在單點金剛石機床上用刨削加工微槽的方法*

李偉國，周歡偉，李克天

（1.廣東機械技師學院，廣東廣州 510450；2.廣州鐵路職業技術學院，廣東廣州 510430；3.廣東工業大學，廣東省微納加工技術與裝備重點實驗室，廣東廣州 510060）

美國摩爾公司生產的NanoTech 350FG機床是一種超精密自由曲面加工機床，具有三條直線運動軸X、Y和Z以及兩個旋轉軸B和C?？蓪崿F的加工方式有兩軸車削、銑削、飛刀切削、刨削和磨削等，還可以實現快刀伺服和慢刀伺服加工。用于加工球面、非球面以及自由曲面的光學鏡面以及其他高精度機械零件，例如模具的模仁。還能加工微結構陣列等結構。該機床能夠加工的材料有：鋁、鎳、黃銅、銅、鍺和硅等。在刀座上可安裝單點金剛石刀具，也可以在機床配套的高速氣浮磨頭上安裝砂輪，用于加工玻璃、碳化鎢、鋼和碳化硅等材料。該機床加工零件的形狀精度達到亞微米級，表面粗糙度Ra小于3 nm。數控系統采用Delta Tao系統，五軸聯動。與工業界普遍使用的五軸加工中心等機床相比，具有許多特殊處。例如：由于加工精度高，加工表面如鏡面，所以刀具對主軸中心的要求高；由于主軸轉速高，需要調動平衡；數控程序的有效數值一般在小數點后六位數，一般CAM軟件生成的程序有效值在小數點后三位數。因此，使用該超精密機床的動作要特別小心和注意各項操作步驟。

圖1 超精密五軸自由曲面加工機床Nanotech 350FG

圖2 光學對刀儀OTC

圖3 刀尖輪廓圖像

圖4 工件安裝在機床主軸上

1 準備階段

Nanotech 350 FG超精密五軸自由曲面加工機床如圖1所示。

首先在機床上安裝金剛石刀具，本文選用Contour Fine Tooling Ltd公司生產的刀具，刀尖圓弧半徑為R0.5。用機床提供的光學對刀儀OTS將刀尖圓弧的圓心對準主軸軸線。OTS由CCD相機、圖像采集卡、導線和控制軟件等組成。通過輸入刀尖輪廓圓弧上的超過三點的位置，對刀系統可以計算出刀尖圓弧半徑的圓心的X和Z軸坐標位置，Y坐標的位置由調整對刀儀鏡頭與刀平面的焦距而獲得。刀具調整過程是：將刀具安裝在刀架上，光學對刀儀的鏡頭聚焦在刀具上，如圖2所示。刀具的圖像可以在屏幕上看到，如圖3所示。沿著刀具的圓弧輪廓移動十字光標，點擊至少3個點。系統計算出圓弧圓心的X、Y、Z坐標，即機床X、Y、Z軸的原點到刀尖圓弧圓心的距離。

將光學對刀儀OTS測量的數據裝載到刀具庫T0101中，當運行NC程序時，數據將被調出。由光學對刀儀OTS測量的數據只是基本的X、Y、Z坐標參數，在實際應用中，還需要通過試切，測量刀具的實際位置，消除對刀儀OTC可能存在的誤差。本文是用刨削的方式加工微槽，刀尖圓弧輪廓的圓心是否恰好在主軸中心位置不重要，所以由OTS測量的刀具位置是可以接受的。

將安裝工件的夾具輕輕放到主軸的真空吸盤上。工件是一個圓柱，微槽要求加工在圓柱的端面上。擰緊夾具上的螺釘將工件固定，如圖4所示。工件的材料為6061鋁材。在主軸上安裝后，必須與主軸同心。按GORGE鍵啟動電子千分表，使測針接觸工件的圓柱輪廓，手工轉動機床主軸，工件的軸心與機床主軸的偏差越大，屏幕上指針的擺幅度也越大。輕輕敲擊夾具偏差大的部位，使指針的擺動幅度逐漸變小，直到工件的軸心與機床的主軸同心。

