超精密加工机床的关键部件数控技术

　　精密加工是为了适应现代高科技发展需要而兴起的一种机械加工新工艺，它的发展利用了机床、工具、计量、环境技术、光电子技术、计算机技术、数控技术和材料科学等的进步成果，它是先进制造技术的重要支柱之一。

　　超精密加工机床的研制开发始于20世纪60年代。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。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。本文主要论述超精密加工机床的关键部件技术。

建立超精密机床设备时的主要问题

　　超精密设备的设计特点是由下列原因形成的：加工过程是在长时间区间内单调性；被加工表面(相对位置、形状和粗糙度)的精度很高。因此，对机床的工艺性提出下列综合要求：在整个加工时同内应保证刀具和工件给定的相对位置精度；刀具和工件的相对振动水平应在允许范围内；环境应洁净；引起热变形的发热量应在允许范围内。上述综合要求决定设计超精密机床的总原则：检测刀具与工件相对位置的计量系统不应与内、外扰动发生关系；机床精度应保持在整个使用期内；机床工作空间和周围环境的清洁度应保持在一定水平；机床自动化手段应在装卸工件和加工、检测时排除操作人员的参与根据这些原则，在设计时应解决下列并且为达到所需精度提出下列推荐：

　　1．选择机床布局时应保证扰动最小作用在测量系统的测量基准上。
　　2．通过测量轴与刀尖(切削刃)的重合(接近)，使阿贝效应最小化。
　　3．采用的运动环节(导轨、轴承、丝杠、螺母传动装置等)应具有高的刚度和阻尼性能，以及当速度接近零时摩擦最小。由于摩擦表面被流动介质隔开，故应保证加工误差均匀。
　　4．建立快速控制系统时应考虑到在切削区周围测量加工尺寸的条件，并允许滞后修正尺寸，且应考虑到扰动偶然作用在刀具和工件上时(如从机床的基础一侧)的补偿条件。
　　5．保证机床的隔音保护。
　　6．保证机床与基础的绝振。
　　7．切削区和机床周围空间应洁净。
　　8．采用的热平稳和热稳定装置应保证机床整个体积内的温度场不变和小的温度梯度。
　　9．采用的装卸装置应使工件在装卸时不变形，且没有补充加热(如操作人员手)，不能损坏基准表面和已加工表面。
　　10．制造基础件的材料应具有下列性能：阻尼性能高；陛模量与密度的比值最大；温度膨胀系数低；能保证高的尺寸和形状稳定性。
　　11．基础元件和各部件

　　对已加工表面精度直接产生影响的是参与成形的下列一些主要系统：带主轴部件的主运动传动装置；带执行电机和机床工作机构、工件和刀具相对位置的测量系统和控制系统的进给传动装置；机床的承载系统。

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馓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。

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，尘埃落人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。

结束语

　　精密加工是为了适应现代高科技发展需要而兴起的一种机械加工新工艺，它的发展利用了机床、工具、计量、环境技术、光电子技术、计算机技术、数控技术和材料科学等的进步成果，它是先进制造技术的重要支柱之一。