Алмазная токарная обработка - Diamond turning

Алмазная резка

Алмазная токарная обработка является превращение используя режущий инструмент с алмаз кончик. Это процесс механического механическая обработка прецизионных элементов с использованием токарные станки или производные станки (например, токарно-фрезерные станки, поворотные трансферы), оборудованные алмазными напайками из природных или синтетических материалов. инструменты. Период, термин одноточечное алмазное точение (SPDT) иногда применяется, хотя, как и в случае с другими токарными работами, метка «одноточечная» иногда бывает только номинальной (закругленные концы инструмента и инструменты контурной формы являются опциями). Процесс алмазной токарной обработки широко используется для изготовления высококачественных асферический оптические элементы из кристаллы, металлы, акрил, и другие материалы. Пластиковая оптика часто формуется с использованием алмазных вставок. Оптические элементы, изготовленные методом алмазного точения, используются в оптических узлах в телескопы, видеопроекторы, наведение ракеты системы, лазеры, инструменты для научных исследований и многие другие системы и устройства. Большинство SPDT сегодня выполняется с компьютерное числовое программное управление (ЧПУ) станки. Алмазы также используются в других процессах обработки, таких как фрезерование, шлифование и хонингование. Поверхности с алмазной обработкой имеют высокую зеркальную яркость и не требуют дополнительной полировки или полировки, в отличие от других поверхностей, обработанных традиционным способом.

Процесс

Алмазное точение - это многоступенчатый процесс. Начальные этапы обработки выполняются на серии токарных станков с ЧПУ повышенной точности. Токарный станок с алмазными напайками используется на последних этапах производственного процесса для достижения суб-нанометр ровная поверхность и суб-микрометр точность формы.[нужна цитата ] Качество отделки поверхности измеряется как расстояние от пика до впадины канавок, оставленных токарным станком. Точность формы измеряется как среднее отклонение от идеальной целевой формы. Качество обработки поверхности и точность формы контролируется на протяжении всего производственного процесса с использованием такого оборудования, как контактное и лазерное. профилометры, лазер интерферометры, оптический и электронные микроскопы. Алмазное точение чаще всего используется для изготовления инфракрасной оптики, потому что при более длинных волнах оптические характеристики менее чувствительны к качеству отделки поверхности, а также потому, что многие из используемых материалов трудно полировать традиционными методами.

Контроль температуры имеет решающее значение, потому что поверхность должна быть точной на расстояниях короче длины волны света. Температурные изменения на несколько градусов во время обработки могут изменить форму поверхности в достаточной степени, чтобы оказать влияние. Главный шпиндель может охлаждаться жидким хладагентом для предотвращения отклонений температуры.

Алмазы, которые используются в процессе, невероятно прочны в вертикальном направлении вниз, но очень слабы в вертикальном и боковом направлениях.

Станок

Для достижения наилучшего качества природные алмазы используются в качестве одноточечных режущих элементов на заключительных этапах процесса обработки. Токарный станок с ЧПУ SPDT опирается на высококачественный гранит основание с микрометровой чистотой поверхности. Гранитное основание размещается на пневмоподвеске на прочном основании, при этом рабочая поверхность остается строго горизонтальной. Компоненты станка размещаются на гранитной основе и могут перемещаться с высокой точностью с помощью воздушной подушки высокого давления или гидравлической подвески. Обрабатываемый элемент прикреплен к воздушному чак с использованием отрицательного давления воздуха и обычно центрируется вручную с помощью микрометра. Сам патрон отделен от вращающего его электродвигателя другой пневматической подвеской.

Режущий инструмент перемещается с субмикронной точностью за счет комбинации электродвигателей и пьезоэлектрический приводы. Как и на других станках с ЧПУ, движение инструмента контролируется списком координат, генерируемым компьютером. Обычно создаваемая деталь сначала описывается с помощью CAD модель, затем преобразована в G-код используя CAM Затем управляющий компьютер машины выполняет G-код для перемещения режущего инструмента.[нужна цитата ] Окончательная поверхность достигается серией проходов резания с уменьшающейся глубиной.

