通的车床上，用激光局部加热一个SiN陶瓷试件，即能顺利地进行车削。这些实验均间接地说明温度对切屑形成机理有决定性的影响。
（2）镜面磨削顾名思义，它关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝和钼等。为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所的Nakagawa和Ohmori教授发明了电解在线修整磨削法ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。
镜面磨削的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽可能小的磨粒粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。在ELID发明之前，微粒度砂轮在工业上应用很少，原因是微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整，修整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。ELID首次解决了仅用微粒度砂轮时，修整与磨削在时间上的矛盾，从而为微粒度砂轮的工业应用创造条件。
ELID磨削的关键是用与常规不同的砂轮，它的结合剂通常为青铜或铸铁。图1是ELID在平面磨床上应用的原理及实验装置。在使用ELID磨削时，冷却润滑液为一种特殊的电解液。当电极与砂轮之间接上一电压时，砂轮的结合剂发生氧化。在切削力作用下，氧化层脱落从而露出了锋利的磨粒（图2）。由于电解修整过程在磨削时连续进行，所以能保证砂轮在整个磨削过程中保持同一锋利状态。这样既可保证工件表面质量的一致性，又可节约以往修整砂轮时所需的辅助时间。满足了生产率要求。
ELID磨削方法除适用于金刚石砂轮外，也适用于氮化硼砂轮，应用范围几乎可以覆盖所有的工件材料。它最适合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙度可达R q1nm的水平，即使在可见光范围内，这样的表面确实可以作为镜面来使用。ELID磨削的生产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应用场合取代了抛光工序。最典型的例子就是加工各种泵的陶瓷密封圈，传统的工艺是先磨再抛光，采用ELID磨削，只需一道工序，既节约时间又节省投资。
ELID也被用于加工其他几何形状如球面、柱面和环面等。按镜面的不同要求，可用于部分取代抛光或把抛光的时间降到最低的水平。
ELID磨削虽有上述优点，但在某些应用场合也有一些缺点。比如在摩削玻璃时，如果采用较大的粒度（2μm），由于砂轮的磨粒连续更替，部分磨粒不断脱离结合剂而成为自由磨粒，这些磨粒在工件与砂轮间作无规则的滚动，个别磨粒会在工件表面上造成局部的无规则的刻痕，其深度有时能超过磨料的半径。图3是一个ELID磨削过的工件表面，若不考虑局部的刻痕，其表面粗糙度已达R q5nm的水平，但由于这样的刻痕，使工件的抛光量要增加到3～5μm，镜面磨削的应用价值在这种情况下被相应地减弱。
由此可见，是否要采用镜面磨削，关键在于应用场合。假如个别刻痕不影响工件的使用，镜面磨削可以取代研磨和抛光，并提高生产效率。否则必须综合考虑所有的加工过程以确定最佳的加工工序的组合。