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  豐腴的三爺 2008-10-29 00:00:00

  超精密加工機(jī)床的關(guān)鍵部件技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 蓋玉先 董申 1 引言 超精密加工機(jī)床的研制開發(fā)始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時在美國因開發(fā)激光核聚變實驗裝置和紅外線實驗裝置需要大型金屬反射鏡，因而急需開發(fā)制作反射鏡的超精密加工技術(shù)。以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密加工機(jī)床應(yīng)運而生。1980年美國在世界上首次開發(fā)了三坐標(biāo)控制的M-18AG非球面加工機(jī)床，它標(biāo)志著亞微米級超精密加工機(jī)床技術(shù)的成熟。日本的超精密加工機(jī)床的研制開發(fā)滯后于美國20年。從1981～1982年首先開發(fā)的是多棱體反射鏡加工機(jī)床，隨后是磁頭微細(xì)加工機(jī)床、磁盤端面車床，近來則是以非球面加工機(jī)床和短波長X線反射鏡面加工機(jī)床為主。德國、荷蘭以及ZG臺灣的超精密加工機(jī)床技術(shù)也都處于世界先進(jìn)水平。我國的超精密加工機(jī)床的研制開發(fā)工作雖起步比較晚，但經(jīng)過廣大精密工程研究人員的不懈努力，已取得了可喜的成績。哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所研制開發(fā)的HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際水平。國外部分超精密加工機(jī)床和HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床的性能指標(biāo)如表1所示。本文主要論述超精密加工機(jī)床的關(guān)鍵部件技術(shù)。 表1 國內(nèi)外典型超精密車床性能指標(biāo)匯總 型號(生產(chǎn)廠家) HCM-Ⅰ (ZG哈工大) M-18AG (莫爾特殊機(jī)床，美國) Ultraprecision CNC machine (東芝，日本) Ultraprecision Lathe (IPT，德國) 主軸 徑向跳動(μm) ≤0.075 ≤0.05(500r/min) ≤0.048 軸向跳動(μm) ≤0.05 ≤0.05(500r/min) 徑向剛度(N/μm) 220 100 軸向剛度(N/μm) 160 200 導(dǎo)軌 Z向(主軸)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/230mm 0.044μm/80mm X向(刀架)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/410mm 0.044μm/80mm X、Z向垂直度(") ≤1 1 重復(fù)定位精度(μm) 1(全程) 0.5(25.4mm) 加工 工件 精度 形面精度(μm) 圓度：0.1 平面度：0.3 ＜0.1(P-V值) 0.1 表面粗糙度(μm) Ra0.0042 0.0075(P-V值) Ra0.002 0.002～0.005RMS 位置反饋系統(tǒng)分辨率(μm) 25 2.5 10 溫控精度(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1 隔振系統(tǒng)固有頻率(Hz) ≤2 2 加工范圍(mm) 320 356 650×250 2 主軸系統(tǒng) 超精密加工機(jī)床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機(jī)床中Z重要的一個部件，通過機(jī)床主軸的精度和特性可以評價機(jī)床本身的精度。目前研制開發(fā)的超精密加工機(jī)床的主軸中精度Z高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速得到提高)?？諝廨S承主軸具有良好的振擺回轉(zhuǎn)精度。主軸振擺回轉(zhuǎn)精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重復(fù)徑向振擺，屬于靜態(tài)精度。