超精密加工机床的关键部件技术

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

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,尘埃落入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。

图1 气浮面上的压力分布

HCM-Ⅰ超精密加工机床上使用的即是空气直线导轨,其气浮面上的压力分布如图1所示。

通过安装调整空气静压导轨得出如下结论:(1)必须保证足够的排气通道,否则溜板将产生位置扰动,扰动量有时达数微米。(2)从理论上讲减小节流孔径和气膜厚度,可以提高溜板刚度,但带来工艺上的困难。用传统机械加工手段很难加工出

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