第4章精密和超精密加工的机床设备

精密和超精密加工技术嘉庚学院机电系2020/2/233.1精密和超精密机床发展概况及3.2典型超精密机床的简介3.3精密主轴部件3.4床身和精密导轨部件3.5进给驱动系统3.6微量进给装置3.7机床运动部件位移的激光在线检测系统3.8机床的稳定性和减振隔振3.9减少变形和恒温控制2020/2/23第4章精密和超精密加工的机床设备2020/2/23第1节精密和超精密机床发展概况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粘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。一、发展概况2020/2/23二、典型机床简介第2节典型超精密机床的简介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。2020/2/23二、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。2020/2/23二、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。2020/2/23二、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。2020/2/23二、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。2020/2/23二、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。2020/2/23二、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0.025μm2020/2/23第3节精密主轴部件一、液体静压轴承主轴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。2020/2/23（一）、滑动轴承的分类•按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为:液体摩擦轴承非液体摩擦轴承液体动压润滑轴承液体静压润滑轴承•按滑动轴承承受载荷的方向可分为:径向滑动轴承（向心）推力滑动轴承（止推）2020/2/23根据润滑膜的形成原理不同分为：动压润滑轴承利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。静压润滑轴承在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。2020/2/23径向轴承（向心轴承）径向轴承的受力Fr与轴的中心线垂直止推轴承（推力轴承）止推轴承受力Fa与轴的中心线平行FrFa轴承座径向轴瓦止推轴瓦2020/2/23（二）、液体静压轴承工作原理静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承2020/2/23（1）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通常为4个）。（2）各油腔之间开有回油槽。（3）用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。（4）油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和周向封油面，它们和轴颈之间的间隙一般为0.02～0.04mm。（5）油泵供油压力为ps，油液经节流器T进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。（6）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为h0。（7）当主轴受径向载荷（包括自重）F作用后，轴颈向下移动产生偏心量e。2020/2/23（8）油腔3处的间隙减小为h0-e，由于油液流过间隙小的地方阻力大，流量减小，因而流过节流器T3的流量减少，压力损失随之减小（9）供油压力ps一定，油腔3内的油压p3升高（10）油腔1处的间隙增大为h0＋e，由于油液流过间隙大的地方阻力小，流量增加，因而流过节流器T1的流量增加，压力损失亦随着增加，所以油腔1内的油压p就降低，这样油腔3与油腔1之间形成了压力Δp=p3-p1，产生与载荷方向相反的托起力，以平衡外载荷F。（11）如油腔的有效承载面积为A，则轴承的承载能力为：F=A（p3-p1）（12）各油腔由同一个液压泵供油，则每个油腔必须串联一个节流器。（13）没有节流器，各油腔油压相同，互相抵消，就不能平衡外载荷了，这时主轴产生位移，甚至使轴颈与轴承表面接触（14）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此，静压轴承可以在很低的转速下工作。2020/2/231）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。（三）、液体静压轴承的缺点2020/2/23二、空气静压轴承主轴第3节精密主轴部件圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承径向轴承的轴套制成外面鼓形，能自动调整定心。轴套的外表面做凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。当轴变形时，轴套可以自动调整位置，从而保证轴颈与轴鼓为面接触。用多孔石墨的轴衬代替小节流孔。2020/2/23第3节精密主轴部件双半球空气轴承主轴前后轴承均采用半球状，既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，可提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。2020/2/23第3节精密主轴部件前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴2020/2/23第3节精密主轴部件立式空气轴承2020/2/23三、超精密机床主轴和轴承的材料第3节精密主轴部件1）不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。2）不易生锈腐蚀。3）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。4）材料的稳定性好。38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理，不锈钢和多孔石墨和轴承钢。此外：铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷。2020/2/23四、主轴的驱动方式第3节精密主轴部件1）电动机通过带传动驱动2）电动机通过柔性联轴器驱动3）采用内装式同轴电动机驱动2020/2/23第4节床身和精密导轨部件一、超精密机床的总体布局1)主轴箱位置固定，刀架装在十字形滑板上2）T形布局3）R－布局4）立式结构布局2020/2/23第4节床身和精密导轨部件二、床身和导轨的材料铸铁——成本低有良好减振性和耐磨性易于铸造和切削加工导轨常用的铸铁——灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁灰铸铁应用最多的牌号是HT200常用的孕育铸铁牌号是HT300耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。常用于较精密的机床导轨耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁与孕育铸铁相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本较高常用于精密机床导轨优质耐磨铸铁2020/2/23第4节床身和精密导轨部件花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。人造花岗岩由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。2020/2/23第4节床身和精密导轨部件三、导轨分类导轨的作用和特点导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主轴部件相比，具有以下的特点：1）工作速度低。2）导轨的工作部分既长又薄，刚度差，是机床最薄弱的环节之一。3）受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。4）导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。2020/2/23第4节床身和精密导轨部件导轨的基本要求（一）导向精度高1、导轨在水平面内和垂直面内的直线度2、导轨的平行度3、导轨间的垂直度（二）足够的刚度外力作用下导轨本身抵抗变形的能力三、导轨分类2020/2/23第4节床身和精密导轨部件导轨的基本要求（三）精度保持性（耐磨性）好1、降低导轨面的比压；2、良好的防护与润滑；3、正确选择导轨副的材料和热处理；4、选择合理的加工方法。（四）运动的灵敏度是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小，灵敏度越高。三、导轨分类2020/2/23第4节床身和精密导轨部件按两导轨面间的摩擦性质分类1）滑动导轨两导轨面间是滑动摩擦。又可按两导轨面间的摩擦状态的不同而分为液体或气体静压导轨及流体动压导轨。2）滚动导轨两导轨面间是滚动摩擦。又可按中间滚动体的不同而分为：滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨及滚动轴承导轨等。2020/2/23第4节床身和精密导轨部件滑动导轨按导轨的截面形式分滑动导轨分两大类——凸形和凹形凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置2020/2/23第4节床身和精密导轨部件四、导轨的结构形式三角形导轨支承导轨为凸形时——山形导轨支承导轨为凹形时——V形寻轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨支承导轨为V形时，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘2020/2/23第4节床身和精密导轨部件三、导轨的结构形式矩形导轨矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差适用于载荷较大而导向性要求不高的机床矩形导轨2020/2/23第4节床身和精密导轨部件三、导轨的结构形式燕尾形导轨燕尾形导轨——结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂一般用作中、低速的多层导轨圆柱形导轨制造简单要求加工时就直接达到较高精度磨损后很难调整和补偿间隙圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合燕尾形导轨圆柱形导轨2020/2/23第4节床身和精密导轨部件三、导轨的结构形