1 引言
超精密加工機(jī)床的研制開發(fā)始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)在美國(guó)因開發(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。1980年美國(guó)在世界上首次開發(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)床的研制開發(fā)滯后于美國(guó)20年。從1981～1982年首先開發(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、磁盤端面車床，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)、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。我國(guó)的超精密加工機(jī)床的研制開發(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。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。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
| 型號(hào)(生產(chǎn)廠家) |
HCM-Ⅰ
(中國(guó)哈工大) |
M-18AG
(莫爾特殊機(jī)床,美國(guó)) |
Ultraprecision CNC machine
(東芝,日本) |
Ultraprecision Lathe
(IPT，德國(guó)) |
| 主軸 |
徑向跳動(dòng)(µm) |
|
≤0.075 |
≤0.05(500r/min) |
≤0.048 |
| 軸向跳動(dòng)(µm) |
|
≤0.05 |
≤0.05(500r/min) |
|
| 徑向剛度(N/µm) |
220 |
|
100 |
|
| 軸向剛度(N/µm) |
160 |
|
200 |
|
| 導(dǎo)軌 |
Z向(主軸)直線度 |
＜0.2µm/100mm |
≤0.5µm/230mm |
|
0.044µm/80mm |
| X向(刀架)直線度 |
＜0.2µm/100mm |
≤0.5µm/410mm |
|
0.044µm/80mm |
| X、Z向垂直度(") |
≤1 |
1 |
|
|
| 重復(fù)定位精度(µm) |
|
1(全程)
0.5(25.4mm) |
|
|
加工
工件
精度 |
形面精度(µm) |
圓度：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 |
| 位置反饋系統(tǒng)分辨率(µm) |
|
25 |
2.5 |
10 |
| 溫控精度(℃) |
≤0.004 |
±0.006 |
±0.1 |
|
| 隔振系統(tǒng)固有頻率(Hz) |
≤2 |
2 |
|
|
| 加工范圍(mm) |
320 |
356 |
650×250 |
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。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。目前研制開發(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)�？諝廨S承主軸具有良好的振擺回轉(zhuǎn)精度。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。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。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。另外，空氣軸承主軸還具有動(dòng)特性良好、精度壽命長(zhǎng)、不產(chǎn)生振動(dòng)、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優(yōu)點(diǎn)。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。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。供氣孔數(shù)量、分布精度、對(duì)軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、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。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。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。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。
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。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；直線精度好；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；維修保養(yǎng)容易。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。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。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。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。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)生什么問題。但必須注意導(dǎo)軌面的防塵�？諝鈱�(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�？傮w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。
