精密超精密加工机床关键技术分析
哈尔滨工业大学的盖玉贤和沈东
1简介
超精密加工机床的研发始于20世纪60年代。当时的美国，发展激光核聚变实验装置和红外实验装置需要大型金属反射镜，急需发展制作反射镜的超精密加工技术。用单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密加工机床应运而生。1980年，美国在世界上首次研制出三坐标控制的M-18AG非球面加工机床，标志着亚微米超精密加工机床技术的成熟。日本超精密加工机床的研发落后美国20年。从1981到1982，首先发展了多面镜加工机床，其次是头微加工机床和盘端车床，最近主要使用非球面加工机床和短波长X射线镜加工机床。德国、荷兰和中国台湾省的超精密加工机床技术也处于世界先进水平。我国超精密加工机床的研发虽然起步较晚，但经过广大精密工程研究人员的不懈努力，已经取得了可喜的成绩。哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的HCM-I超精密加工机床已达到国际水平。部分国外超精密加工机床和HCM-I超精密加工机床的性能指标见表1。本文主要讨论超精密加工机床的关键部件技术。表1国内外典型超精密车床性能指标汇总型号(制造商)home
(中国哈尔滨工业大学)M-18AG
(美国摩尔特种机床)超精密数控机床
(日本东芝)超精密车床
(德国IPT)
主轴径向跳动(微米)≤0.075≤0.05(500转/分)≤0.048。
轴向跳动(微米)≤0.05≤0.05(500转/分钟)
径向刚度(北微米)220 100
轴向刚度(北微米)160 200
导轨在Z方向(主轴)的直线度小于0.2微米/100 mm ≤ 0.5微米/230 mm 0.044微米/80 mm
x方向(刀架)直线度< 0.2微米/100毫米≤ 0.5微米/4100毫米0.044微米/80毫米
X和Z方向的垂直度(")≤1 1
重复定位精度(微米)1(全量程)
0.5英寸(25.4毫米)
过程
工件
精度(微米)圆度:0.1平面度:0.3 < 0.1 (P-V值)0.1
表面粗糙度(微米)Ra0.0042 0.0075(P-V值)Ra Ra0.002 0.002~0.005RMS
位置反馈系统的分辨率(微米)25 2.5 10
温度控制精度(℃) ≤ 0.004 0.006 0.1。
隔振系统的固有频率(Hz) ≤2 2
加工范围(毫米)320 356 650×250
双轴系统
超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支撑工件或刀具的运动，因此主轴的回转精度直接影响工件的加工精度。因此，可以说主轴是超精密加工机床最重要的部分，通过主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。目前超精密加工机床的主轴精度最高的是静压空气轴承主轴(磁力轴承主轴越来越受到重视，精度迅速提高)。空气轴承主轴具有良好的振动和摆动精度。主轴振动的回转精度是除圆度误差和加工粗糙度影响外的轴线振动，即非重复径向振动，属于静态精度。目前高精度空气轴承主轴的回转精度可达0.05μm，最高可达0.03 μ m，由于轴承内支撑转轴的压力膜均匀化，空气轴承主轴可获得比轴承零件本身更高的精度。例如主轴的回转精度可以达到轴、轴套等轴承零件圆度的1/15 ~ 1/20左右。日本学者的研究表明，当重要官员和轴套的圆度达到0.15 ~ 0.2μ m时，可获得10nm的回转精度，其制造的精度最高的空气轴承主轴的回转精度经FFT为8nm。HCM-I超精密加工机床密玉气浮主轴的圆度误差≤0.65438±0 μm，此外，气浮主轴还具有动态特性好、精度寿命长、无振动、刚度/载荷具有与使用条件相称的值等优点。但在主轴刚度、发热量、维护等方面都需要细致的工作。为了实现纳米级旋转精度的气浮轴承主轴，除了气浮轴承轴和轴套的形状精度达到0.15 ~ 0.2微米，进而通过气膜均匀化来实现外，还需要保持从供气孔流出的气体的均匀性。供气孔的数量、分布精度、相对于轴线的倾斜度、轴承的凸凹度、圆柱度和表面粗糙度的差异都会影响气流在轴承表面的均匀性。但气流不均匀是产生微小振动的直接原因，影响旋转精度。为了改善供气系统的条件，应选择多孔材料作为轴承材料。这是因为多孔轴承通过无数个小孔供气，可以改善压力分布，提高承载能力，提高气流的均匀性。多孔材料的均匀性非常重要。因为多孔供气轴承材料中的空腔会形成气腔，如果不加以控制，会引起气锤振动，所以表面必须堵塞。3线性导轨
