1.金剛石車床的技術關鍵

    金剛石車床與鏡面銑床相比，其機械結構更為復雜，技術要求更為嚴格。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（現已與Precitech公司合并）的主要產品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)車床的結構，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、橫滑臺的導軌相互垂直，故又被稱為十字滑臺布局。其優(yōu)點是技術成熟，結構緊湊，荷蘭Hembrug公司的super-mikroturn就一直采用這種結構（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/mm400×200

    最高轉速r/mm3000、5000或7000

    最大進給速度mm/min5000

    數控系統(tǒng)分辯率/mm0.0001或0.00005

    重復精度(±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

    滑臺運動的直線度/mm≤0.001/150

    橫滑臺對主軸的垂直度/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）。其關鍵在于床身采用了大面積的花崗巖，Z向導軌直接加工在床身上，X向導軌雖然仍加工在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，但在加工復雜形狀如橢球面時，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構，在刀架下面裝一數控精密轉臺（見圖4）。刀具移動時，轉臺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。但數控精密轉臺的造價很高，因此在對該兩方案取舍時，必須進行經濟分析比較。

    3．金剛石車削的應用范圍和技術參數

    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(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(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。

    在大批量生產的產品中，光學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量。用金剛石刀具加工工具鋼時，刀具易產生化學磨損這是因為工具鋼中碳元素與金剛石產生化學反應之故。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0.1μm以下。工件表面粗糙度除與切削參數及機床特性有關外，還取決于材料的特性，絕大多數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前角刀具加工。

    金剛石車削的切削參數根據工件材料和機床特性而定。通常主軸轉速低于2000r／min，個別可達5000r／min。隱形眼鏡鏡片車床較特殊，其轉速可達10000r／min。