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精密加工与特种加工Precisionandultraprecisionmachining第四讲（超）精密切削机床研究和发展的重点集中在超精密机床的设计、制造、控制、检测和工艺实验等方面:1)超精密机床设计理论与方法．(1)超精密机床系统建模及优化设计理论与方法;(2)超精密机床的多尺度、多层次耦合特性分析及模型解析;(3)超精密机床精度设计理论与多因素影响机制;(4)超精密机床环境设计理论与方法．2)控制系统设计与智能化方法．(1)超精密机床运动系统控制理论与方法;(2)超精密机床的运动轨迹优化理论与方法;(3)超精密机床性能在线观测与智能化技术;(4)超精密机床复杂系统多因素耦合最优控制技术;(5)超精密机床动态复合误差实时补偿技术．Precisionandultraprecisionmachining3)基础部件制造与集成．(1)高精度、高速、智能化运动部件的系统化设计方法;(2)高阻尼、高刚度、高精度运动部件设计理论与方法;(3)智能化刀具系统的设计理论与方法;(4)超精密环境控制部件的集成化设计方法．4)超精密机床检测理论与方法．(1)超精密机床的多性能检测理论与方法;(2)面向功能需求化的检测技术标准;(3)复杂物理场下多因素检测理论与方法．Precisionandultraprecisionmachining2019/12/181超精密机床概述2精密主轴部件3床身和精密导轨部件4进给驱动系统5微量进给装置6机床的稳定性和减振隔振7减少变形和恒温控制精密和超精密加工的机床2019/12/18精密和超精密加工机床概述一、超精密机床的分类2019/12/18精密和超精密加工机床概述二、对超精密机床的基本要求高精度：包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等。高刚度：包括静刚度、动刚度和热刚度，同时还应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度及接触刚度。髙稳定性：要求设备能经得起运输、存储考验，在使用过程中应能长时间保持高精度，抗干扰、抗振动，有良好的耐磨性，稳定工作。高自动化：为了保证加工质量，减少人为因素影响，设备应用数控系统实现自动化。2019/12/18精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型超精密车床。2）英国：1991年研制成功大型超精密机床OAGM2500。3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床等。三、超精密加工典型机床简介精密和超精密加工机床概述超精密金刚石镜面切削机床飞刀切削2019/12/18三、典型机床简介UnionCarbide公司的半球机床能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。精密和超精密加工机床概述2019/12/18三、典型机床简介Moore车床由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器2019/12/18三、典型机床简介Pneumo公司的MSG-325超精密车床采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪精密检测位移。2019/12/18三、典型机床简介DTM-3大型超精密车床采用精密数控伺服方式，控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪，精确测量定位，在DC伺服机构内装有压电微位移机构，实现纳米级微位移。精密和超精密加工的机床概述2019/12/18三、典型机床简介大型光学金刚石车床LODTM机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。精密和超精密加工的机床概述2019/12/18三、典型机床简介OAGM2500大型超精密机床机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。精密和超精密加工的机床概述2019/12/18三、典型机床简介AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01μm，激光测量反馈，定位精度全行程0.03μm。加工模具形状精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm2019/12/18四、超精密机床的发展趋势精密和超精密加工机床概述随着光机电一体化技术的发展，超精密机床得到迅速发展。向更高精度、大型多功能的方向发展在尖端技术和产品的需求下，加工精度向加工极限冲刺，进入亚微米级及纳米级加工，反映了科学技术的发展水平&可以想像，超精密加工不仅用在地球上，甚至会出现在太空站上。向高效和自动化的方向发展随着高新技术的微电子产品市场越来越扩大，要求超精密机床向高效率方向发展。从加工性质上来说，超精密加工最适宜采用自动化、无人化加工方式。这样可以最大限度地减少外界干扰，保证加工质量。开发CNC超精密机床，采用适应控制技术，清除加工中和加工环境中人为因素的影响，实现自动化、无人化加工是超精密加工发展的一个重要趋势。