超精密加工机床的关键部件技术
哈尔滨工业大学 盖玉先 董申
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
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
数控技术也叫
计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按
事先存贮的控制
程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控
装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均
可通过计算机软件来完成。
数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。
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