直线导轨作为刀具和工件之间的相对定位机构，是继主轴之后最重要的部件。超精密加工机床对直线导轨的基本要求是:动作灵活，无爬行等不连续动作；良好的线性精度；在实践中，它应具有适合于使用条件的刚度；高速运动时热值低；易于维护。超精密加工机床中常见的导轨有V-V滑动导轨和滚动导轨、静压导轨和空气静压导轨。传统的V-V滑动导轨和滚动导轨在美国和德国的应用取得了良好的效果。后两者为非接触式导轨，无需担心爬行。考虑到精度，后两种也是最合适的导轨。静压导轨由于油的粘滞剪切阻力，发热量较大，因此必须对液压油采取冷却措施。另外液压装置比较大，油路维护也比较麻烦。由于空气静压导轨的支撑部分是平的，可以获得更大的支撑刚度，而且几乎没有发热问题，比如？你怎么了？哎？奈？魏q？焦介负醪为戴⑤？砍仆5？獾的脊椎呢？棕榈？你想抚养杜新吗？肝愿？均匀平滑>某个场景怎么了？哎？一个场景<字，墙，帝，帝，王，王。山脊呢？原谅W芴很蠢吗？棕榈？山脊怎么了？你怎么了？你怎么了？你为什么这么尴尬？. 1~0.2μm/250mm .
HCM-I型超精密加工机床采用空气直线导轨，其气浮面上的压力分布如图1所示。
图1空气轴承表面的压力分布
通过安装调整空气静压导轨，得出以下结论:(1)必须保证足够的排气通道，否则滑板会有位置扰动，有时扰动量是几微米。(2)理论上，减小节流孔径和膜厚可以提高滑板的刚性，但带来了技术上的困难。传统的加工方法很难加工出< < f0.15mm的小孔，需要探索其他的加工方法，这也对防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型导轨的侧气浮块和下气浮块用螺钉紧固，形成悬臂结构。用螺丝紧固时，在气压的作用下，可能会变形，使薄膜厚度不均匀，从而影响其性能。但经计算证明，采用长螺杆时，空气轴承块和螺杆的变形略大。当使用短螺杆时，空气轴承块和螺杆的变形为亚微米级，可以忽略不计。
4进给和微进给系统
进给系统中常用各种进给丝杠，滚珠丝杠由于反向间隙小、传动效率高，在超精密加工机床中应用广泛。精度更高的静压丝杠和摩擦驱动装置也逐渐用于超精密加工机床。
超精密加工机床的滚珠丝杠一般精度等级为C0。由于采用闭环控制，使用最好等级的滚珠丝杠，可以获得目前最高级别的0.01μm的定位精度。滚珠丝杠不需要静压丝杠必备的附属装置，使用起来极其方便。但作为亚微米超精密加工机床的进给丝杠，必须考虑滚珠旋转和滚珠间接触滑动引起的轻微振动以及与滑动丝杠相比减振特性差等问题。HCM-I超精密加工机床使用的滚珠丝杠，在严格保证伺服电机与丝杠、丝杠螺母与底座和滑板的连接装配的基础上，增加了滑板的空气轴承面积，提高了其空气轴承刚度，从而减少了丝杠误差对滑板运动精度的影响。此外，丝杠螺母与滑板采用浮动连接结构，减少了因滑板波动引起的滚珠丝杠压力波动而导致的丝杠瞬时或永久变形。同时避免了因滚珠丝杠自身旋转而产生的滑动运动误差，因此运动的最小位移分辨率≤0.01 μm >；
静压丝杠副的丝杠和螺母不是直接接触，而是隔着一层高压液膜，因此不存在摩擦引起的爬行和反向间隙，因此精度可以长期保持，进给分辨率更高；由于油膜具有均化作用，可以提高进给精度，在长行程中可以达到纳米级的定位分辨率。但静压丝杠装置体积大，必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置、过滤装置等许多辅助装置，还存在环境污染问题。
