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单点镜面车削的特点和对刀误差分析

来源：<a href='http://bbs.hqew.com/viewthread.php?tid=241205' target='_blank'>huangjiapeng</a> 作者：华仔 浏览：1366

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摘要： 摘要:阐述了单点镜面车削的工艺特点并分析了对刀误差对面形精度的影响。1单点镜面车削的特点镜面车削的表面粗糙度≤0.01µ：m，由于这种车削的精度高达几个纳米，因而又被称为纳米车削。它在光学仪器的加工中占有重要的地位，主要应用于铜铝类金属和锗硅类半导体材料的镜面加工。镜面车削后的表面粗糙度值极低和面型精度极高，要求刀具材质具有高的硬度和很好的耐磨性，因而多采用单晶金刚石刀具。又镜面车削可用于球面类零件


摘要:阐述了单点镜面车削的工艺特点并分析了对刀误差对面形精度的影响。
1 单点镜面车削的特点
镜面车削的表面粗糙度≤0.01µ：m，由于这种车削的精度高达几个纳米，因而又被称为纳米车削。它在光学仪器的加工中占有重要的地位，主要应用于铜铝类金属和锗硅类半导体材料的镜面加工。镜面车削后的表面粗糙度值极低和面型精度极高，要求刀具材质具有高的硬度和很好的耐磨性，因而多采用单晶金刚石刀具。又镜面车削可用于球面类零件的加工，所以采用单点车削方式，即车削过程中刀尖
圆弧上只有一点和工件表面接触，并随着加工过程的进行，接触点也在刀具上不停地移动，在走刀量小于切削点直径的条件下，这种加工方式不仅有利于精度的保证，也有利于延长刀具的使用寿命。
单点车削和普通数控车削在原理上没有大的区别，都有机床和刀具零位的概念，必要时都需要进行刀具补偿。但加工精度要比普通数控车削高出几个数量级，在普通数控车削中可以忽略不计的微小误差在镜面车削中却成为影响精度的重要误差，特别是刀具刀尖圆弧半径的微小误差在镜面车削中却成为影响精度的重要误差，特别是刀具刀尖圆弧半径的微小误差和细微的对刀误差这样一些在普通数控车削中完全不予考虑的误差却成为直接影响加工精度的重要因素。
N10 G11 G90
N20 M6 T1
N30 G97 S10000 M13
N40 G00 X-25
N50 Z-10
N60 G1 F25
N70 G42 X-60 Z-18.775 Z-8.775
N80 G2 X0 Z0 R40
N90 G1 G40 X0 Z5
图1 A点是刀具零位，C点是机床零位科太克

(a)
(b)
(c)
图2科太克
2 对刀误差分析
图1是凸球面零件的加工示例，程序见图右。
图2a是SR40球面加工完成后在干涉仪上检测面形的干涉图谱，该图谱表明零件在匹茨瓦焦点处有倾斜，参考球面和被测球面中心之间在垂直光轴方向偏离，零件球面不标准，表现为球面中心处有拐点出现，而其它部位面形良好，这说明误差集中出现在零件球面中心，此处曲率半径有变化，球面有可能凸起或凹下，导致零件产生面形超差，图2b是球面面形未超差的干涉图谱。
针对以上结果，笔者对球面加工的各个环节进行了分析。第一步进行的是测量刀具刀尖圆角半径，测量结果将直接用于刀具补偿值的计算。第二步进行对刀，使刀具零位位于主轴回转中心。第三步进行球面加工，在此过程中，工件上的切削点从B点移动到了A 点，刀具上的切削点相应也从b点移动到了a点(A 点和B点为工件上的切削点，而a点和b点为与之对应的刀具上的切削点)，这就是上文提到的单点车削，显然加工球面上每一点时此点在X轴和Z轴上的补偿值是不一样的。零件球面除中心部位外其它部位面形良好，表明加工系统正常工作，零件球面中心出现误差过大的情况和此处实际的补偿值与设定的补偿值不同有关，产生这种情况的原因是刀具零位A 点和机床零位C点在X轴向上不重合，因而出现对刀误差。刀具Z轴向的补偿值本应在A’ 处达到最大，而实际上在A 处就达到最大，这就产生了如图2a所示的面形超差(以上分析见图1)。

(a)
(b)
图3科太克
对刀误差产生的原因有两种，一种是金刚石刀具的刀尖圆弧刃磨不规则，导致刀尖圆弧半径和圆心的测量不准确，从而使刀具零点不在真正的零位，当启动刀具补偿功能加工球面时，球面的面形不仅在球面中心超差，而且在球面其它区域也会超差，这种情况下的检测干涉图谱会出现干涉条纹不规则的弯曲，必须通过重新修磨刀尖圆弧半径来解决。还有一种则是对刀时存在的操作误差，刀具零点不在真正的零位，这种情况下会出现如图2a或图3a的检测干涉图谱。这种情况通常发生在上刀或换刀时，有时显得无法避免，但可以通过以下方法进行修正。
首先判定对刀误差的方向，也即判定球面加工完成后刀具零点是未达到或已超过机床零位。以干涉仪检测所得的干涉条纹为依据，当条纹弯曲方向朝向工件圆心时(如图2a所示)，表明刀具零位已超过机床零位，这是因为工件面形(如图2c所示，虚线代表标准球面)在球心处存在一凸点。当条纹弯曲方向背离工件圆心时(如图3a所示)，表明刀具零位未超过机床零位，这时面形(如图3b所示)在球面中心有一凹点。以上是对凸球面零件的分析，对凹球面零件情况则正好相反。根据干涉仪的工作原理，通过以下等式可计算出修正数值d:
d=(N×l&timesD)/4(R/F)
式中：N——干涉条纹数目
l——干涉仪光波波长
D——零件球面直径
R——零件半径
F——干涉仪透镜数目
最后根据计算出的d值来调整刀具位置，使刀具零点和机床零点在X轴上投影重合，从而消除对刀误差，保证加工精度。 3 结束语
从以上分析可以看出镜面车削作为一种先进的制造技术与普通的车削加工在精度控制上有着很大的不同，微小的对刀误差在普通的数控车削加工中是可以忽略的，但在镜面车削加工中却对精度有很大的影响，能使面形超差十几个甚至几十个纳米。因此，镜面车床必须具有精确的位置测量和反馈系统，并有一套完整的加工体系，从而使加工精度得以保证。

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