當工件或夾具形狀不規則或相對重時，必須調節使主軸處于動態平衡狀態。具體過程是：在操作系統的面板中選中BALANCE。正常情況下，主軸轉速為順時針2 000 r∕min，所以調節動態平衡的主軸速度也是按順時針方向選擇2 000 r∕min。注意標記一下主軸的起始角度。對動平衡螺釘孔按順序做出1，2，…12的標記，將笫1號孔轉到正上方位置。旋轉主軸檢查動平衡的誤差。如果主軸動平衡不理想，根據系統顯示的誤差方位，調整配重螺釘的深淺位置，再次旋轉主軸，檢查動平衡結果。重復這個步驟幾次，直到主軸達到動平衡。如圖5所示，圖中粗虛線為不平衡狀態，細虛線為平衡狀態。要求將主軸的動平衡由開始的粗虛線狀態逐漸調節到細虛線狀態。使X、Y和Z軸回零位一次。

圖5 主軸動平衡

2 加工端面

由于刨削加工是在一個平面上完成，所以需要先加工出一個平面。本文以端面加工的方式在零件的端面加工出該平面。數控加工的程序可摩爾公司的CAM軟件編制，也可以手工編程。由Z軸提供切削量，X軸提供進給速度，程序的關鍵部分如下:

G71 G01 G18 G40 G63 G90 G94 G54

T0101 (刀具偏移)

Y0.0 (指定Y軸為0)

G01 X12.0 F200 (X軸運行到的位置)

Z5.0 (Z軸運行到的位置)

M03S2000 （主軸旋轉和轉速設置r∕min）

X11.0 Z0.0 F200 （從某位置到此位置）

M26 （開冷卻液）

X10.00000000 Z0.00000000 F30

……

X0.00000000 Z0.00000000

Z5.0 F200

M29

M30

為了按程序正確切削加工裝在主軸上的工件，必須用G54定義工件坐標系的位置，即從機床各軸的零點到工件坐標系零點的距離。上面已經通過光學對刀儀找到了刀尖半徑的圓心坐標，并存入了刀具庫T0101中，其中X和Y軸數據是關于刀尖相對于主軸X和Y軸坐標，可以認為此時的刀尖處于主軸中心線上。但Z軸數據是刀尖相對于對刀儀的Z坐標，并不是刀尖相對于工件表面的Z坐標，因此要找到刀尖到工件的表面Z軸坐標。

在OFFSETS庫中將Z軸值設置為零或稍大一點的正數，確保在運行NC程序時刀具遠離工件。

當程序運行到有效的X范圍時，即刀具在工件半徑范圍內，中斷NC程序，并設置為手動操作模式。

在鍵盤上先按下[MPS]按鈕，接著按[WORK OFFSET SHIFT]按鈕。

讓刀具沿著Z軸緩緩移動，直到與工件表面接觸。具體是觀察刀尖在接觸旋轉的工件表面時有沒有切屑出現。沒有切屑說明刀尖與工件表面還有距離，有切屑出現即接觸上了。

再次按下[WORK OFFSETSHIFT]按鈕，手動移動距離的數值將與OFFSETS庫中的數據求和，并自動存儲到偏移量庫中，新的數據取代偏移量中的舊數據。

按[AUTO]和[CYCLE START]按鈕，運行數控程序，Z軸的每次進給量為5μm，X軸的最小進給速度為6μm∕min。經過幾次進給，直到端面加工完。

3 刨削加工V型槽

在刀座上安裝另一把加工微槽的刀，定義為T0303，與刀面向上的T0101刀具相比，T0303的刀面側向安裝，如圖6所示?？刂芚軸移動，V型槽將在水平方向上加工。該刀具也由Contour Fine Tooling Ltd公司制造，其刀尖圓弧半徑為R0.2。

