Diamantsvarvning
Diamantsvarvning är svarvning med hjälp av ett skärverktyg med diamantspets . Det är en process av mekanisk bearbetning av precisionselement med hjälp av svarvar eller härledda verktygsmaskiner (t.ex. svarvfräsar, roterande överföringar) utrustade med naturliga eller syntetiska diamantspetsar . Termen enpunktsdiamantsvarvning ( SPDT ) används ibland, även om som med andra svarvarbeten, är "enpunkts"-etiketten ibland endast nominell (radiuserade verktygsnosar och konturformade verktyg är alternativ). Processen för diamantsvarvning används ofta för att tillverka högkvalitativa asfäriska optiska element av kristaller , metaller , akryl och andra material. Plastoptik gjuts ofta med diamantsvarvade forminsatser. Optiska element som produceras med hjälp av diamantsvarvning används i optiska sammansättningar i teleskop , videoprojektorer , missilstyrningssystem , lasrar, vetenskapliga forskningsinstrument och många andra system och anordningar. De flesta SPDT idag görs med dator numerisk styrning (CNC) maskinverktyg. Diamanter fungerar också i andra bearbetningsprocesser, såsom fräsning , slipning och honing . Diamantsvarvade ytor har en hög speglande ljushet och kräver ingen ytterligare polering eller polering, till skillnad från andra konventionellt bearbetade ytor.
Bearbeta
Diamantsvarvning är en process i flera steg. De första stegen av bearbetningen utförs med en serie CNC-svarvar med ökande noggrannhet. Ett svarvverktyg med diamantspets används i slutskedet av tillverkningsprocessen för att uppnå subnanometernivå ytfinish och submikrometerformnoggrannhet . [ citat behövs ] Ytfinishens kvalitet mäts som topp-till-dal-avståndet för spåren som lämnats av svarven. Formnoggrannheten mäts som en medelavvikelse från den ideala målformen. Kvaliteten på ytfinishen och formnoggrannheten övervakas genom hela tillverkningsprocessen med hjälp av utrustning som kontakt- och laserprofilometrar , laserinterferometrar , optiska mikroskop och elektronmikroskop . Diamantsvarvning används oftast för att göra infraröd optik, eftersom optisk prestanda vid längre våglängder är mindre känslig för ytfinishens kvalitet, och eftersom många av de använda materialen är svåra att polera med traditionella metoder.
Temperaturkontroll är avgörande, eftersom ytan måste vara exakt på avståndsskalor som är kortare än ljusets våglängd. Temperaturförändringar på några grader under bearbetning kan förändra ytans form tillräckligt mycket för att ha effekt. Huvudspindeln kan kylas med flytande kylvätska för att förhindra temperaturavvikelser.
Diamanterna som används i processen är starka i nedförsbackarna men verktygsslitage är också starkt beroende av kristallanisotropi och arbetsmaterial.
Verktygsmaskinen
För bästa möjliga kvalitet används naturliga diamanter som enpunktsskärelement under bearbetningsprocessens slutskede. En CNC SPDT-svarv vilar ovanpå en högkvalitativ granitbas med mikrometer ytfinishkvalitet. Granitbasen är placerad på luftfjädring på en solid grund, och håller dess arbetsyta strikt horisontell. Verktygsmaskinens komponenter är placerade ovanpå granitbasen och kan flyttas med hög grad av noggrannhet med hjälp av en högtrycksluftkudde eller hydraulisk fjädring. Det bearbetade elementet är fäst vid en luftchuck med negativt lufttryck och centreras vanligtvis manuellt med hjälp av en mikrometer. Själva chucken är separerad från elmotorn som snurrar den av en annan luftfjädring.