2019/12/182019/12/18四、超精密机床的发展趋势精密和超精密加工机床概述向多功能模块化和廉价化发展采用模块式结构可使机床具有更大的柔性和更高的利用率，利用不同的超精密机床元部件，组成各种类型的超精密机床，用户可根据需要提出要求，以较低的价格、较短的时间获得所需的单功能超精密机床。这是降低成本、缩短制造周期的有效方法。采用计算机补偿技术提高加工精度随着机床本身精度的不断提高，单靠提高基准元件的精度来提高超精密加工机床精度的效果是有限的，而且其成本费用剧增。采用计算机技术进行综合误差补偿是提高加工和测量精度的一种经济有效的方法。2019/12/182019/12/182019/12/18四、超精密机床的发展趋势精密和超精密加工机床概述加工计量一体化在超精密机床上配置适当的仪器或采取一定的措施，即可作计量装置使用，使加工与计量相结合，边加工边测量边控制，在监控条件下加工不仅保证加工精度还可提高经济效益。把加工技术、测量技术和控制技术有机地结合成为一体的加工系统是超精密机床的典型发展趋势。超精密加工对机床的基本要求：⑴高精度⑵高刚度⑶高稳定性⑷高自动化所以对机床各重要部件性能有严格的要求。超精密机床关键部件精密主轴部件床身布局和导轨部件精密数控系统微位移系统误差检测与补偿超精密切削机床关键部件机床结构设计机床结构动力学分析床身材料的选择机床的动态优化设计主轴单元进给驱动单元刀具的选择夹具的设计控制系统的选择传感器的选择主轴的非线性动力学分析主轴及轴承的静动态特性分析温度及热变形对主轴静动态影响进给系统的动力学分析大行程微进给机构的研究空气静压导轨的动静压分析检测对象的选择检测方法的选择检测设备的选择主动控制策略的研究超精密加工机床机床结构驱动系统刀具和夹具系统检测控制系统控制和传感器系统2019/12/18对超精密主轴的基本要求静态和动态回转精度高，振摆小。精度寿命长。主轴本身及驱动系统不产生振动，或振动极小，而且振动的衰减特性好。应具有与使用条件相匹配的、足够大的刚度和负荷容量。发热少而且热平衡的性能好。维护、保养方便。超精密切削机床关键部件一、精密机床主轴部件2019/12/18主轴回转精度回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素（1）轴承精度和间隙的影响。（2）主轴、支承座等零件中精度的影响。关键在于精密轴承：液体静压轴承空气静压轴承一、精密机床主轴部件2019/12/18液体静压轴承液体静压轴承利用专用的供油装置，将具有一定压力的润滑油经过节流器输送到轴承中去，在轴承油腔内形成具有一定压力的润滑油膜，将主轴浮起。无论主轴处于静止还是转动状态，轴承间隙中都有一层压力油膜，在各个方向上都能承受外力作用。1、液体静压轴承主轴一、精密机床主轴部件液体静压轴承具有承裁能力大、阻尼大、动刚度好的优点2019/12/181、液体静压轴承主轴一、精密机床主轴部件液体静压轴承一般使用的液体油黏度较高（为空气的5000〜10000倍），供给的压力大，一般为3〜4MPa。由于油膜较厚，对轴颈和轴瓦的圆度误差能起均化作用，故回转精度高可以达到亚微米级（0.1um)。轴承的内表面设有油腔，刚度和负荷容量大，一般用于大型超精密机床。如美国LLNL实验室的DTM-3型大型超精密机床，其主轴的径向轴承就采用液体静压轴承。2019/12/181）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。2）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。解决措施：1）提高静压油的压力到6～8MPa，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。液体静压轴承的缺点1、液体静压轴承主轴油温控制以及油泵振动要求较高近年来水静压轴承在超精密机床中的运用取得成功，例如日本SSi公司研制的三角棱形立式结构的超精密磨床中采用了去离子水静压轴承。这种轴承与油静压轴承比较其优点是容易保持硅片加工的洁净性。另外水的黏度远低于油，因此水轴承发热较小，适合于高速运转。1、液体静压轴承主轴一、精密机床主轴部件2019/12/182019/12/182、空气静压轴承主轴空气静压轴承是以压缩空气通过节流器进入轴承形成压力气膜来起支承作用的。其承载原理与液体静压轴承基本类同。目前的空气静压轴承回转误差已达到小于或等于20nm的水平。由于结构材料和制作工艺的改进使它成为当前较其他支承技术优越的高精度支承技术，在中小型超精密机床中得到广泛采用。一、精密机床主轴部件2019/12/182019/12/18三、空气静压轴承主轴2019/12/182、空气静压轴承主轴从现今的超精密加工技术水平来说，空气静压轴承是获得最高回转精度的支承形式。它在超精密加工中的广泛采用，其根本原因是它具有以下特点：由于采用空气介质，故可遵循误差平均化原理，以低的制造精度获取高的回转精度。通常主轴回转运动精度比主轴加工的圆度精度要高出3〜5倍。由于空气介质黏度小，摩擦阻力小，因而产生的摩擦热少，转动惯性亦小，从而能获得高速下的运转平稳和高精度。国际上已成商品的高速空气轴承牙钻，转速达500000r/min，我国研制成功的超髙速精密空气主轴，转速达330000r/min，这种速度是滚动轴承与油滑轴承所望尘莫及的；实用的空气轴承回转精度为0.05um，国际上的回转精度已达到0.025um。2019/12/182、空气静压轴承主轴这种支承造成的发热和主轴热变形小。双半球或一球一半球空气静压轴承支承其回转中心仅仅取决于两球心的连线。采用适当的调整方式和结构，可以使轴线位置达到高精度。主