第四章精密和超精密加工的机床设备-91页

精密和超精密加工技术华南理工大学陈松茂讲师第四章精密和超精密加工的机床设备本章主要提要24.1精密和超精密机床发展概况及典型机床简介精密机床是实现精密加工的首要基础条件。•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。•英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。•日本：在声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件超精密加工技术方面更加先进和具有优势，在中小型超精密机床生产上基本与美国并驾齐驱，甚至超过了美国。•欧洲其它国家：如德国、瑞士、法国、意大利等的超精密机床水平也很高。•中国：与国外差距很大。70年代末有长足进步，80年代中期出现了具有接近世界水平的超精密机床及部件，如：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3•空气轴承（又称为气浮轴承）指的是用气体（通常是空气，但也有可能是其它气体）作为润滑剂的滑动轴承。空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因而可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但其负荷能力比油低。空气轴承分为三大类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中，空气静压轴承用得较广泛。有轴承内圈和外圈，外圈上有空气的进出口空，内圈上有喷嘴。4二、超精密机床进一步发展的规划1.美国POMA计划0.1μm形状精度。已经实现。2.日本“超超精密机床”规划以纳米级精度为目标提高机床精度。已经完成。3.中国发展计划正在研制加工直径1m以上的立式超精密机床。逐步缩小与国外的差距。5三、典型超精密机床简介UnionCarbide半球车床1962年研制。采用空气静压轴承，立式结构。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。回转精度达到0.125μm。6美国Moore车床1968年研制。由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式空气轴承主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。转速5000r/min，径跳0.1μm。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，精密数控系统分辨率0.01μm，双坐标双频激光测量系统（分辨率0.01μm）、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承，抗振性好。生产多台，在世界多个国家广泛使用。7Ex-Cell-O公司的2m镜面立式车床1976年研制。主要用于加工直径达2m的金属反射镜。采用双半球结构空气轴承主轴的II-G型卧式车床，和用端面止推及半球空气轴承主轴结构的II-B型立式车床。轴承径向跳动为0.10~0.13μm，端面圆跳动为0.15~0.18μm，2000r/min运转8h的温升在5.6℃以内，径向刚度为361N/μm。8美国Pneumo公司的MSG-325超精密车床采用T形布局，主轴箱下有导轨作z向运动，刀架溜板作x向运动。机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均≤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。使用精密的圆弧刃金刚石刀具加工非球曲面的反射镜，可达到很高的形状精度和很小的表面粗糙度。9DTM-3大型超精密车床1983年由美国LLL实验室联合研制。可加工最大零件φ2100mm重量4500kg的各种金属反射镜、红外装置零件、大型天体望远镜等。半径方向形状精度27.9nm，圆度、平面度12.5nm，Ra≤4.2nm。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。世界公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床之一。10大型光学金刚石车床LODTM1984年由美国LLL实验室联合研制。可加工φ1625mm×500mm、重量1360kg的大型金属反射镜。机床采用立式结构，采用面积较大止推轴承；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。也是世界公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床之一。11OAGM2500大型超精密机床1991年由英国CUPE公司和SERC公司联合研制。用于精密磨削和坐标测量X射线天体望远镜的大型曲面反射镜，最大加工尺寸2500mm×2500mm×610mm，φ2500mm高精度回转工作台。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。12AHN1O型高效专用车削、磨削超精密机床由日本TOYOTA公司研制。用于加工塑料高精密透镜的金属模。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，可加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，加工直径φ100mm，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0.025μm。13我国金刚石超精密机床144.2精密主轴部件精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心。•能高速旋转；•高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长；•主轴本身及其驱动系统振动极小；•发热少，且热平衡性能好；•维护保养方便。主轴关键是轴承。•早期用滚动轴承（1μm，Ra0.04-0.02μm，高精度制造困难）•液体静压轴承（0.1μm，转动平稳无振动）•空气静压轴承15一、液体静压轴承主轴主轴回转精度•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。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。16•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）滑动轴承的分类17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。根据润滑膜的形成原理不同分为：18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根据承受载荷方向不同分为：19静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承液体静压轴承工作原理20•（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。21•（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）假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。22•特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精密加工机床。•缺点：高速下，油温升高造成热变形，影响主轴精度；回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。解决措施（以DTM-3大型超精密机床为例）：•（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。液体静压轴承的优缺点23二、空气静压轴承主轴优点：1.回转精度高、转速高，可达100,000r/min；2.转动平稳，几乎没有振动，因为完全空气润滑；3.不发热，即使在高速下，温升很小，变形小；4.摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦；5.因为不使用油，不存在密封和泄露问题；6.可靠性高，维护保养方便。缺点：•刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。24圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承结构与液体静压轴承主轴结构基本相同，只是节流孔和气腔大小形状不同。要求有很高的同轴度和垂直度。1号车床的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。UnionCarbide半球车床25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。如：PG150S型，F承载=180Kg，刚度=350N/μm26前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴球形一端同时起径向和轴向推力轴承作用，并有自动调心作用，提高前轴承和后轴承的同轴度，提高主轴回转精度；圆柱一端提高刚度和承载能力。27立式空气轴承特点：•下止推面大于上止推面，平衡主轴重量；•圆弧面径向轴承，自动调心、提高精度。28三、超精密机床主轴和轴承的材料•要求：不易磨损，不易生锈腐蚀，热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近，材料的稳定性好。•主要材料：轴和轴套均采用38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理；不锈钢、多孔石墨和轴承钢；此外还有铟钢、花岗岩、线膨胀系数接近零的微晶玻璃、陶瓷等。291.电动机通过带传动驱动•早期采用这种驱动方式；•电动机轴和机床主轴平行；•电动机采用直流或交流变频，可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱；•电动机可采用单独地基，以免振动影响机床加工精度；•传动带用柔软的无接缝丝质材料。四、主轴的驱动方式直接影响主轴回转精度302.电动机通过柔性联轴器驱动•这种驱动方式应用较多；•电动机轴和机床主轴在同一轴线上，用柔性联轴器连接，直接驱动；•电动机采用直流或交流变频，可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱；313.采用内装式同轴电动机驱动机床主轴•将机床主轴与电机轴合二为一，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，期间不再使用皮带或齿轮传动副，也称电主轴。•优点：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短、主轴箱成为独立机构、移动方便，具有结构紧凑，重量轻、惯性小、动特性好等。•缺点：电机发热，容易使主轴产生热变形。•措