超精密加工机床的关键部件技术 - 文章

超精密加工机床的关键部件技术

作者：哈尔滨工业大学盖玉先董申

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1 引言

超精密加工机床的研制开发始于20世纪60年代。当时在美国因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，因而急需开发制作反射镜的超精密加工技术。以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开发了三坐标控制的M-18AG非球面加工机床，它标志着亚微米级超精密加工机床技术的成熟。日本的超精密加工机床的研制开发滞后于美国20年。从1981～1982年首先开发的是多棱体反射镜加工机床，随后是磁头微细加工机床、磁盘端面车床，近来则是以非球面加工机床和短波长X线反射镜面加工机床为主。德国、荷兰以及中国台湾的超精密加工机床技术也都处于世界先进水平。我国的超精密加工机床的研制开发工作虽起步比较晚，但经过广大精密工程研究人员的不懈努力，已取得了可喜的成绩。哈尔滨工业大学精密工程研究所研制开发的HCM-Ⅰ超精密加工机床，主要技术指标达到了国际水平。国外部分超精密加工机床和HCM-Ⅰ超精密加工机床的性能指标如表1所示。本文主要论述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(生产厂家)		HCM-Ⅰ (中国哈工大)	M-18AG (莫尔特殊机床,美国)	Ultraprecision CNC machine (东芝,日本)	Ultraprecision Lathe (IPT，德国)
主轴	径向跳动(µm)	-	≤0.075	≤0.05(500r/min)	≤0.048
	轴向跳动(µm)	-	≤0.05	≤0.05(500r/min)	-
	径向刚度(N/µm)	220	-	100	-
	轴向刚度(N/µm)	160	-	200	-
导轨	Z向(主轴)直线度	＜0.2µm/100mm	≤0.5µm/230mm	-	0.044µm/80mm
	X向(刀架)直线度	＜0.2µm/100mm	≤0.5µm/410mm	-	0.044µm/80mm
	X、Z向垂直度(")	≤1	1	-	-
	重复定位精度(µm)	-	1(全程) 0.5(25.4mm)	-	-
加工工件精度	形面精度(µm)	圆度：0.1	平面度：0.3	＜0.1(P-V值)	0.1
加工工件精度	表面粗糙度(µm)	Ra0.0042	0.0075(P-V值)	Ra0.002	0.002～0.005RMS
位置反馈系统分辨率(µm)		-	25	2.5	10
温控精度(℃)		≤0.004	±0.006	±0.1	-
隔振系统固有频率(Hz)		≤2	2	-	-
加工范围(mm)		320	356	650×250	-

2 主轴系统

超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件，通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。目前研制开发的超精密加工机床的主轴中精度最高的是静压空气轴承主轴(磁悬浮轴承主轴也越来越受到人们的重视，其精度在迅速得到提高)。空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。主轴振摆回转精度是除去轴的圆度误差和加工粗糙度影响之外的轴心线振摆，即非重复径向振摆，属于静态精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05µm，最高可达0.03µm，由于轴承中支承回转轴的压力膜的均化作用，空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的精度。例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的1/15～1/20。日本学者研究表明，当轴和轴套的圆度达到0.15～0.2µm的精度时，可以得到10nm的回转精度，并通过FFT测定其所制造的精度最高的空气轴承主轴的回转精度为8nm。HCM-Ⅰ超精密加工机床的密玉石空气轴承主轴的圆度误差≤0.1µm。另外，空气轴承主轴还具有动特性良好、精度寿命长、不产生振动、刚性/载荷量具有与使用条件相称的值等优点。但是在主轴刚度、发热量与维护等方面需要做细致的工作。要做到纳米级回转精度的空气轴承主轴，除空气轴承的轴及轴套的形状精度达到0.15～0.2µm，再通过空气膜的均化作用来实现外，还需要保持供气孔流出气体的均匀性。供气孔数量、分布精度、对轴心的倾角、轴承的凸凹、圆柱度、表面粗糙度等的不同，均会影响轴承面空气流动的均匀性。而气流的不均匀是产生微小振动的直接原因，从而影响回转精度。要改善供气系统的状况，轴承材料宜选用多孔质材料。这是因为多孔质轴承是通过无数小孔供气的，能够改善压力分布，在提高承载能力的同时，改善空气流动的均匀性。多孔质材料的均匀性是很重要的。因为多孔质供气轴承材料内部的空洞会形成气腔，如不加以控制会引起气锤振动，为此必须对表面进行堵塞加工。