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。
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。用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段很難加工出＜f0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也對(duì)防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導(dǎo)軌的側(cè)氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固，形成懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)用螺釘緊固和有空氣壓力作用時(shí)，有可能產(chǎn)生變形，使氣膜厚度不均勻以致于影響其性能。但經(jīng)過(guò)計(jì)算證明，使用長(zhǎng)螺釘時(shí)，氣浮塊和螺釘變形均稍大；使用短螺釘時(shí)，氣浮塊和螺釘?shù)淖冃味荚趤單⒚准?jí)，可忽略不計(jì)。
4 進(jìn)給與微量進(jìn)給系統(tǒng)
進(jìn)給系統(tǒng)中最常用的是各種進(jìn)給絲杠，在超精密加工機(jī)床中滾珠絲杠因其反向間隙小、傳動(dòng)效率高而得到了廣泛的應(yīng)用。精度更高的靜壓絲杠和摩擦驅(qū)動(dòng)裝置也逐漸用于超精密加工機(jī)床。
超精密加工機(jī)床的滾珠絲杠一般的精度等級(jí)為C0級(jí)。由于是閉環(huán)控制，利用最好等級(jí)的滾珠絲杠，可獲得現(xiàn)行最高水平0.01µm的定位精度。滾珠絲杠不需要靜壓絲杠所必需的附屬裝置，是使用極為方便的絲杠。但作為亞微米級(jí)超精密加工機(jī)床的進(jìn)給絲杠必須考慮到由于滾珠的轉(zhuǎn)動(dòng)和滾珠間的接觸滑動(dòng)有微小的振動(dòng)及與滑動(dòng)絲杠等相比較振動(dòng)衰減特性差等問題。HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床采用的滾珠絲杠，在嚴(yán)格保證伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠、絲杠和螺母與底座和溜板的聯(lián)接裝配的基礎(chǔ)上，加大溜板氣浮面積、提高其氣浮剛度，從而減小由于絲杠的誤差對(duì)溜板運(yùn)動(dòng)精度的影響。并且絲杠螺母與溜板采用了浮動(dòng)連接結(jié)構(gòu)，從而減小了溜板起伏造成滾珠絲杠受壓波動(dòng)而引起的絲杠瞬間或永久的變形。同時(shí)也避免了由于滾珠絲杠本身彎曲引起的因絲杠旋轉(zhuǎn)而造成的溜板運(yùn)動(dòng)誤差，因此實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的最小位移分辨率≤0.01µm。
圖2 摩擦驅(qū)動(dòng)原理圖
靜壓絲杠副的絲杠與螺母由于不直接接觸，而是有一層高壓液體膜相隔，所以沒有由于摩擦而引起的爬行和反向間隙，因此可以長(zhǎng)期保持精度，進(jìn)給分辨率更高；又由于油膜具有均化作用，可以提高進(jìn)給精度，在較長(zhǎng)的行程上可以達(dá)到納米級(jí)的定位分辨率。但是靜壓絲杠裝置較大，且必須有油泵、蓄壓器、液體循環(huán)裝置、冷卻裝置和過(guò)濾裝置等眾多的輔助裝置，另外還存在環(huán)境污染問題。
摩擦驅(qū)動(dòng)是通過(guò)摩擦把伺服電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成從動(dòng)桿的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，其工作原理如圖2所示。從微觀上看，壓緊輪與從動(dòng)桿之間的油膜處于液體潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑油的剪斷特性決定牽引系統(tǒng)。因而要選擇系數(shù)較高的潤(rùn)滑油。壓緊輪滾動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，進(jìn)給分辨率取決于伺服電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)一周的步進(jìn)數(shù)。采用摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給的一個(gè)重要問題是預(yù)壓，若預(yù)壓力過(guò)小，則接觸面有可能產(chǎn)生滑動(dòng)；若預(yù)壓力過(guò)大，由于彈性變形，則很難實(shí)現(xiàn)正確的驅(qū)動(dòng)。另外由于預(yù)壓力的存在，還容易產(chǎn)生磨損問題。新的研究表明，用扭曲滾輪摩擦驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)埃(Å)級(jí)定位。
各種進(jìn)給絲杠及摩擦驅(qū)動(dòng)特性如表2所示。