目前高精度空氣軸承主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.05μm，Z高可達(dá)0.03μm，由于軸承中支承回轉(zhuǎn)軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠得到高于軸承零件本身的精度。例如主軸的回轉(zhuǎn)精度大約可以達(dá)到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15～1/20。日本學(xué)者研究表明，當(dāng)軸和軸套的圓度達(dá)到0.15～0.2μm的精度時，可以得到10nm的回轉(zhuǎn)精度，并通過FFT測定其所制造的精度Z高的空氣軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1μm。另外，空氣軸承主軸還具有動特性良好、精度壽命長、不產(chǎn)生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優(yōu)點。但是在主軸剛度、發(fā)熱量與維護(hù)等方面需要做細(xì)致的工作。要做到納米級回轉(zhuǎn)精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達(dá)到0.15～0.2μm，再通過空氣膜的均化作用來實現(xiàn)外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數(shù)量、分布精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會影響軸承面空氣流動的均勻性。而氣流的不均勻是產(chǎn)生微小振動的直接原因，從而影響回轉(zhuǎn)精度。要改善供氣系統(tǒng)的狀況，軸承材料宜選用多孔質(zhì)材料。這是因為多孔質(zhì)軸承是通過無數(shù)小孔供氣的，能夠改善壓力分布，在提高承載能力的同時，改善空氣流動的均勻性。多孔質(zhì)材料的均勻性是很重要的。因為多孔質(zhì)供氣軸承材料內(nèi)部的空洞會形成氣腔，如不加以控制會引起氣錘振動，為此必須對表面進(jìn)行堵塞加工。 3 直線導(dǎo)軌 作為刀具和工件相對定位機(jī)構(gòu)的直線導(dǎo)軌，是僅次于主軸的重要部件。對超精密加工機(jī)床的直線導(dǎo)軌的基本要求是：動作靈活、無爬行等不連續(xù)動作；直線精度好；在實用中應(yīng)具有與使用條件相適應(yīng)的剛性；高速運動時發(fā)熱量少；維修保養(yǎng)容易。超精密加工機(jī)床中的常用導(dǎo)軌有V-V型滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌。傳統(tǒng)的V-V型滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌在美國和德國的應(yīng)用都取得了良好的效果。后兩種都屬于非接觸式導(dǎo)軌，所以完全不必?fù)?dān)心爬行的產(chǎn)生。從精度方面來考慮后兩種也是Z適宜的導(dǎo)軌。液體靜壓導(dǎo)軌由于油的粘性剪切阻力而發(fā)熱量比較大，因此必須對液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養(yǎng)也麻煩。氣體靜壓導(dǎo)軌由于支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發(fā)熱問題，如?畛醯納杓坪俠恚?蛟諍笮?奈?薇Q?矯婕負(fù)醪換岱⑸?裁次侍狻5?匭胱⒁獾脊烀嫻姆萊盡？掌?脊斕募湎督鑫??肝⒚祝??勻绱舜笮〉某景H庋凼強(qiáng)床壞降模?庋?某景＜詞故墻嗑皇乙膊荒芡耆????景B淙肟掌?脊烀婺諢嵋?鸕脊烀嫻乃鶘恕W芴蹇蠢矗?掌?慚溝脊焓悄殼白詈玫牡脊歟??舨荒鼙Vし萊咎跫??蛐敫撓靡禾寰慚溝脊臁D殼翱掌?慚怪畢叩脊斕鬧畢叨瓤紗?.1～0.2μm/250mm。 HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床上使用的即是空氣直線導(dǎo)軌，其氣浮面上的壓力分布如圖1所示。 圖1 氣浮面上的壓力分布 通過安裝調(diào)整空氣靜壓導(dǎo)軌得出如下結(jié)論：(1)必須保證足夠的排氣通道，否則溜板將產(chǎn)生位置擾動，擾動量有時達(dá)數(shù)微米。(2)從理論上講減小節(jié)流孔徑和氣膜厚度，可以提高溜板剛度，但帶來工藝上的困難。