哈爾濱工業大學的蓋玉賢和沈東
1簡介
超精密加工機床的研發始於20世紀60年代。當時的美國，發展激光核聚變實驗裝置和紅外實驗裝置需要大型金屬反射鏡，急需發展制作反射鏡的超精密加工技術。用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，美國在世界上首次研制出三坐標控制的M-18AG非球面加工機床，標誌著亞微米超精密加工機床技術的成熟。日本超精密加工機床的研發落後美國20年。從1981到1982，首先發展了多面鏡加工機床，其次是頭微加工機床和盤端車床，最近主要使用非球面加工機床和短波長X射線鏡加工機床。德國、荷蘭和中國臺灣省的超精密加工機床技術也處於世界先進水平。我國超精密加工機床的研發雖然起步較晚，但經過廣大精密工程研究人員的不懈努力，已經取得了可喜的成績。哈爾濱工業大學精密工程研究所研制的HCM-I超精密加工機床已達到國際水平。部分國外超精密加工機床和HCM-I超精密加工機床的性能指標見表1。本文主要討論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(制造商)home
(中國哈爾濱工業大學)M-18AG
(美國摩爾特種機床)超精密數控機床
(日本東芝)超精密車床
(德國IPT)
主軸徑向跳動(微米)≤0.075≤0.05(500轉/分)≤0.048。
軸向跳動(微米)≤0.05≤0.05(500轉/分鐘)
徑向剛度(北微米)220 100
軸向剛度(北微米)160 200
導軌在Z方向(主軸)的直線度小於0.2微米/100 mm ≤ 0.5微米/230 mm 0.044微米/80 mm
x方向(刀架)直線度< 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
重復定位精度(微米)1(全量程)
0.5英寸(25.4毫米)
過程
工件
精度(微米)圓度: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
位置反饋系統的分辨率(微米)25 2.5 10
溫度控制精度(℃) ≤ 0.004 0.006 0.1。
隔振系統的固有頻率(Hz) ≤2 2
加工範圍(毫米)320 356 650×250
雙軸系統
超精密加工機床的主軸在加工過程中直接支撐工件或刀具的運動，因此主軸的回轉精度直接影響工件的加工精度。因此，可以說主軸是超精密加工機床最重要的部分，通過主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前超精密加工機床的主軸精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁力軸承主軸越來越受到重視，精度迅速提高)。空氣軸承主軸具有良好的振動和擺動精度。主軸振動的回轉精度是除圓度誤差和加工粗糙度影響外的軸線振動，即非重復徑向振動，屬於靜態精度。目前高精度空氣軸承主軸的回轉精度可達0.05μm，最高可達0.03 μ m，由於軸承內支撐轉軸的壓力膜均勻化，空氣軸承主軸可獲得比軸承零件本身更高的精度。例如主軸的回轉精度可以達到軸、軸套等軸承零件圓度的1/15 ~ 1/20左右。日本學者的研究表明，當重要官員和軸套的圓度達到0.15 ~ 0.2μ m時，可獲得10nm的回轉精度，其制造的精度最高的空氣軸承主軸的回轉精度經FFT為8nm。HCM-I超精密加工機床密玉氣浮主軸的圓度誤差≤0.65438±0 μm，此外，氣浮主軸還具有動態特性好、精度壽命長、無振動、剛度/載荷具有與使用條件相稱的值等優點。但在主軸剛度、發熱量、維護等方面都需要細致的工作。為了實現納米級旋轉精度的氣浮軸承主軸，除了氣浮軸承軸和軸套的形狀精度達到0.15 ~ 0.2微米，進而通過氣膜均勻化來實現外，還需要保持從供氣孔流出的氣體的均勻性。供氣孔的數量、分布精度、相對於軸線的傾斜度、軸承的凸凹度、圓柱度和表面粗糙度的差異都會影響氣流在軸承表面的均勻性。但氣流不均勻是產生微小振動的直接原因，影響旋轉精度。為了改善供氣系統的條件，應選擇多孔材料作為軸承材料。這是因為多孔軸承通過無數個小孔供氣，可以改善壓力分布，提高承載能力，提高氣流的均勻性。多孔材料的均勻性非常重要。因為多孔供氣軸承材料中的空腔會形成氣腔，如果不加以控制，會引起氣錘振動，所以表面必須堵塞。3線性導軌