摩擦传动是通过摩擦将伺服电机的旋转运动转化为从动杆的直线运动，实现无间隙传动。其工作原理如图2所示。微观上，夹送辊与从动杆之间的油膜处于液体润滑状态，润滑油的剪切特性决定了牵引系统。所以要选择系数较高的润滑油。夹送辊滚动时可以进给，进给分辨率取决于伺服电机的步进数。摩擦驱动进给的一个重要问题是预紧。如果预载太小，接触面可能会滑动。如果预压力过大，由于弹性变形，很难实现正确驱动。另外，由于预压力的存在，容易造成磨损问题。新的研究表明，加捻辊的摩擦传动可以实现压降。)水平定位。
图2摩擦驱动示意图
各种进给螺杆和摩擦驱动特性如表2所示。
微进给机构也广泛应用于超精密加工机床中，以满足更高的定位精度和进给分辨率的要求。常用的方法有滚动丝杠进给和弹性进给相结合以及粗细压电元件相结合。HCM-I超精密加工机床采用压电微进给刀架。表2各种进给机构定位精度特性表的优缺点
进给螺杆滑动
丝杠容易制造，但需要磨削技术和良好的衰减。经过精心打磨，定位精度为0.01 μ m。
预处理要达到0.1 μ m。
球
丝杠已经标准化，容易得到(C0)级，衰减差。
注意爬行，
注意，最大微振动可达0.01微米米
预处理要达到0.1 μ m。
液体静电
压螺杆精度高，衰减小，设备大，辅助设备多，维护困难。油污定位精度相当好，通常为0.01μm
0.03微米
气体静电
压螺杆精度高，维护容易，加工困难。0.01 μ m
摩擦传动精度高，结构简单，需要适当的预紧和管理。目前的目标是0.01 μ m。
压电元件的超精细分辨率(亚纳米，nm)非常小(几微米到十几微米)nm。
5环境条件
超精密加工有三个环境条件。一个是污染，超精密加工机床必须放在洁净的超净室内才能发挥优势。室内洁净度用每立方英尺0.5μm以上的灰尘量来表示。作为超精密加工机床，工作环境应在20000 ~ 3000级以下。
第二是振动。环境振动的干扰不仅会引起机床本体的振动，还会引起刀具与被加工零件之间的相对振动位移，这将直接反映被加工零件的精度和表面质量。因此，超精密加工机床必须配备优良的隔振装置。目前，国外超精密加工机床大多采用以空气弹簧为隔振元件的隔振系统，并取得了良好的隔振效果。这主要是因为空气弹簧具有大的承载能力和低的刚度。弹簧的低刚度可以使隔振系统获得较低的固有频率，远离环境干扰频率，提高隔振效果。通过理论分析和计算比较，HCM-I超精密加工机床采用直管约束膜结构，内外变角均为0。这样不仅弹簧刚度的线性度好，而且结构简单，便于模具制造和装置安装调整。
表3提高超精密加工精度计划目标误差原因日本精度(微米)马坡计划值(微米)
位置检测精度
定位精度
偏航、俯仰和倾斜
直线度精度
轴向跳动
径向跳动
主轴的延伸
主轴驱动
热量的影响
工件的夹紧
形状精度(综合精度)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:马坡是在将直径800mm的大型非球面镜面形精度提高到0.1 μ m的前提下制作的
p & gt第三是温度。超精密加工机床的加工必须在恒温室内进行。加工过程中温度的变化会导致机床的运动精度降低，不能达到规定的加工精度。为了解决这个问题，我们通常从两个方面入手。首先，我们选择合适的组件材料。超精密加工机床中使用和候选的材料包括氧化铝陶瓷、铸铁、钢、因瓦合金、花岗岩、树脂混凝土和零膨胀玻璃。实事求是地说，几乎所有的HCM-I超精密加工机床都是用花岗岩制成的。二是保持恒温控制。哈工大在总结国内外经验后，提出了“有效冷流率”的概念，在此基础上，超精密恒温供油系统的温度控制精度达到了世界先进水平。
6结束语
亚微米超精密机床HCM-I的诞生标志着中国超精密加工研究进入国际行列。但毕竟还没有走出实验室，还没有商业化，还需要加倍努力才能赶上国际先进水平。表3列出了美国马坡的精确目标值和日本学者考虑的未来精确目标值。
图形请参考本网站。
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