用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段很難加工出＜f0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也對防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導(dǎo)軌的側(cè)氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固，形成懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)用螺釘緊固和有空氣壓力作用時，有可能產(chǎn)生變形，使氣膜厚度不均勻以致于影響其性能。但經(jīng)過計算證明，使用長螺釘時，氣浮塊和螺釘變形均稍大；使用短螺釘時，氣浮塊和螺釘?shù)淖冃味荚趤單⒚准?，可忽略不計? 4 進(jìn)給與微量進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)中Z常用的是各種進(jìn)給絲杠，在超精密加工機(jī)床中滾珠絲杠因其反向間隙小、傳動效率高而得到了廣泛的應(yīng)用。精度更高的靜壓絲杠和摩擦驅(qū)動裝置也逐漸用于超精密加工機(jī)床。 超精密加工機(jī)床的滾珠絲杠一般的精度等級為C0級。由于是閉環(huán)控制，利用Z好等級的滾珠絲杠，可獲得現(xiàn)行Z高水平0.01μm的定位精度。滾珠絲杠不需要靜壓絲杠所必需的附屬裝置，是使用極為方便的絲杠。但作為亞微米級超精密加工機(jī)床的進(jìn)給絲杠必須考慮到由于滾珠的轉(zhuǎn)動和滾珠間的接觸滑動有微小的振動及與滑動絲杠等相比較振動衰減特性差等問題。HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床采用的滾珠絲杠，在嚴(yán)格保證伺服電動機(jī)與絲杠、絲杠和螺母與底座和溜板的聯(lián)接裝配的基礎(chǔ)上，加大溜板氣浮面積、提高其氣浮剛度，從而減小由于絲杠的誤差對溜板運動精度的影響。并且絲杠螺母與溜板采用了浮動連接結(jié)構(gòu)，從而減小了溜板起伏造成滾珠絲杠受壓波動而引起的絲杠瞬間或的變形。同時也避免了由于滾珠絲杠本身彎曲引起的因絲杠旋轉(zhuǎn)而造成的溜板運動誤差，因此實現(xiàn)了運動的Z小位移分辨率≤0.01μm。 > 靜壓絲杠副的絲杠與螺母由于不直接接觸，而是有一層高壓液體膜相隔，所以沒有由于摩擦而引起的爬行和反向間隙，因此可以長期保持精度，進(jìn)給分辨率更高；又由于油膜具有均化作用，可以提高進(jìn)給精度，在較長的行程上可以達(dá)到納米級的定位分辨率。但是靜壓絲杠裝置較大，且必須有油泵、蓄壓器、液體循環(huán)裝置、冷卻裝置和過濾裝置等眾多的輔助裝置，另外還存在環(huán)境污染問題。 摩擦驅(qū)動是通過摩擦把伺服電動機(jī)的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成從動桿的直線運動，實現(xiàn)無間隙傳動，其工作原理如圖2所示。從微觀上看，壓緊輪與從動桿之間的油膜處于液體潤滑狀態(tài)，潤滑油的剪斷特性決定牽引系統(tǒng)。因而要選擇系數(shù)較高的潤滑油。壓緊輪滾動時實現(xiàn)進(jìn)給，進(jìn)給分辨率取決于伺服電動機(jī)回轉(zhuǎn)一周的步進(jìn)數(shù)。采用摩擦驅(qū)動進(jìn)給的一個重要問題是預(yù)壓，若預(yù)壓力過小，則接觸面有可能產(chǎn)生滑動；若預(yù)壓力過大，由于彈性變形，則很難實現(xiàn)正確的驅(qū)動。另外由于預(yù)壓力的存在，還容易產(chǎn)生磨損問題。新的研究表明，用扭曲滾輪摩擦驅(qū)動可以實現(xiàn)埃(?)級定位。 圖2 摩擦驅(qū)動原理圖 各種進(jìn)給絲杠及摩擦驅(qū)動特性如表2所示。 超精密加工機(jī)床中還廣泛應(yīng)用微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)，以滿足對更高定位精度和進(jìn)給分辨率的要求。常用的方法有采用滾動絲杠進(jìn)給和彈性進(jìn)給并用的方法和由粗調(diào)和微調(diào)壓電元件組合的方法。HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床采用的是壓電式微量進(jìn)給刀架。 