直線導軌作為刀具和工件之間的相對定位機構，是繼主軸之後最重要的部件。超精密加工機床對直線導軌的基本要求是:動作靈活，無爬行等不連續動作；良好的線性精度；在實踐中，它應具有適合於使用條件的剛度；高速運動時熱值低；易於維護。超精密加工機床中常見的導軌有V-V滑動導軌和滾動導軌、靜壓導軌和空氣靜壓導軌。傳統的V-V滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用取得了良好的效果。後兩者為非接觸式導軌，無需擔心爬行。考慮到精度，後兩種也是最合適的導軌。靜壓導軌由於油的粘滯剪切阻力，發熱量較大，因此必須對液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，油路維護也比較麻煩。由於空氣靜壓導軌的支撐部分是平的，可以獲得更大的支撐剛度，而且幾乎沒有發熱問題，比如？妳怎麽了？哎？奈？魏q？焦介負醪為戴⑤？砍仆5？獾的脊椎呢？棕櫚？妳想撫養杜新嗎？肝願？均勻平滑>某個場景怎麽了？哎？壹個場景<字，墻，帝，帝，王，王。山脊呢？原諒W芴很蠢嗎？棕櫚？山脊怎麽了？妳怎麽了？妳怎麽了？妳為什麽這麽尷尬？. 1~0.2μm/250mm .
HCM-I型超精密加工機床采用空氣直線導軌，其氣浮面上的壓力分布如圖1所示。
圖1空氣軸承表面的壓力分布
通過安裝調整空氣靜壓導軌，得出以下結論:(1)必須保證足夠的排氣通道，否則滑板會有位置擾動，有時擾動量是幾微米。(2)理論上，減小節流孔徑和膜厚可以提高滑板的剛性，但帶來了技術上的困難。傳統的加工方法很難加工出< < f0.15mm的小孔，需要探索其他的加工方法，這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用螺釘緊固，形成懸臂結構。用螺絲緊固時，在氣壓的作用下，可能會變形，使薄膜厚度不均勻，從而影響其性能。但經計算證明，采用長螺桿時，空氣軸承塊和螺桿的變形略大。當使用短螺桿時，空氣軸承塊和螺桿的變形為亞微米級，可以忽略不計。
4進給和微進給系統
進給系統中常用各種進給絲杠，滾珠絲杠由於反向間隙小、傳動效率高，在超精密加工機床中應用廣泛。精度更高的靜壓絲杠和摩擦驅動裝置也逐漸用於超精密加工機床。
超精密加工機床的滾珠絲杠壹般精度等級為C0。由於采用閉環控制，使用最好等級的滾珠絲杠，可以獲得目前最高級別的0.01μm的定位精度。滾珠絲杠不需要靜壓絲杠必備的附屬裝置，使用起來極其方便。但作為亞微米超精密加工機床的進給絲杠，必須考慮滾珠旋轉和滾珠間接觸滑動引起的輕微振動以及與滑動絲杠相比減振特性差等問題。HCM-I超精密加工機床使用的滾珠絲杠，在嚴格保證伺服電機與絲杠、絲杠螺母與底座和滑板的連接裝配的基礎上，增加了滑板的空氣軸承面積，提高了其空氣軸承剛度，從而減少了絲杠誤差對滑板運動精度的影響。此外，絲杠螺母與滑板采用浮動連接結構，減少了因滑板波動引起的滾珠絲杠壓力波動而導致的絲杠瞬時或永久變形。同時避免了因滾珠絲杠自身旋轉而產生的滑動運動誤差，因此運動的最小位移分辨率≤0.01 μm >；
靜壓絲杠副的絲杠和螺母不是直接接觸，而是隔著壹層高壓液膜，因此不存在摩擦引起的爬行和反向間隙，因此精度可以長期保持，進給分辨率更高；由於油膜具有均化作用，可以提高進給精度，在長行程中可以達到納米級的定位分辨率。但靜壓絲杠裝置體積大，必須有油泵、蓄壓器、液體循環裝置、冷卻裝置、過濾裝置等許多輔助裝置，還存在環境汙染問題。
