第3章超精密加工机床与设备

第3章超精密加工机床与设备SHPERE-200超精密球面镜机床TDM－1150型超精密车床第一页，编辑于星期一：点六分。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。3.1超精密加工机床概况第二页，编辑于星期一：点六分。发展趋势高精度大型化高效自动化多功能模块化廉价化智能化加工计量一体化绿色化第三页，编辑于星期一：点六分。超精密机床按加工方法按通用化程度超精密切削机床超精密磨削机床超精密研抛机床超精密特种加工设备超精密车床超精密铣床超精密镗床超精密砂轮磨床超精密砂带磨床超精密研磨机床超精密抛光机床电子束加工设备离子束加工设备激光加工设备微细电火花加工设备通用化超精密机床专用型超精密机床超精密球面加工机床多面体超精密铣床磁盘车床磁性研磨机床电解研磨机床超声波研磨机床滚动研磨机床弹性发射抛光机床化学机械抛光机床磁流体抛光机床液体动力抛光机床第四页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基本要求高精度高刚度高稳定性高自动化第五页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术整体布局和结构1)T形布局2）主轴箱位置固定，刀架装在十字形滑板上3）R-θ布局4）立式结构布局第六页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术运动部件第七页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术液体静压轴承缺点：1）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。优点：承载能力大、阻尼大、动刚度好解决措施：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。第八页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术空气静压轴承缺点：1）刚性不足。优点：1）低制造精度获取高回转精度。2）高速下运转平稳和高精度。3）发热和主轴热变形小。4）无污染。5）可维护性和使用可靠性高解决措施：采用多孔材料制造空气静压轴承可提高轴承的刚度，改善供气系统状况。第九页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术主轴和轴承的材料38CrMoAl圆钢第十页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术直线导轨部件第十一页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术导轨的结构种类及特点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。3）磁悬浮导轨真空中使用，技术尚不成熟。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第十二页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术导轨和床身的材料第十三页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术驱动系统主轴的驱动方式：1）电动机通过带轮驱动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主轴结构及驱动方式第十四页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术驱动系统第十五页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术滚珠丝杠副传动装置为减小滚珠丝杠的径向圆跳动和轴向跳动对导轨直线运动的影响，采用螺母和工作台柔性连接，即螺母装在柔性的过渡连接块上再和工作台固定。进给的驱动元件，滚珠在丝杠和螺纹槽内滚动，摩擦力小，且滚珠在螺母内有再循环通道。滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙，要求滚珠丝杠和螺母间有一定的预载过盈。精密级和高精密级滚珠丝杠的螺母常做成两段组合。第十六页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术摩擦传动装置第十七页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术静压丝杠副驱动提高进给运动的平稳性。液体静压轴承的间隙大，气体静压轴承的间隙小。第十八页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术微进给驱动技术第十九页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术微进给装置的要求微量进给装置具有微量移动或微量转动及微量进给等功用。微量进给机构应满足的要求：1）精微进给和粗进给应分开；2）运动部分必须是低摩擦和高稳定度的；3）末级传动元件必须具有很高的刚度；4）微量进给机构内部联接必须是可靠联接；5）工艺性好，容易制造；6）微量进给机构具有好的动特性；7）微量进给机构应能实现微量进给的自动控制。第二十页，编辑于星期一：点六分。超精密机床的基础元部件及其关键技术弹性变形微进给装置利用材料在弹性限度内变形与力成正比的原理来实现的。优点：进给量小，工作稳定可靠，精度重复性好，刚度高，结构简单，容易制造，应用广泛。第二十一页，编辑于星期一：点六分。超精密加工机床实例典型机床简介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。第二十二页，编辑于星期一：点六分。超精密加工机床实例典型机床简介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。第二十三页，编辑于星期一：点六分。超精密加工机床实例典型机床简介Nanoform250车床采用气体静压主轴，回转精度优于0.05μm。其缺点是刚度偏低，一般小于100N/μm适用于光学镜头、光学模制嵌件和镜子，以及其它小型精密机械部件的生产。能够安装2～4个斧头，用于生产球面、非球面和任意形态的曲面。标准配置包括X、Y型斧头，标准摇摆能力为250mm，滑板距离为215mm。第二十四页，编辑于星期一：点六分。超精密加工机床实例典型机床简介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。第二十五页，编辑于星期一：点六分。超精密加工机床实例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。第二十六页，编辑于星期一：点六分。