表2 各種進(jìn)給機(jī)構(gòu)特性表 種類 優(yōu)點 缺點 定位精度 進(jìn)給絲杠 滑動 絲杠 制造容易，但需有研磨加工技術(shù)，衰減性好 需注意爬行 經(jīng)仔細(xì)研磨加工后定位精度為0.01μm 前加工需達(dá)到0.1μm 滾珠 絲杠 已有規(guī)格化，容易搞到(C0)級 衰減性不好， 需注意爬行， 注意微小振動 Z高可達(dá)0.01 μm 前加工需達(dá)到0.1μm 液體靜 壓絲杠 精度高，衰減性小 裝置大，輔助設(shè)備多和維護(hù)難，油污染 相當(dāng)好的定位精度為0.01μm，通常是 0.03 μm 氣體靜 壓絲杠 精度高，維護(hù)容易 加工難 0.01μm 摩擦驅(qū)動 精度高，結(jié)構(gòu)簡單 需要適宜的預(yù)壓和管理 當(dāng)前的目標(biāo)是0.01μm 壓電元件 超微細(xì)的分辨率(亞納米，nm) 行程微小(幾微米～十幾微米) nm， 5 環(huán)境條件 超精密加工的環(huán)境條件有三。其一是污染，超精密加工機(jī)床必須置于潔凈的超凈室內(nèi)才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。室內(nèi)的潔凈度以一立方英尺中0.5μm以上的灰塵的數(shù)量表示。作為超精密加工機(jī)床的工作環(huán)境應(yīng)為20000～3000級以下。 其二是振動。環(huán)境振動的干擾不僅會引起機(jī)床本體的振動，更主要的是會引起切削刀具與被加工零件間的相對振動位移，后者將直接反映到被加工零件的精度和表面質(zhì)量上。因此超精密加工機(jī)床必須設(shè)置性能優(yōu)異的隔振裝置。目前國外超精密加工機(jī)床中，大多數(shù)采用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統(tǒng)，并取得了較好的隔振效果。這主要是因為空氣彈簧在具有較大承載能力的同時，具有較低的剛度。彈簧的低剛度可使隔振系統(tǒng)獲得較低的固有頻率，遠(yuǎn)離環(huán)境干擾頻率，提高隔振效果。經(jīng)理論分析研究和計算比較，HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床采用了直筒約束膜式結(jié)構(gòu)，并取內(nèi)、外變角均為0°。這樣不僅彈簧剛度的線性度好，而且結(jié)構(gòu)簡單，便于模具的制造以及裝置的安裝和調(diào)整。 表3 提高超精密加工精度的計劃目標(biāo) 誤差原因 日本精度(μm) POMA計劃值(μm) 位置檢測精度 定位精度 偏擺、俯仰、傾斜 直線度 軸向跳動 徑向跳動 主軸的延伸 主軸驅(qū)動 熱的影響 工件的裝夾 形狀精度(綜合精度) 0.005 0.005 (0.05") 0.02 0.005 0.005 0.025 0.01 0.025 0.025 0.05 0.05 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02 0.05 0.01 0.05 0.05 0.1 注：POMA是在將直徑為800mm的大型非球面反射鏡的形狀精度提高到0.1μm的前提下出來的。 p>其三是溫度。超精密加工機(jī)床的加工必須在恒溫室內(nèi)進(jìn)行，加工過程中溫度的變化，會造成機(jī)床運動精度下降，不能獲得所定的加工精度。為了解決這一問題，通常從兩個方面入手，一是選擇合適的部件材料，超精密加工機(jī)床中使用的和候選的材料有氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、殷鋼、花崗巖、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。從實際出發(fā)，HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床幾乎全部采用花崗巖。二是保持溫度的恒定控制。在總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗之后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了“有效冷流速率”的概念，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的超精密恒溫供油系統(tǒng)的溫控精度達(dá)到了世界先進(jìn)水平。 6 結(jié)束語 亞微米級超精密機(jī)床HCM-Ⅰ的誕生，標(biāo)志著我國的超精密加工研究跨入了國際行列。但它畢竟還沒有走出實驗室，沒有商品化，要趕上國際先進(jìn)水平還需加倍的努力。表3列出的是美國POMA的精度目標(biāo)值和日本學(xué)者認(rèn)為的今后精度目標(biāo)值。 圖形請參照此網(wǎng)站。 http://www.diamt.net.cn/xjzzjs/gjjs/process/up/up060601_2.asp

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