Алмазное точение — это точение с использованием режущего инструмента с алмазным наконечником. Это процесс механической обработки прецизионных элементов с использованием токарных станков или производных станков (например, токарных фрез, вращающихся трансферов), оснащенных резцами с натуральным или синтетическим алмазным наконечником . Иногда применяется термин одноточечное алмазное точение ( SPDT ), хотя, как и в случае с другими токарными работами, метка «одноточечный» иногда является лишь номинальной (скругленные носики инструментов и контурные инструменты являются вариантами). Процесс алмазного точения широко используется для изготовления высококачественных асферических оптических элементов из кристаллов , металлов , акрила и других материалов. Пластиковая оптика часто формуется с использованием алмазных вставок для форм. Оптические элементы, изготовленные с помощью алмазного точения, используются в оптических сборках телескопов , видеопроекторов , систем наведения ракет , лазеров, научно-исследовательских приборов и многочисленных других систем и устройств. Большая часть SPDT сегодня выполняется с помощью станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Алмазы также используются в других процессах обработки, таких как фрезерование , шлифование и хонингование . Поверхности, обработанные алмазным точением, имеют высокую зеркальную яркость и не требуют дополнительной полировки или шлифовки, в отличие от других поверхностей, обработанных традиционным способом.
Алмазная токарная обработка — многоступенчатый процесс. Начальные этапы обработки выполняются с использованием серии токарных станков с ЧПУ повышенной точности. Алмазный токарный инструмент используется на заключительных этапах производственного процесса для достижения субнанометрового уровня отделки поверхности и субмикрометровой точности формы. [ требуется ссылка ] 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 отделки поверхности и точность формы контролируются на протяжении всего производственного процесса с использованием такого оборудования, как контактные и лазерные профилометры , лазерные интерферометры , оптические и электронные микроскопы . Алмазная токарная обработка чаще всего используется для изготовления инфракрасной оптики, поскольку на более длинных волнах средние пространственные частоты не влияют на оптические характеристики, поскольку они менее чувствительны к качеству отделки поверхности, и поскольку многие используемые материалы трудно полировать традиционными методами.
Регулирование температуры имеет решающее значение, поскольку поверхность должна быть точной на расстояниях, меньших длины волны света. Изменения температуры на несколько градусов во время обработки могут изменить форму поверхности достаточно, чтобы иметь эффект. Главный шпиндель может охлаждаться жидкой охлаждающей жидкостью, чтобы предотвратить отклонения температуры.
Алмазы, используемые в этом процессе, прочны в режиме нисходящей обработки, однако износ инструмента также сильно зависит от анизотропии кристаллов и обрабатываемого материала.
Для наилучшего качества натуральные алмазы используются в качестве одноточечных режущих элементов на заключительных этапах процесса обработки. Токарный станок с ЧПУ SPDT покоится на высококачественном гранитном основании с микрометрическим качеством обработки поверхности. Гранитное основание установлено на воздушной подвеске на прочном фундаменте, что обеспечивает строго горизонтальное положение его рабочей поверхности. Компоненты станка размещаются на гранитном основании и могут перемещаться с высокой степенью точности с помощью воздушной подушки высокого давления или гидравлической подвески. Обрабатываемый элемент крепится к воздушному патрону с помощью отрицательного давления воздуха и обычно центрируется вручную с помощью микрометра. Сам патрон отделен от электродвигателя, который его вращает, другой воздушной 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, сгенерированных компьютером. Обычно деталь, которую нужно создать, сначала описывается с помощью модели автоматизированного проектирования (CAD), затем преобразуется в G-код с помощью программы автоматизированного производства (CAM), а затем G-код выполняется компьютером управления станком для перемещения режущего инструмента. [ необходима цитата ] Окончательная поверхность достигается с помощью серии проходов резки для поддержания режима пластичной резки.