由于光學對刀儀OTS是垂直安裝的，它只能用來測量刀面朝上的刀具。所以側向安裝的刀具不能用OTS來測量。T0303中X、Y、X的初始值只能是憑經驗設定，然后用試刀的方法反復測量和修改最終確定。側刀具的精確位置數據將由T0303和G55工作坐標系一起決定。

按下[C-AXISMODEC]鍵，選擇C軸模式。C軸也必須回零一次。

圖6 側向安裝的刨削加工的刀具

刨削加工程序與正常的端面加工程序相似，主要的差別在于不需要主軸旋轉，具體為刪除下面一行代碼：

M03S2000 (主軸旋轉RPM)

并且增加一行代碼，讓C軸回零，并設置C軸的角度位置：

M80 (C軸回零)

G09 C0.0 (由用戶指定的C軸位置)

X軸的行程不是X10至X0，而是從X10至X-10。

在OFFSETS偏移量庫中設置X的值為零。操作Z軸讓工具遠離工件。運行NC程序，刀具沿X軸移動。注意位置顯示，當X坐標顯示為“0”時，按[FEED HOLD]按鈕中斷NC程序。在這種情況下，工具應該在工件的中心。因此，它需要手動移動X和Y坐標，以使工具尖端對準工件的中心，然后將X和Y坐標值輸入到OFFSET偏移量庫中G55中。

以同樣的方式手動操作Z軸進給，直到刀具接觸到工件的表面。具體方法是在刀尖和工件之間放一塊鋁箔，鋁箔的厚度是5μm。輕輕地進給Z軸，直到鋁箔被壓著。在拖拉鋁箔移動時，阻力是可以明顯感覺到的。所以刀具和工件之間的距離是5μm。拉出鋁箔，這5μm 的距離應該加入Z軸坐標。加工中Z軸的0點設置在工件的表面，刀具沿Z軸負方向移動，本文加工中應該在Z軸坐標中減去5μm刀具才是與工件表面相接觸。這一方法非常有效，很難知道刀具究竟有沒有與工件表面接觸。上面Z軸對刀是刀與旋轉的工件接觸，可以通過觀察有沒有切屑來感知刀具與工件表面有沒有接觸，現在是刀具與固定的工件接觸，不可能有切屑出現，所以要用鋁簿或類似的材料放置到刀具和工件表面之間。

刀具對好后，運行數控程序，刀具沿X軸勻速運動，Y軸和C軸固定不變。Z軸一次進給后也保持固定。設置幾個不同的進給量進行加工效果的對比，分別為：2、4、6、8和10μm。X軸進給速度是6 mm∕min。冷卻劑是霧狀的礦物酒精和氣體的混合體。加工微槽如圖7所示，微槽正視圖如圖8所示。

圖7 微槽加工過程

圖8 微槽俯視圖

用BRUKER白光干涉儀對端面加工的表面測量結果如圖9所示，表面粗糙度Ra為6.2511 nm。微槽表面測量結果如圖10所示。表面粗糙度Ra為63.573 nm，目測為鏡面效果。刀具波紋精度小于250 nm。常規機床切削加工的零件表面粗糙度在微米尺度，例如：Ra6.3、Ra3.2或Ra1.6μm 。

圖9 端面加工表面測量結果

圖10 微槽表面測量結果

4 結論

在Nanotech 350 FG超精密五軸自由曲面加工機床上采用刨削的方法加工微槽有幾個步驟：刀具中心調整、主軸調動平衡、數控編程、工件端面加工、側刀設置、微槽刨削加工。刀具尖端必須嚴格對準主軸軸線，誤差視零件的精密程序，一般在幾微米內；主軸做零件端面切削時高速運轉，因此必須調整動平衡，誤差控制在100納米以下；車端面的數控加工程序與普通數控車加工的程序相同，但主軸轉速更高，達2 000 r∕min，微槽加工要設置成C軸模式；工件端面車削加工的表面粗糙度Ra可達6.2511納米；刨削加工以X軸往復走刀完成。刨削的微槽表面粗糙度Ra為116納米，比普通刀具和機床加工也高一個數量級。