超精密加工機(jī)床中還廣泛應(yīng)用微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)，以滿足對(duì)更高定位精度和進(jìn)給分辨率的要求。常用的方法有采用滾動(dòng)絲杠進(jìn)給和彈性進(jìn)給并用的方法和由粗調(diào)和微調(diào)壓電元件組合的方法。HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床采用的是壓電式微量進(jìn)給刀架。
表2 各種進(jìn)給機(jī)構(gòu)特性表
| 種類 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
定位精度 |
| 進(jìn)給絲杠 |
滑動(dòng)
絲杠 |
制造容易，但需有研磨加工技術(shù)，衰減性好 |
需注意爬行 |
經(jīng)仔細(xì)研磨加工后定位精度為0.01µm
前加工需達(dá)到0.1µm |
滾珠
絲杠 |
已有規(guī)格化，容易搞到(C0)級(jí) |
衰減性不好，
需注意爬行，
注意微小振動(dòng) |
最高可達(dá)0.01 µm
前加工需達(dá)到0.1µm |
液體靜
壓絲杠 |
精度高，衰減性小 |
裝置大，輔助設(shè)備多和維護(hù)難，油污染 |
相當(dāng)好的定位精度為0.01µm，通常是
0.03 µm |
氣體靜
壓絲杠 |
精度高，維護(hù)容易 |
加工難 |
0.01µm |
| 摩擦驅(qū)動(dòng) |
精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 |
需要適宜的預(yù)壓和管理 |
當(dāng)前的目標(biāo)是0.01µm |
| 壓電元件 |
超微細(xì)的分辨率(亞納米，nm) |
行程微小(幾微米～十幾微米) |
nm， |
5 環(huán)境條件
超精密加工的環(huán)境條件有三。其一是污染，超精密加工機(jī)床必須置于潔凈的超凈室內(nèi)才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。室內(nèi)的潔凈度以一立方英尺中0.5µm以上的灰塵的數(shù)量表示。作為超精密加工機(jī)床的工作環(huán)境應(yīng)為20000～3000級(jí)以下。
其二是振動(dòng)。環(huán)境振動(dòng)的干擾不僅會(huì)引起機(jī)床本體的振動(dòng)，更主要的是會(huì)引起切削刀具與被加工零件間的相對(duì)振動(dòng)位移，后者將直接反映到被加工零件的精度和表面質(zhì)量上。因此超精密加工機(jī)床必須設(shè)置性能優(yōu)異的隔振裝置。目前國(guó)外超精密加工機(jī)床中，大多數(shù)采用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統(tǒng)，并取得了較好的隔振效果。這主要是因?yàn)榭諝鈴椈稍诰哂休^大承載能力的同時(shí)，具有較低的剛度。彈簧的低剛度可使隔振系統(tǒng)獲得較低的固有頻率，遠(yuǎn)離環(huán)境干擾頻率，提高隔振效果。經(jīng)理論分析研究和計(jì)算比較，HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床采用了直筒約束膜式結(jié)構(gòu)，并取內(nèi)、外變角均為0°。這樣不僅彈簧剛度的線性度好，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于模具的制造以及裝置的安裝和調(diào)整。
表3 提高超精密加工精度的計(jì)劃目標(biāo)
| 誤差原因 |
日本精度(µm) |
POMA計(jì)劃值(µm) |
位置檢測(cè)精度
定位精度
偏擺、俯仰、傾斜
直線度
軸向跳動(dòng)
徑向跳動(dòng)
主軸的延伸
主軸驅(qū)動(dòng)
熱的影響
工件的裝夾
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 |
| 注：POMA是在將直徑為800mm的大型非球面反射鏡的形狀精度提高到0.1µm的前提下出來(lái)的。 |
其三是溫度。超精密加工機(jī)床的加工必須在恒溫室內(nèi)進(jìn)行，加工過(guò)程中溫度的變化，會(huì)造成機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度下降，不能獲得所定的加工精度。為了解決這一問題，通常從兩個(gè)方面入手，一是選擇合適的部件材料，超精密加工機(jī)床中使用的和候選的材料有氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、殷鋼、花崗巖、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。從實(shí)際出發(fā)，HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床幾乎全部采用花崗巖。二是保持溫度的恒定控制。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)之后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了“有效冷流速率”的概念，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的超精密恒溫供油系統(tǒng)的溫控精度達(dá)到了世界先進(jìn)水平。
6 結(jié)束語(yǔ)
亞微米級(jí)超精密機(jī)床HCM-Ⅰ的誕生，標(biāo)志著我國(guó)的超精密加工研究跨入了國(guó)際行列。但它畢竟還沒有走出實(shí)驗(yàn)室，沒有商品化，要趕上國(guó)際先進(jìn)水平還需加倍的努力。表3列出的是美國(guó)POMA的精度目標(biāo)值和日本學(xué)者認(rèn)為的今后精度目標(biāo)值。
