1引言

超精密加工機(jī)床的研制開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)在美國(guó)因開(kāi)發(fā)激光核聚變實(shí)驗(yàn)裝置和紅外線實(shí)驗(yàn)裝置需要大型金屬反射鏡,因而急需開(kāi)發(fā)制作反射鏡的超精密加工技術(shù)。以單點(diǎn)金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無(wú)氧銅的超精密加工機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生睬罗。1980年美國(guó)在世界上首次開(kāi)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(jí)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(kāi)發(fā)滯后于美國(guó)20年旭斥。從1981～1982年首先開(kāi)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)床容达、磁盤(pán)端面車床,近來(lái)則是以非球面加工機(jī)床和短波長(zhǎng)X線反射鏡面加工機(jī)床為主。德國(guó)垂券、荷蘭以及中國(guó)臺(tái)灣的超精密加工機(jī)床技術(shù)也都處于世界先進(jìn)水平花盐。我國(guó)的超精密加工機(jī)床的研制開(kāi)發(fā)工作雖起步比較晚,但經(jīng)過(guò)廣大精密工程研究人員的不懈努力,已取得了可喜的成績(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所研制開(kāi)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(guó)際水平菇爪。國(guó)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所示算芯。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(guó)內(nèi)外典型超精密車床性能指標(biāo)匯總

2主軸系統(tǒng)

超精密加工機(jī)床的主軸在加工過(guò)程中直接支持工件或刀具的運(yùn)動(dòng),故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度凳宙。因此可以說(shuō)主軸是超精密加工機(jī)床中最重要的一個(gè)部件,通過(guò)機(jī)床主軸的精度和特性可以評(píng)價(jià)機(jī)床本身的精度属圃。目前研制開(kāi)發(fā)的超精密加工機(jī)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(lái)越受到人們的重視,其精度在迅速得到提高)【【鳎空氣軸承主軸具有良好的振擺回轉(zhuǎn)精度叉砰。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,最高可達(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陆宝。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众抽。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(shí),可以得到10nm的回轉(zhuǎn)精度,并通過(guò)FFT測(cè)定其所制造的精度最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坑状。另外,空氣軸承主軸還具有動(dòng)特性良好尺桅、精度壽命長(zhǎng)、不產(chǎn)生振動(dòng)却坦、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優(yōu)點(diǎn)裂瘤。但是在主軸剛度、發(fā)熱量與維護(hù)等方面需要做細(xì)致的工作殃练。要做到納米級(jí)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(guò)空氣膜的均化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)外,還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性馆义。供氣孔數(shù)量黔章、分布精度胁塞、對(duì)軸心的傾角咏尝、軸承的凸凹、圓柱度啸罢、表面粗糙度等的不同,均會(huì)影響軸承面空氣流動(dòng)的均勻性编检。而氣流的不均勻是產(chǎn)生微小振動(dòng)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)材料扰才。這是因?yàn)槎嗫踪|(zhì)軸承是通過(guò)無(wú)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(shí),改善空氣流動(dòng)的均勻性允懂。多孔質(zhì)材料的均勻性是很重要的。因?yàn)槎嗫踪|(zhì)供氣軸承材料內(nèi)部的空洞會(huì)形成氣腔,如不加以控制會(huì)引起氣錘振動(dòng),為此必須對(duì)表面進(jìn)行堵塞加工衩匣。

3直線導(dǎo)軌

作為刀具和工件相對(duì)定位機(jī)構(gòu)的直線導(dǎo)軌,是僅次于主軸的重要部件蕾总。對(duì)超精密加工機(jī)床的直線導(dǎo)軌的基本要求是:動(dòng)作靈活、無(wú)爬行等不連續(xù)動(dòng)作琅捏；直線精度好生百；在實(shí)用中應(yīng)具有與使用條件相適應(yīng)的剛性；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量少柄延；維修保養(yǎng)容易蚀浆。超精密加工機(jī)床中的常用導(dǎo)軌有V-V型滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌搜吧。傳統(tǒng)的V-V型滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌在美國(guó)和德國(guó)的應(yīng)用都取得了良好的效果箍伏。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(lái)考慮后兩種也是最適宜的導(dǎo)軌乒踢。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(duì)液壓油采取冷卻措施揪馅。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(wèn)題,如果最初的設(shè)計(jì)合理,則在后續(xù)的維修保養(yǎng)方面幾乎不會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題捡霹。但必須注意導(dǎo)軌面的防塵瞳州。空氣導(dǎo)軌的間隙僅為十幾微米,而對(duì)如此大小的塵埃肉眼是看不到的,這樣的塵埃即使是潔凈室也不能完全消除,塵埃落入空氣導(dǎo)軌面內(nèi)會(huì)引起導(dǎo)軌面的損傷饵忙⊙挝模總體看來(lái),空氣靜壓導(dǎo)軌是目前最好的導(dǎo)軌,但若不能保證防塵條件,則須改用液體靜壓導(dǎo)軌。目前空氣靜壓直線導(dǎo)軌的直線度可達(dá)0.1～0.2μm/250mm岖疲。

圖1 氣浮面上的壓力分布

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所示咏摔。

通過(guò)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(dòng),擾動(dòng)量有時(shí)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(lái)工藝上的困難极阴。用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段很難加工出

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