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          精密超精密加工機床關鍵技術分析燈飾五金配件
          編輯:佛山市精科盈五金機械配件有限公司   時間:2016-06-25

          超精密加工機床燈飾五金配件的研制開發始于20世紀60年代。當時在美國因開發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,因而急需開發制作反射鏡的超精密加工技術。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床應運而生。1980年美國在世界上首次開發了三坐標控制的M-18AG非球面加工機床,它標志著亞微米級超精密加工機床技術的成熟。日本的超精密加工機床的研制開發滯后于美國20年。從1981~1982年首先開發的是多棱體反射鏡加工機床,隨后是磁頭微細加工機床、磁盤端面車床,近來則是以非球面加工機床和短波長X線反射鏡面加工機床為主。德國、荷蘭以及中國臺灣的超精密加工機床技術也都處于世界先進水平。我國的超精密加工機床的研制開發工作雖起步比較晚,但經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。哈爾濱工業大學精密工程研究所研制開發的HCM-Ⅰ超精密加工機床,主要技術指標達到了國際水平。國外部分超精密加工機床和HCM-Ⅰ超精密加工機床的性能指標如表1所示。本文主要論述超精密加工機床的關鍵部件技術。 表1 國內外典型超精密車床性能指標匯總 型號(生產廠家) HCM-Ⅰ
          (中國哈工大) M-18AG
          (莫爾特殊機床,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
          位置反饋系統分辨率(μm)  25 2.5 10
          溫控精度(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1 
          隔振系統固有頻率(Hz) ≤2 2  
          加工范圍(mm) 320 356 650×250 
          2 主軸系統

          超精密加工機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床中最重要的一個部件,通過機床主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前研制開發的超精密加工機床的主軸中精度最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精度。主軸振擺回轉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,即非重復徑向振擺,屬于靜態精度。目前高精度空氣軸承主軸回轉精度可達0.05μm,最高可達0.03μm,由于軸承中支承回轉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。例如主軸的回轉精度大約可以達到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15~1/20。日本學者研究表明,當軸和軸套的圓度達到0.15~0.2μm的精度時,可以得到10nm的回轉精度,并通過FFT測定其所制造的精度最高的空氣軸承主軸的回轉精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機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、不產生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優點。但是在主軸剛度、發熱量與維護等方面需要做細致的工作。要做到納米級回轉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到0.15~0.2μm,再通過空氣膜的均化作用來實現外,還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數量、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生微小振動的直接原因,從而影響回轉精度。要改善供氣系統的狀況,軸承材料宜選用多孔質材料。這是因為多孔質軸承是通過無數小孔供氣的,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。多孔質材料的均勻性是很重要的。因為多孔質供氣軸承材料內部的空洞會形成氣腔,如不加以控制會引起氣錘振動,為此必須對表面進行堵塞加工。 3 直線導軌

          作為刀具和工件相對定位機構的直線導軌,是僅次于主軸的重要部件。對超精密加工機床的直線導軌的基本要求是:動作靈活、無爬行等不連續動作;直線精度好;在實用中應具有與使用條件相適應的剛性;高速運動時發熱量少;維修保養容易。超精密加工機床中的常用導軌有V-V型滑動導軌和滾動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。傳統的V-V型滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用都取得了良好的效果。后兩種都屬于非接觸式導軌,所以完全不必擔心爬行的產生。從精度方面來考慮后兩種也是最適宜的導軌。液體靜壓導軌由于油的粘性剪切阻力而發熱量比較大,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也麻煩。氣體靜壓導軌由于支承部是平面,可獲得較大的支承剛度,它幾乎不存在發熱問題,如畛醯納杓坪俠恚蛟諍笮奈薇Q矯婕負醪換岱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,則須改用液體靜壓導軌殼翱掌慚怪畢叩脊斕鬧畢叨瓤紗?.1~0.2μm/250mm。

          HCM-Ⅰ超精密加工機床上使用的即是空氣直線導軌,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

          通過安裝調整空氣靜壓導軌得出如下結論:(1)必須保證足夠的排氣通道,否則溜板將產生位置擾動,擾動量有時達數微米。(2)從理論上講減小節流孔徑和氣膜厚度,可以提高溜板剛度,但帶來工藝上的困難。用傳統機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型導軌的側氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固,形成懸臂結構,當用螺釘緊固和有空氣壓力作用時,有可能產生變形,使氣膜厚度不均勻以致于影響其性能。但經過計算證明,使用長螺釘時,氣浮塊和螺釘變形均稍大;使用短螺釘時,氣浮塊和螺釘的變形都在亞微米級,可忽略不計。

          4 進給與微量進給系統

          進給系統中最常用的是各種進給絲杠,在超精密加工機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用。精度更高的靜壓絲杠和摩擦驅動裝置也逐漸用于超精密加工機床。

          超精密加工機床的滾珠絲杠一般的精度等級為C0級。由于是閉環控制,利用最好等級的滾珠絲杠,可獲得現行最高水平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床的進給絲杠必須考慮到由于滾珠的轉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超精密加工機床采用的滾珠絲杠,在嚴格保證伺服電動機與絲杠、絲杠和螺母與底座和溜板的聯接裝配的基礎上,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構,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永久的變形。同時也避免了由于滾珠絲杠本身彎曲引起的因絲杠旋轉而造成的溜板運動誤差,因此實現了運動的最小位移分辨率≤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,進給分辨率更高;又由于油膜具有均化作用,可以提高進給精度,在較長的行程上可以達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,另外還存在環境污染問題。

          摩擦驅動是通過摩擦把伺服電動機的回轉運動轉換成從動桿的直線運動,實現無間隙傳動,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,潤滑油的剪斷特性決定牽引系統。因而要選擇系數較高的潤滑油。壓緊輪滾動時實現進給,進給分辨率取決于伺服電動機回轉一周的步進數。采用摩擦驅動進給的一個重要問題是預壓,若預壓力過小,則接觸面有可能產生滑動;若預壓力過大,由于彈性變形,則很難實現正確的驅動。另外由于預壓力的存在,還容易產生磨損問題。新的研究表明,用扭曲滾輪摩擦驅動可以實現埃(?)級定位。

           

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