Альтернативные методы алмазной обработки на практике также включают алмазную фрезеровку и алмазное фрезерование. Алмазная резка может использоваться для создания дифракционные решетки и другие линейные узоры с правильно очерченными ромбами. Алмазное фрезерование можно использовать для создания массивов асферических линз методами резки кольцевого пространства с помощью сферического алмазного инструмента.

Материалы

Алмазное точение особенно полезно при резке материалов, пригодных для использования в качестве компонентов инфракрасной оптики и некоторых нелинейных оптических компонентов, таких как дигидрофосфат калия (ДПК). KDP - идеальный материал для алмазного точения, потому что этот материал очень желателен для оптическая модуляция свойств, однако из этого материала обычными методами сделать оптику невозможно. KDP водорастворим, поэтому обычное измельчение и полировка методы не эффективны в производстве оптики. Алмазное точение хорошо подходит для производства оптики из KDP.

Как правило, алмазная токарная обработка ограничивается определенными материалами. Материалы, которые легко поддаются обработке, включают:[1]

Наиболее часто запрашиваемые материалы, которые не поддаются механической обработке:[1]

Металлические материалы не поддаются механической обработке, поскольку углерод в алмазном инструменте химически реагирует с подложкой, что приводит к повреждению инструмента и затуплению после резки на короткие отрезки. Было исследовано несколько методов предотвращения этой реакции, но немногие из них оказались успешными для процессов обработки длинных алмазов в массовом производстве.

При алмазной токарной обработке рассматривается вопрос о повышении стойкости инструмента, так как инструмент стоит дорого. В последнее время в этой отрасли появились гибридные процессы, такие как лазерная обработка.[2]Лазер смягчает твердые и труднообрабатываемые материалы, такие как керамика и полупроводники, что упрощает их резку.[3]

Контроль качества

Несмотря на всю автоматизацию процесса алмазной токарной обработки, человек-оператор по-прежнему играет основную роль в достижении конечного результата. Контроль качества является важной частью процесса алмазной токарной обработки и требуется после каждого этапа обработки, иногда после каждого прохода режущего инструмента. Если это не обнаруживается сразу, даже небольшая ошибка на любом из этапов резки приводит к дефектной детали. Чрезвычайно высокие требования к качеству оптики с алмазным точением практически не оставляют места для ошибки.

В процессе производства SPDT образуется относительно высокий процент дефектных деталей, которые необходимо выбросить. В результате стоимость производства высока по сравнению с обычными методами полировки. Даже при относительно большом количестве оптических компонентов, производимых с использованием процесса SPDT, этот процесс нельзя классифицировать как массовое производство, особенно по сравнению с производством полированной оптики. Каждый оптический элемент с алмазной точением изготавливается в индивидуальном порядке с большим ручным трудом.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Марк Крейг Герхман (1986). «Технические характеристики и особенности изготовления оптических компонентов, обработанных алмазной обработкой» (PDF). Спецификации оптических компонентов для лазерных систем и других современных оптических систем. 607: 36–45.
  2. ^ Мохаммади, Хоссейн; Пойраз, Х. Богач; Равиндра, Дипак; Паттен, Джон А. (2014). «Одноточечная алмазная токарная обработка кремния с использованием технологии микролазерной обработки». Международная научно-техническая конференция ASME 2014. 2. Дои:10.1115 / MSEC2014-4138.
  3. ^ Мохаммади, Хоссейн; Пойраз, Х. Богач; Равиндра, Дипак; Паттен, Джон А. (2015). «Улучшение качества поверхности неполированной кремниевой пластины с помощью микролазерной обработки». Международный журнал абразивных технологий. 7 (2): 107–121. Дои:10.1504 / IJAT.2015.073805.