超精密复合加工机床的总体设计

　　现代飞机的发动机材料和机体结构材料已发生了非常大的变化，如先进发动机用硬脆热解石墨、单晶合金材料等，以及为了减重而采用的大量薄壁件等，这些材料的机械加工，急需替代性新技术、新工艺。这些材料的物理和机械性能与常规金属材料差别极大，加工过程中结构易变形，常规的工艺理论和策略已经无法完成这些先进材料和结构的加工工艺和工艺策略的研究，并且要求加工精度高。另外，在高精度机床上进行先进航空材料加工工艺的研究，可以简化加工工艺性的研制难度，方便地把工艺策略、工艺参数、刀具参数对加工质量的影响与机床的性能分开，从而使得工艺性的研究方法更加科学、有序，可以大大提高先进航空材料加工工艺性的研究速度。因此，研制可用多种加工方法实现加工多种先进材料的精密/超精密加工的模块式复合精密/超精密加工机床对于加快我国航空制造业的跨越式发展、提高我国综合国力具有重要的意义。

　　超精密加工机床的研究现状

　　我国从20世纪60年代开始发展精密和超精密机床，1987年北京机床研究所研制成功空气轴承主轴的加工球面的超精密车床。“十五”期间我国超精密机床获得了较大的发展，但和工业发达国家相比还有较大的差距。第二次世界大战后的20世纪50年代后期，美国首先开始进行超精密加工机床方面的研究，目前，美国比较有名的从事超精密加工制造的公司、企业至少有30家，其中最具代表性并取得重大成果的是美国劳伦斯·里佛摩尔国家实验室（Lawrene Livermore National Laboratory，LLL国家实验室）。超精密加工技术的发展使美国在航空、航天、核能等方面取得了重大的成就，如LLL国家实验室的大型光学金刚石车床LODTM和大型金刚石车床DTM-3是现在世界公认的水平最高、达到当前技术最前沿的超精密车床。由于美国超精密机床水平较高，商品生产不仅国内使用，还有相当多的出口，比较著名的有Moore公司的M-18AG型超精密非球曲面车床和Pneumo公司的MSG-325型超精密非球面车床等。

　　日本研究超精密加工技术和超精密加工机床起步较晚，20世纪70年代中期才开始，而且是根据电子和光学等民用需要开始研究的。但是，由于得到有关方面的重视，投入大量的人力、物力去开发，有计划地引进先进技术并深入剖析，从而使研制的产品很快达到甚至超过引进产品的水平，因此在发展速度上追上美国，而且在技术上可以与美国抗衡，并且民用工业上的应用也向精密化发展。日本东芝公司1991年研制了一台超精密CNC机床。可加工直径650mm、轴向尺寸250mm的非球面镜片。主轴采用空气轴承，转速范围3000～30000r/min，刚度达到200N/μm。X、Z向激光干涉反馈系统分辨率2.5nm。日本丰田工机研制的AHN60-3D是一台CNC三维截形磨削和车削机床，它能在X、Y和Z三轴控制下磨削和车削轴向对称形状的光学零件，可以在X、Y和Z轴二个半轴控制下磨削和车削非轴对称光学零件，加工工件的面形精度为0.35μm，表面粗糙度Ra达0.016μm。

　　英国Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加工工件形状精度达 0.25～0.5μm，表面粗糙度 Ra在0.01～0.025μm。随后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床，该公司又在上述机床的基础上，于1990年开发出 Nanoform600，该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜，加工工件的形状精度优于0.1μm，表面粗糙度优于0.01μm。

　　英国Rank Pneumo公司1988年开发了改进型的ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300机床，这些机床不仅能够进行切削加工，而且也可以用金刚石砂轮进行磨削，能加工直径为300mm的非球面金属反射镜，加工工件的形状精度为0.3～0.16μm，表面粗糙度Ra达0.01μm。

　　进入新世纪，世界各发达国家研制的具有代表性的超精密加工设备很少，但是总的来说超精密加工设备将向着多轴联动和复合加工或模块化方向发展。

　　超精密复合加工机床的设计

　　1总体设计

　　项目的研究目标是研制一台可以分别实现密封环、鼓筒、作动筒等发动机零件的车、铣/磨加工的超精密加工样机。总体方案是主轴部件和导轨部件采用气体静压小孔节流方式，丝杠螺母副采用德国零级精度的滚珠丝杠；为缩短研制周期，确保质量，集中精力进行精密铣/磨削工艺的研究，故高速铣/磨头采用英国进口的气动和电动2种高速主轴；控制系统采用目前国内外广为采用的性能可靠、功能齐全的日本FUNAC18i数控系统；为保证样机的运行稳定，床身下设置空气弹簧及床身自动调平装置进行减隔振。