Skärverktyget förflyttas med sub-mikron precision av en kombination av elmotorer och piezoelektriska ställdon. Som med andra CNC-maskiner styrs verktygets rörelse av en lista med koordinater som genereras av en dator. Vanligtvis beskrivs delen som ska skapas först med hjälp av en datorstödd design (CAD) modell, sedan konverteras till G-kod med hjälp av ett datorstödd tillverkning (CAM) program, och G-koden exekveras sedan av maskinstyrdatorn för att flytta skärverktyget. [ citat behövs ] Den slutliga ytan uppnås med en serie skärpassager för att upprätthålla en formbar skärning.
Alternativa metoder för diamantbearbetning i praktiken inkluderar även diamantflugskärning och diamantfräsning. Diamantflugskärning kan användas för att generera diffraktionsgitter och andra linjära mönster med rätt konturformade diamantformer. Diamantfräsning kan användas för att generera asfäriska linsarrayer genom ringformade skärmetoder med ett sfäriskt diamantverktyg.
Material
Diamantsvarvning är särskilt användbar vid skärning av material som är livskraftiga som optiska infraröda komponenter och vissa icke-linjära optiska komponenter såsom kaliumdivätefosfat (KDP). KDP är ett perfekt material för diamantsvarvning, eftersom materialet är mycket önskvärt för dess optiska moduleringsegenskaper, men det är omöjligt att göra optik av detta material med konventionella metoder. KDP är vattenlösligt, så konventionella slip- och poleringstekniker är inte effektiva för att producera optik. Diamantsvarvning fungerar bra för att producera optik från KDP.
Generellt är diamantsvarvning begränsad till vissa material. Material som är lätta att bearbeta inkluderar:
- Plast
- Acetal
- Akryl
- Nylon
- Polykarbonat
- Polypropen
- Polystyren
- Zeonex
- Metaller
- Aluminium och aluminiumlegeringar
- Mässing
- Koppar
- Guld
- Nickel-fosforlegering, avsatt via elektrolytisk eller strömlös nickelplätering på andra material
- Silver
- Tenn
- Zink
- Infraröda kristaller
De mest efterfrågade materialen som inte är lätta att bearbeta är:
- Silikonbaserade glas och keramik
- Järnhaltiga material ( stål , järn )
- Beryllium
- Titan
- Molybden
- Nickel (förutom strömlös nickelplätering)
Järnhaltiga material är inte lätta att bearbeta eftersom kolet i diamantverktyget reagerar kemiskt med substratet, vilket leder till verktygsskador och mattande efter korta kapade längder. Flera tekniker har undersökts för att förhindra denna reaktion, men få har varit framgångsrika för långa diamantbearbetningsprocesser i massproduktionsskala.
Förbättring av verktygslivslängden har övervägts vid diamantsvarvning eftersom verktyget är dyrt. Hybridprocesser som laserassisterad bearbetning har dykt upp i denna industri nyligen. Lasern mjukar upp hårda och svårbearbetade material som keramik och halvledare, vilket gör dem lättare att skära.
Kvalitetskontroll
Trots all automatisering som ingår i diamantsvarvningsprocessen spelar den mänskliga operatören fortfarande huvudrollen för att uppnå det slutliga resultatet. Kvalitetskontroll är en viktig del av diamantsvarvningsprocessen och krävs efter varje steg av bearbetningen, ibland efter varje pass av skärverktyget. Om det inte upptäcks omedelbart, resulterar även ett mycket litet fel under något av skärningsstegen i en defekt del. De extremt höga kvalitetskraven på diamantsvarvad optik lämnar praktiskt taget inget utrymme för fel.
SPDT-tillverkningsprocessen producerar en relativt hög andel defekta delar, som måste kasseras. Som ett resultat är tillverkningskostnaderna höga jämfört med konventionella poleringsmetoder. Även med den relativt höga volymen optiska komponenter som tillverkas med SPDT-processen, kan denna process inte klassificeras som massproduktion, särskilt jämfört med produktion av polerad optik. Varje diamantsvarvat optiskt element tillverkas på individuell basis med omfattande manuellt arbete.