Алмазная токарная обработка

Алмазная резка

Алмазная токарная обработка – это токарная обработка с режущим инструментом алмазным наконечником . Это процесс механической обработки прецизионных элементов с использованием токарных станков с натуральными или синтетическими алмазами или производных станков (например, токарных фрез, ротационных передач), оснащенных долотами . Иногда применяется термин «одноточечная алмазная обработка » ( SPDT ), хотя, как и в случае других токарных работ, метка «одноточечная» иногда носит лишь номинальный характер (опциями являются радиусные вершины инструментов и инструменты контурной формы). Процесс алмазного точения широко применяется для изготовления высококачественных асферических оптических элементов из кристаллов , металлов , акрила и других материалов. Пластиковая оптика часто отливается с использованием вставок пресс-форм, обработанных алмазом. Оптические элементы, изготовленные методом алмазного точения, используются в оптических сборках телескопов , видеопроекторов , систем наведения ракет , лазеров, научно-исследовательских приборов и многих других систем и устройств. Сегодня большая часть SPDT выполняется на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Алмазы также используются в других процессах обработки, таких как фрезерование , шлифование и хонингование . Поверхности, обработанные алмазом, имеют высокую зеркальную яркость и не требуют дополнительной полировки или полировки, в отличие от других поверхностей, обработанных традиционным способом.

Процесс

Алмазное точение – многоэтапный процесс. Начальные этапы механической обработки осуществляются с использованием серии токарных станков с ЧПУ повышенной точности. Токарный станок с алмазным наконечником используется на заключительных этапах производственного процесса для достижения субнанометровой чистоты поверхности и субмикронной точности формы. Качество отделки поверхности измеряется как расстояние от вершины до впадины канавок, оставленных токарным станком. Точность формы измеряется как среднее отклонение от идеальной целевой формы. Качество обработки поверхности и точность формы контролируются на протяжении всего производственного процесса с помощью такого оборудования, как контактные и лазерные профилометры , лазерные интерферометры , оптические и электронные микроскопы . Алмазное точение чаще всего используется для изготовления инфракрасной оптики, поскольку на более длинных волнах оптические характеристики менее чувствительны к качеству обработки поверхности, а также потому, что многие из используемых материалов трудно полировать традиционными методами.

Контроль температуры имеет решающее значение, поскольку поверхность должна быть точной на масштабах расстояний, меньших длины волны света. Изменения температуры на несколько градусов во время обработки могут изменить форму поверхности настолько, что это будет иметь эффект. Главный шпиндель может охлаждаться жидкой охлаждающей жидкостью для предотвращения отклонений температуры.

Алмазы, которые используются в этом процессе, прочны в режиме спуска, но износ инструмента также сильно зависит от анизотропии кристаллов и обрабатываемого материала.

Станок

Для достижения наилучшего качества природные алмазы используются в качестве одноточечных режущих элементов на заключительных этапах процесса обработки. Токарный станок SPDT с ЧПУ установлен на высококачественном гранитном основании с микрометрической чистотой поверхности. Гранитное основание устанавливается на пневмоподвеске на прочный фундамент, сохраняя его рабочую поверхность строго горизонтальной. Детали станка размещаются на гранитном основании и могут перемещаться с высокой степенью точности с помощью воздушной подушки высокого давления или гидравлической подвески. Обработанный элемент прикрепляется к пневматическому патрону с помощью отрицательного давления воздуха и обычно центрируется вручную с помощью микрометра. Сам патрон отделен от электродвигателя, который его вращает, другой пневматической подвеской.

Режущий инструмент перемещается с субмикронной точностью с помощью комбинации электродвигателей и пьезоэлектрических приводов. Как и в других станках с ЧПУ, движение инструмента контролируется списком координат, создаваемым компьютером. Обычно создаваемая деталь сначала описывается с использованием модели автоматизированного проектирования (САПР), затем преобразуется в G-код с помощью программы автоматизированного производства (CAM), а затем G-код выполняется компьютером управления станком для переместить режущий инструмент. Окончательная поверхность достигается серией проходов резки для поддержания пластичного режима резки.