　　考虑到加工精度及承载情况，床身采用T形布局，机床采用Z、X运动分离的结构，Z、X向运动导轨都放在机床的床身（采用花岗岩）上，形成T形布局，2条导轨在同一高度上。T形总体布局结构有利于提高导轨的制造精度和运动精度，并且用于检测Z、X向运动位置的光栅尺测量系统可以装在固定不动的床身上，仅将测量位置用的部分安在Z、X方向的移动部件上。这样不仅使测量系统的安装要简单得多，而且可大大提高测量精度。安装有刀架和铣/磨头的B轴安装在X轴上。

　　2 高精度、高刚度流体静压主轴部件的设计

　　机床的主轴部件是超精密加工机床最为重要的部件，其精度指标是机床精度的标志。超精密机床的主轴要求达到很高的回转精度，关键在于所用的轴承。目前，要想获得高回转精度的主轴部件均采用流体(液体或气体)静压技术。根据实际需要调整加工零件的精度要求和加工效率，主轴径向刚度在800N/μm左右，轴向刚度在500N/μm左右。为此，对小孔节流气体静压轴承进行了工程计算。在此，仅仅介绍径向轴承的工程设计过程。在小孔节流径向轴承结构系数求解过程中，主要求解小孔节流径向轴承与主轴之间的间隙，以保证主轴系统具有良好的静态性能。首先求出轴承的最佳间隙，然后求出在该间隙下的承载能力和静态刚度。

　　3 小孔节流流体静压导轨的设计

　　纵、横导轨油腔的形状都选定为矩形，并在油腔周围开有卸荷槽，以缓和从封油边喷出液压油的压力，在此仅仅介绍横导轨的设计。矩形油腔的优点是油压的作用面积大而具有较大的初始推力，缺点是无油时只靠周围的封油边承载，单位接触面积上压力大，易在突然事件中磨损。

　　在计算中，当液体压力选用1.5MPa时，横导轨的液体静压刚度满足设计指标。因此是符合设计要求的。同理，可以求得纵导轨的液体静压刚度。

　　4 高速静压铣/磨头的研制

　　高速静压铣/磨头主轴系统采用英国Loadpoint公司的B03196气动主轴，主轴最高转速80000 r/min，轴向负载能力155N，径向负载能力60N。采用英国Loadpoint公司B01020-AC交流驱动电主轴，主轴最高转速90000r/min，轴向负载能力151N，径向负载能力45N，轴向刚度5.8N/μm，径向刚度1.3N/μm。

　　应用前景分析

　　现代先进飞机为了减重而大量使用薄壁结构，如高性能转子零件广泛采用复杂薄壁结构，其精度要求越来越高。航空发动机核心零件如尾喷管作动筒、鼓筒、整体叶盘、压气机风扇叶片等是典型的复杂薄壁结构零件且广泛采用高强比材料，以达到减轻结构重量、提高结构效率的目的。在航空发动机制造中各类叶片所占比重约30%，从切削加工角度看，此类薄壁零件具有外形复杂、叶型厚度薄、刚性差，加工刀具切削力较大的特点。这意味着强切削力作用下工件变形是影响加工精度的主要原因。此外，工件表层残余应力可能引起相当大的扭曲变形，对加工精度具有不容忽视的影响作用，特别对航空薄壁结构件的影响更大。加工的复杂薄壁零件达不到设计要求，加工的零件就不是合格零件。如果用这种零件做试验，试验结果就不能反映设计性能要求。同样如果将这种零件安装到发动机上，工作性能也无法满足设计要求。如何准确预测、控制工件表层的残余应力和扭曲变形，改善加工表面的完整性，提高数控加工精度，一直是精密、超精密切削领域重要的研究课题。国外运用超精密无残余应力加工实现这些薄壁零件的加工，而我国为了加工出合格复杂薄壁零件必须对复杂薄壁零件的受力变形量进行精确计算和预先补偿消除。

　　实际应用试验表明，在高精度机床上进行先进航空材料加工工艺的研究，可以简化加工工艺性的研制难度，方便地把工艺策略、工艺参数、刀具参数对加工质量的影响与机床的性能分开，从而使得工艺性的研究方法更加科学、有序，可以大大提高先进航空材料加工工艺性的研究速度，缩短整机研制周期，提高发动的质量和性能。

　　结束语

　　超精密复合加工机床可以实现车、铣、磨削加工，可在保证一定效率的前提下，大大提高加工精度，并减小薄壁件的变形。该机床的研制成功，将很好地满足我国航空发动机等研制对加工设备的要求，对于推动航空工业的发展具有重要意义。

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