3 直线导轨

作为刀具和工件相对定位机构的直线导轨，是仅次于主轴的重要部件。对超精密加工机床的直线导轨的基本要求是：动作灵活、无爬行等不连续动作；直线精度好；在实用中应具有与使用条件相适应的刚性；高速运动时发热量少；维修保养容易。超精密加工机床中的常用导轨有V-V型滑动导轨和滚动导轨、液体静压导轨和气体静压导轨。传统的V-V型滑动导轨和滚动导轨在美国和德国的应用都取得了良好的效果。后两种都属于非接触式导轨，所以完全不必担心爬行的产生。从精度方面来考虑后两种也是最适宜的导轨。液体静压导轨由于油的粘性剪切阻力而发热量比较大，因此必须对液压油采取冷却措施。另外液压装置比较大，而且油路的维修保养也麻烦。气体静压导轨由于支承部是平面，可获得较大的支承刚度，它几乎不存在发热问题，如果最初的设计合理，则在后续的维修保养方面几乎不会发生什么问题。但必须注意导轨面的防尘。空气导轨的间隙仅为十几微米，而对如此大小的尘埃肉眼是看不到的，这样的尘埃即使是洁净室也不能完全消除，尘埃落入空气导轨面内会引起导轨面的损伤。总体看来，空气静压导轨是目前最好的导轨，但若不能保证防尘条件，则须改用液体静压导轨。目前空气静压直线导轨的直线度可达0.1～0.2µm/250mm。

HCM-Ⅰ超精密加工机床上使用的即是空气直线导轨，其气浮面上的压力分布如图1所示。

图1 气浮面上的压力分布

通过安装调整空气静压导轨得出如下结论：(1)必须保证足够的排气通道，否则溜板将产生位置扰动，扰动量有时达数微米。(2)从理论上讲减小节流孔径和气膜厚度，可以提高溜板刚度，但带来工艺上的困难。用传统机械加工手段很难加工出＜f0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，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均由螺钉紧固，形成悬臂结构，当用螺钉紧固和有空气压力作用时，有可能产生变形，使气膜厚度不均匀以致于影响其性能。但经过计算证明，使用长螺钉时，气浮块和螺钉变形均稍大；使用短螺钉时，气浮块和螺钉的变形都在亚微米级，可忽略不计。

4 进给与微量进给系统

进给系统中最常用的是各种进给丝杠，在超精密加工机床中滚珠丝杠因其反向间隙小、传动效率高而得到了广泛的应用。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的精度等级为C0级。由于是闭环控制，利用最好等级的滚珠丝杠，可获得现行最高水平0.01µm的定位精度。滚珠丝杠不需要静压丝杠所必需的附属装置，是使用极为方便的丝杠。但作为亚微米级超精密加工机床的进给丝杠必须考虑到由于滚珠的转动和滚珠间的接触滑动有微小的振动及与滑动丝杠等相比较振动衰减特性差等问题。HCM-Ⅰ超精密加工机床采用的滚珠丝杠，在严格保证伺服电动机与丝杠、丝杠和螺母与底座和溜板的联接装配的基础上，加大溜板气浮面积、提高其气浮刚度，从而减小由于丝杠的误差对溜板运动精度的影响。并且丝杠螺母与溜板采用了浮动连接结构，从而减小了溜板起伏造成滚珠丝杠受压波动而引起的丝杠瞬间或永久的变形。同时也避免了由于滚珠丝杠本身弯曲引起的因丝杠旋转而造成的溜板运动误差，因此实现了运动的最小位移分辨率≤0.01µm。

静压丝杠副的丝杠与螺母由于不直接接触，而是有一层高压液体膜相隔，所以没有由于摩擦而引起的爬行和反向间隙，因此可以长期保持精度，进给分辨率更高；又由于油膜具有均化作用，可以提高进给精度，在较长的行程上可以达到纳米级的定位分辨率。但是静压丝杠装置较大，且必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的辅助装置，另外还存在环境污染问题。