Альтернативные методы алмазной обработки на практике также включают алмазную резку и алмазное фрезерование. Алмазная резка может использоваться для создания дифракционных решеток и других линейных узоров с ромбовидными формами соответствующего контура. Алмазное фрезерование можно использовать для создания массивов асферических линз с помощью методов резки кольцевого пространства с помощью сферического алмазного инструмента.

Материалы

Алмазное точение особенно полезно при резке материалов, которые пригодны в качестве компонентов инфракрасной оптики и некоторых нелинейных оптических компонентов, таких как дигидрофосфат калия (KDP). KDP является идеальным материалом для алмазного точения, поскольку этот материал очень желателен из-за своих оптически модулирующих свойств, однако из этого материала невозможно изготовить оптику традиционными методами. ДПК растворим в воде, поэтому традиционные методы шлифовки и полировки не эффективны при производстве оптики. Алмазное точение хорошо подходит для изготовления оптики из ДПК.

Как правило, алмазная обработка ограничена определенными материалами. К материалам, легко поддающимся механической обработке, относятся:

• Пластмассы
  • Ацеталь
  • Акрил
  • Нейлон
  • Поликарбонат
  • Полипропилен
  • Полистирол
  • Зеонекс
• Металлы
  • Алюминий и алюминиевые сплавы
  • Латунь
  • Медь
  • Золото
  • Никель-фосфорный сплав, нанесенный электролитическим или химическим никелированием на другие материалы.
  • Серебро
  • Полагать
  • Цинк
• Инфракрасные кристаллы
  • Сульфид кадмия
  • Теллурид кадмия
  • фторид кальция
  • Йодид цезия
  • арсенид галлия
  • германий
  • Ниобат лития
  • Бромид калия
  • Дигидрофосфат калия (ДГФ)
  • Кремний
  • Хлорид натрия
  • Диоксид теллура
  • Селенид цинка
  • Сульфид цинка

Наиболее часто востребованными материалами, которые трудно поддаются механической обработке, являются:

• Стекла и керамика на основе кремния.
• Черные материалы ( сталь , железо )
• Бериллий
• Титан
• Молибден
• Никель (кроме химического никелирования)

Черные металлы трудно поддаются механической обработке, поскольку углерод в алмазном инструменте вступает в химическую реакцию с подложкой, что приводит к повреждению инструмента и его затуплению после резки короткой длины. Было исследовано несколько методов предотвращения этой реакции, но лишь немногие из них оказались успешными при длительных процессах алмазной обработки в масштабах массового производства.

Вопрос об увеличении срока службы инструмента рассматривается при алмазном точении, поскольку этот инструмент стоит дорого. Недавно в этой отрасли появились гибридные процессы, такие как лазерная обработка. Лазер смягчает твердые и труднообрабатываемые материалы, такие как керамика и полупроводники, что облегчает их резку.

Контроль качества

Несмотря на всю автоматизацию процесса токарной обработки алмазов, основную роль в достижении конечного результата по-прежнему играет человек-оператор. Контроль качества является основной частью процесса алмазного точения и необходим после каждого этапа обработки, а иногда и после каждого прохода режущего инструмента. Если ее не обнаружить сразу, то даже минутная ошибка на любом из этапов резки приводит к браку детали. Чрезвычайно высокие требования к качеству оптики, обработанной алмазом, практически не оставляют права на ошибку.

В процессе производства SPDT образуется относительно высокий процент бракованных деталей, которые необходимо выбрасывать. В результате производственные затраты высоки по сравнению с традиционными методами полировки. Даже при относительно большом объёме производства оптических компонентов методом SPDT этот процесс нельзя отнести к массовому производству, особенно по сравнению с производством полированной оптики. Каждый оптический элемент с алмазной обработкой изготавливается индивидуально с использованием обширного ручного труда.

См. также

• Изготовление и тестирование (оптические компоненты)