Альтернативные методы алмазной обработки на практике также включают алмазную летучую резку и алмазное фрезерование. Алмазная летучая резка может использоваться для создания дифракционных решеток и других линейных узоров с соответствующим образом контурированными алмазными формами. Алмазное фрезерование может использоваться для создания асферических линзовых решеток методами кольцевой резки сферическим алмазным инструментом.
Алмазная токарная обработка особенно полезна при резке материалов, пригодных для инфракрасных оптических компонентов и некоторых нелинейных оптических компонентов, таких как дигидрофосфат калия (KDP). KDP является идеальным материалом для алмазной токарно-фрезерной обработки, поскольку материал очень востребован из-за своих оптических модулирующих свойств, однако из этого материала невозможно изготовить оптику обычными методами. KDP растворим в воде, поэтому обычные методы шлифования и полировки неэффективны при изготовлении оптики. Алмазная токарная обработка хорошо подходит для изготовления оптики из KDP.
Как правило, алмазная токарная обработка ограничена определенными материалами. Материалы, которые легко поддаются обработке, включают: [1]
Наиболее часто запрашиваемые материалы, которые трудно поддаются механической обработке: [1]
Черные металлы нелегко поддаются обработке, поскольку углерод в алмазном инструменте химически реагирует с подложкой, что приводит к повреждению инструмента и затуплению после коротких отрезков. Было исследовано несколько методов предотвращения этой реакции, но лишь немногие из них оказались успешными для длинных процессов алмазной обработки в масштабах массового производства.
Улучшение срока службы инструмента рассматривалось при алмазной обработке, поскольку инструмент является дорогим. Гибридные процессы, такие как лазерная обработка, появились в этой отрасли недавно. [2] Лазер смягчает твердые и труднообрабатываемые материалы, такие как керамика и полупроводники, что облегчает их резку. [3]
Несмотря на всю автоматизацию процесса алмазной обработки, оператор-человек по-прежнему играет главную роль в достижении конечного результата. Контроль качества является важной частью процесса алмазной обработки и требуется после каждого этапа обработки, иногда после каждого прохода режущего инструмента. Если его не обнаружить немедленно, даже незначительная ошибка на любом из этапов резки приведет к дефектной детали. Чрезвычайно высокие требования к качеству оптики, обработанной алмазной обработкой, практически не оставляют места для ошибок.
Процесс производства SPDT дает относительно высокий процент дефектных деталей, которые необходимо отбраковывать. В результате себестоимость производства высока по сравнению с традиционными методами полировки. Даже при относительно большом объеме оптических компонентов, производимых с использованием процесса SPDT, этот процесс нельзя отнести к массовому производству, особенно по сравнению с производством полированной оптики. Каждый оптический элемент, обработанный алмазным точением, изготавливается индивидуально с использованием большого объема ручного труда.
Исследования в области одноточечной алмазной токарной обработки начались в конце 1940-х годов в компании Philips в Нидерландах, в то время как Национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе (LLNL) стала пионером в области SPDT в середине 1960-х годов. [4] К 1979 году LLNL получила финансирование для передачи этой технологии частной промышленности.
LLNL изначально сосредоточилась на двухкоординатной обработке осесимметричных поверхностей и разработала Large Optics Diamond Turning Machine (LDTM), высокоточный токарный станок. Они также экспериментировали с поверхностями свободной формы, используя быстрые сервоприводы инструментов и токарные работы XZC (медленный сервопривод инструментов), что привело к таким приложениям, как корректоры волнового фронта для лазеров.
Трехосная токарная обработка стала более распространенной в начале 1990-х годов, поскольку качество алмазов улучшилось. [5] Такие компании, как Zeiss, начали производить преломляющие линзы для инфракрасной оптики, продвигая производство оптики свободной формы. К 2002 году интерес к формам свободной формы расширился, особенно в фокусирующих линзах. Ранние приложения включали камеру Polaroid SX-70, а быстрые сервоприводы инструментов позволили быстро производить неосесимметричные поверхности для контактных линз.