摩擦驱动是通过摩擦把伺服电动机的回转运动转换成从动杆的直线运动，实现无间隙传动，其工作原理如图2所示。从微观上看，压紧轮与从动杆之间的油膜处于液体润滑状态，润滑油的剪断特性决定牵引系统。因而要选择系数较高的润滑油。压紧轮滚动时实现进给，进给分辨率取决于伺服电动机回转一周的步进数。采用摩擦驱动进给的一个重要问题是预压，若预压力过小，则接触面有可能产生滑动；若预压力过大，由于弹性变形，则很难实现正确的驱动。另外由于预压力的存在，还容易产生磨损问题。新的研究表明，用扭曲滚轮摩擦驱动可以实现埃(Å)级定位。

图2 摩擦驱动原理图

各种进给丝杠及摩擦驱动特性如表2所示。

表2 各种进给机构特性表

种类		优点	缺点	定位精度
进给丝杠	滑动丝杠	制造容易，但需有研磨加工技术，衰减性好	需注意爬行	经仔细研磨加工后定位精度为0.01µm 前加工需达到0.1µm
	滚珠丝杠	已有规格化，容易搞到(C0)级	衰减性不好，需注意爬行，注意微小振动	最高可达0.01 µm 前加工需达到0.1µm
	液体静压丝杠	精度高，衰减性小	装置大，辅助设备多和维护难，油污染	相当好的定位精度为0.01µm，通常是 0.03 µm
	气体静压丝杠	精度高，维护容易	加工难	0.01µm
摩擦驱动		精度高，结构简单	需要适宜的预压和管理	当前的目标是0.01µm
压电元件		超微细的分辨率(亚纳米，nm)	行程微小(几微米～十几微米)	nm，

5 环境条件

超精密加工的环境条件有三。其一是污染，超精密加工机床必须置于洁净的超净室内才能充分发挥其优势。室内的洁净度以一立方英尺中0.5µm以上的灰尘的数量表示。作为超精密加工机床的工作环境应为20000～3000级以下。

其二是振动。环境振动的干扰不仅会引起机床本体的振动，更主要的是会引起切削刀具与被加工零件间的相对振动位移，后者将直接反映到被加工零件的精度和表面质量上。因此超精密加工机床必须设置性能优异的隔振装置。目前国外超精密加工机床中，大多数采用以空气弹簧为隔振元件的隔振系统，并取得了较好的隔振效果。这主要是因为空气弹簧在具有较大承载能力的同时，具有较低的刚度。弹簧的低刚度可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。经理论分析研究和计算比较，HCM-Ⅰ超精密加工机床采用了直筒约束膜式结构，并取内、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，便于模具的制造以及装置的安装和调整。

其三是温度。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，会造成机床运动精度下降，不能获得所定的加工精度。为了解决这一问题，通常从两个方面入手，一是选择合适的部件材料，超精密加工机床中使用的和候选的材料有氧化铝陶瓷、铸铁、钢、殷钢、花岗岩、树脂混凝土和零膨胀玻璃。从实际出发，HCM-Ⅰ超精密加工机床几乎全部采用花岗岩。二是保持温度的恒定控制。在总结国内外经验之后，哈尔滨工业大学提出了“有效冷流速率”的概念，在此基础上进行的超精密恒温供油系统的温控精度达到了世界先进水平。

6 结束语

亚微米级超精密机床HCM-Ⅰ的诞生，标志着我国的超精密加工研究跨入了国际行列。但它毕竟还没有走出实验室，没有商品化，要赶上国际先进水平还需加倍的努力。表3列出的是美国POMA的精度目标值和日本学者认为的今后精度目标值。

表3 提高超精密加工精度的计划目标

误差原因	日本精度(µm)	POMA计划值(µm)
位置检测精度定位精度偏摆、俯仰、倾斜直线度轴向跳动径向跳动主轴的延伸主轴驱动热的影响工件的装夹形状精度(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：POMA是在将直径为800mm的大型非球面反射镜的形状精度提高到0.1µm的前提下出来的。

(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/23/2006)


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