摩擦傳動是通過摩擦將伺服電機的旋轉運動轉化為從動桿的直線運動，實現無間隙傳動。其工作原理如圖2所示。微觀上，夾送輥與從動桿之間的油膜處於液體潤滑狀態，潤滑油的剪切特性決定了牽引系統。所以要選擇系數較高的潤滑油。夾送輥滾動時可以進給，進給分辨率取決於伺服電機的步進數。摩擦驅動進給的壹個重要問題是預緊。如果預載太小，接觸面可能會滑動。如果預壓力過大，由於彈性變形，很難實現正確驅動。另外，由於預壓力的存在，容易造成磨損問題。新的研究表明，加撚輥的摩擦傳動可以實現壓降。)水平定位。
圖2摩擦驅動示意圖
各種進給螺桿和摩擦驅動特性如表2所示。
微進給機構也廣泛應用於超精密加工機床中，以滿足更高的定位精度和進給分辨率的要求。常用的方法有滾動絲杠進給和彈性進給相結合以及粗細壓電元件相結合。HCM-I超精密加工機床采用壓電微進給刀架。表2各種進給機構定位精度特性表的優缺點
進給螺桿滑動
絲杠容易制造，但需要磨削技術和良好的衰減。經過精心打磨，定位精度為0.01 μ m。
預處理要達到0.1 μ m。
球
絲杠已經標準化，容易得到(C0)級，衰減差。
註意爬行，
註意，最大微振動可達0.01微米米
預處理要達到0.1 μ m。
液體靜電
壓螺桿精度高，衰減小，設備大，輔助設備多，維護困難。油汙定位精度相當好，通常為0.01μm
0.03微米
氣體靜電
壓螺桿精度高，維護容易，加工困難。0.01 μ m
摩擦傳動精度高，結構簡單，需要適當的預緊和管理。目前的目標是0.01 μ m。
壓電元件的超精細分辨率(亞納米，nm)非常小(幾微米到十幾微米)nm。
5環境條件
超精密加工有三個環境條件。壹個是汙染，超精密加工機床必須放在潔凈的超凈室內才能發揮優勢。室內潔凈度用每立方英尺0.5μm以上的灰塵量來表示。作為超精密加工機床，工作環境應在20000 ~ 3000級以下。
第二是振動。環境振動的幹擾不僅會引起機床本體的振動，還會引起刀具與被加工零件之間的相對振動位移，這將直接反映被加工零件的精度和表面質量。因此，超精密加工機床必須配備優良的隔振裝置。目前，國外超精密加工機床大多采用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統，並取得了良好的隔振效果。這主要是因為空氣彈簧具有大的承載能力和低的剛度。彈簧的低剛度可以使隔振系統獲得較低的固有頻率，遠離環境幹擾頻率，提高隔振效果。通過理論分析和計算比較，HCM-I超精密加工機床采用直管約束膜結構，內外變角均為0。這樣不僅彈簧剛度的線性度好，而且結構簡單，便於模具制造和裝置安裝調整。
表3提高超精密加工精度計劃目標誤差原因日本精度(微米)馬坡計劃值(微米)
位置檢測精度
定位精度
偏航、俯仰和傾斜
直線度精度
軸向跳動
徑向跳動
主軸的延伸
主軸驅動
熱量的影響
工件的夾緊
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
註:馬坡是在將直徑800mm的大型非球面鏡面形精度提高到0.1 μ m的前提下制作的
p & gt第三是溫度。超精密加工機床的加工必須在恒溫室內進行。加工過程中溫度的變化會導致機床的運動精度降低，不能達到規定的加工精度。為了解決這個問題，我們通常從兩個方面入手。首先，我們選擇合適的組件材料。超精密加工機床中使用和候選的材料包括氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、因瓦合金、花崗巖、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。實事求是地說，幾乎所有的HCM-I超精密加工機床都是用花崗巖制成的。二是保持恒溫控制。哈工大在總結國內外經驗後，提出了“有效冷流率”的概念，在此基礎上，超精密恒溫供油系統的溫度控制精度達到了世界先進水平。
6結束語
亞微米超精密機床HCM-I的誕生標誌著中國超精密加工研究進入國際行列。但畢竟還沒有走出實驗室，還沒有商業化，還需要加倍努力才能趕上國際先進水平。表3列出了美國馬坡的精確目標值和日本學者考慮的未來精確目標值。
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