鏡面銑削的應(yīng)用非常廣泛,以下僅舉兩個應(yīng)用實例以供啟迪。
坦克的光學(xué)系統(tǒng)窗口現(xiàn)代作戰(zhàn)坦克的火炮系統(tǒng)均采用光電控制,其觀察系統(tǒng)除用于可見光外,還能于夜間觀察紅外光和由物體熱輻射形成的熱像,為了在野外的惡劣環(huán)境下保護這些敏感的光學(xué)元件,這些觀察控制系統(tǒng)均裝在坦克內(nèi)部,與外界接觸的是一塊對角長度約200mm的窗口,它需能透過各種波長的光。窗玻璃采用寬帶光學(xué)材料ZnS,其機械加工性很差,特別是在拋光時,除表面污染外,極易形成刻痕。故采用傳統(tǒng)的研磨與拋光方法,廢品率很高。如用鏡面銑,首先解決了表面污染問題,加工時只與金剛石刀接觸,而無其他媒體,由于金剛石化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定,不與ZnS發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種窗玻璃加工的另一難題是兩個光學(xué)表面的平行度,公差要求lμm以下。常規(guī)的拋光方法很難保證這一精度。采用鏡面銑削時,可先銑削工作臺面,使它與銑床導(dǎo)軌面平行,然后直接把工件放在工作臺上進行加工,以確保工件的平行度。由此可見,鏡面銑除可高效地替代常規(guī)的拋光加工外,還可完成拋光所不能加工的工作,為發(fā)展新型的光學(xué)系統(tǒng)開辟了新的生產(chǎn)途徑。
鏡面鏡削飛機玻璃現(xiàn)代大型客機的窗戶為有機玻璃制成,在飛機起飛與降落時,玻璃屢遭大氣中夾帶的沙塵的碰撞,飛行一定的起降次數(shù)后,窗戶玻璃的表面就變得十分粗糙,直接影響飛行員和乘客的視野、這對玻璃必須進行重新拋光修復(fù)。采用傳統(tǒng)的拋光方法,修復(fù)一塊玻璃薄常需要1h左右,當(dāng)玻璃有較深的零星刻痕時,加工時間更長。如采用鏡面銑的方法,所需時間不到拋光的一半,從而大大縮短飛機的維修時間,此法已被許多大的飛機維修中心所采用。
鏡面銑在超精密機床中屬于最簡單的一類。其關(guān)鍵部件為高精度主軸和低摩擦高平穩(wěn)定性的滑臺。在現(xiàn)有的鏡面銑床中,主軸多采用氣體靜壓支承,只有個別的主軸采用液體靜壓支承技術(shù)?;_的支承多數(shù)為氣體靜壓系統(tǒng),但最近幾年液體靜壓系統(tǒng)呈上長趨勢,其主要原因是液體靜壓系統(tǒng)具有高阻尼、高剛度優(yōu)點。
滑臺的驅(qū)動系統(tǒng)是達到高精度表面的關(guān)鍵,最初采用氣液缸驅(qū)動,后發(fā)展為平穩(wěn)的鋼帶驅(qū)動,最近又出現(xiàn)了高精度、高平穩(wěn)性的滾珠絲杠驅(qū)動和直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。滾珠絲杠驅(qū)動具有高剛性的特點,其平穩(wěn)必除電機外取決于絲杠螺母副的精度。與鋼帶驅(qū)動系統(tǒng)相比,滾珠絲杠驅(qū)動對電機的要求較低,因為電機轉(zhuǎn)一周,滑臺只前進一個螺距,而在鋼帶驅(qū)合系統(tǒng)中,滑臺要前進帶輪的一個周長。受鋼帶的材質(zhì)和厚度的影響,帶輪的直徑通常在40mm以上,為了盡可能減少電機平穩(wěn)性的影響,多數(shù)鋼帶驅(qū)動系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿減速器,其性能的優(yōu)劣決定了滑臺運動的平穩(wěn)性。
1.鏡面銑床的布局
鏡面銑床多采用立式布局。主軸裝在垂直滑臺上,工件裝夾在水平滑臺上,垂直滑臺只在加工開始前作進給移動,銑削過程中停留在某一位置不動,水平滑臺在切削時則作連續(xù)運動。這種布局的主要優(yōu)點在于工件可以直接放在水平滑臺上進行調(diào)整和裝夾,而且裝夾力不需很大,只要能克服切削力即可。立式布局尤其適合于加工較大的工件,它的缺點是排屑問題。由于工件處于水平位置,已加工表面上易堆積切屑,如果切屑被飛刀帶動擦過已加工表面,常造成刻痕或損傷,而在加工時使用冷卻液更為突出。為了解決然屬問題,有些鏡面銑床采用了臥式結(jié)構(gòu)。主軸裝在水平滑臺上,工件垂直裝在另一水平滑臺上,這種布局除了便于排屑外,還解決了某些超薄工件的自重變形問題,因而適合于加工較薄的大型平面。它的缺點是裝夾問題,當(dāng)工件較大較重時,調(diào)整工件位置十分困難。
除上述兩種基本布局外,還有一些在此基礎(chǔ)上衍生出的特殊布局。這些布局主要針對某一種或幾種固定產(chǎn)品,雖然通用性較差,但就其加工的主要產(chǎn)品而言,生產(chǎn)率提高。在立式鏡面銑床上裝了轉(zhuǎn)臺而改裝成的特殊銑床,除了可以加工普通平面外,通過調(diào)整刀盤的直徑和傾角,還可以加工各種橢圓柱面。如果在立式鏡面銑床的水平滑臺上裝一個精密轉(zhuǎn)臺,則構(gòu)成了工業(yè)上常用的多棱鏡銑床。這種多棱鏡廣泛用于圖像掃描和印刷工業(yè)。把前面所說的兩種布局加以組合并作一些調(diào)整就形成了新的球面鏡面銑床。改變刀盤的直徑和傾角的大小,就可加工不同半徑的球面。
2.鏡面銑的應(yīng)用范圍和技術(shù)參數(shù)
鏡面銑削的切削速度通常在30m/s左右。為了能加工出完美的工件,主軸在換刀后必須進行動平衡,以盡量減少動不平衡對工件表面造成的波紋。刀具的幾何形狀除與工件的幾何形狀有關(guān)外,主要取決于工件材料的物理特性。加工塑性材料如銅、鋁和鎳時,刀具的前角為0o,后角一般在5o~10o之間。刀尖圓弧半徑常用0.5~5mm,機床剛度高可采用較大的半徑以降低工件的表面粗糙度,如采用較小的刀尖半徑時,為不使表面粗糙度惡化須相應(yīng)減少進給量。加工疏性材料如硅、鍺、CaF2和ZnS時,刀具的前角一般在-15o~-45o之間選用。最佳前角除取決于材料本身外,還取決于機床和裝夾系統(tǒng)的剛度,最好通過生產(chǎn)試驗來確定。
鏡面銑削的平面度可達0.1μm。粗糙度除取決于機床、刀具的因素外,還與工件材料本身的特性有關(guān),絕大多數(shù)情況下,以均方很值(rms)表示的粗糙度在Rql~5nm。對于紅外范圍的光學(xué)元件,鏡面銑削后的形狀精度和表面糙度完全可以滿足要求,鍍膜后就可直接使用。在可見光,紫外光和X范圍內(nèi),銑削刀痕有時會引起光的散射,從而減弱系統(tǒng)的光學(xué)效率或成像質(zhì)量。為了避免這一缺點,許多光學(xué)元件常選用鎳作為材料,在鏡面削后,再進行少量的拋光,使表面粗糙度達到Rq0.l~0.5nm。