超精密加工机床实例典型机床简介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。第二十七页，编辑于星期一：点六分。超精密加工机床实例典型机床简介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0.025μm第二十八页，编辑于星期一：点六分。3.2超精密加工刀具与刃磨技术超精密切削刀具的要求1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。第二十九页，编辑于星期一：点六分。金刚石的性能与结构特性金刚石的性能工业用天然单晶金刚石人造单晶金刚石第三十页，编辑于星期一：点六分。金刚石的性能与结构特性金刚石的结构特性根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系，主要有三个主要的晶面（100）、（111）、（110），与（100）垂直的晶轴为4次对称轴，与（111）垂直的晶轴为3次对称轴，与（100）垂直的晶轴为2次对称轴。规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面体和六面体中均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。八面体有八个（111）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个（110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。第三十一页，编辑于星期一：点六分。金刚石的性能与结构特性金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向1)A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K为：5.8x10－5µm3/(Nms－1)；2)B(110)晶面，磨削率有2个峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K为：12.8x10－5µm3/(Nms－1)；3)C(111)晶面，磨削率有3个峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K为：1x10－5µm3//(Nms－1)。可见，都在高磨削率方向时，(110)晶面的磨削率最高，最易磨削；(100)次之，(111)最低。高磨削率方向称为“好磨方向”，低磨削率方向称为“难磨方向”。第三十二页，编辑于星期一：点六分。金刚石的性能与结构特性金刚石晶体的解理现象解理现象是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象。（111）面的宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中的最大的一个，并且其中的连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面（111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关。第三十三页，编辑于星期一：点六分。金刚石的性能与结构特性金刚石晶体的定向激光定向原理：利用金刚石在不同结晶方向上，晶体结构不同，对激光反射而形成的衍射图像不同而进行的。第三十四页，编辑于星期一：点六分。金刚石的性能与结构特性金刚石晶体的定向金刚石晶体的各晶面有其固定的晶纹和微观凹坑形状，因此各晶面反射激光而形成的衍射光像形状也是固定的。衍射现象符合菲涅尔衍射；激光定向的优点：1）设备价格便宜；2）操作简便，对操作者无害；3）直观；4）定向精度可满足生产需要，低于X射线晶体定向，但更适宜生产使用。光像叶瓣所指方向是该晶面的好磨方向。（100）（110）（111）第三十五页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨金刚石刀具的刃磨要求衡量金刚石刀具的标准：能否加工出高质量的超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm）能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米）设计的主要问：优选切削部分的几何形状；前、后面选择最佳晶面；确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法。第三十六页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨刀刃圆弧半径ρ第三十七页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨刃口形状和刃口表面粗糙度金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取0.1～0.2mm国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.5～3mm。金刚石刀具的主偏角，平时采用30～90度，用得较多的是45度。第三十八页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨刀具的几何角度正交平面参考系前角后角副偏角主偏角刃倾角为增加刀刃的强度，采用较大的刀具楔角，故刀具的前角、后角都取得较小。后角：多采用加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取前角根据加工材料，切铝、铜合金前角取。第三十九页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨刀具的几何角度金刚石车刀举例1：主偏角45度2：前角0度3：后角5度4：修光刃0.15mm112334第四十页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨刀具的固定方法对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。在小刀头上的固定方法有：机械夹固粉末冶金法固定黏结或钎焊固定一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。第四十一页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨刃磨工艺及设备晶体定向观察金刚石内部有否缺陷粗研成形精研出锋锐完好刀刃检验第四十二页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨粗研工艺及影响因素粗研效率与研磨方向、研磨速度和压力、使用的金刚石微粉的粒度有关。研磨效率高：●找到所磨晶面的好磨方向●线速度高●加大研磨压力（9～12N）●粗粒度的微粉（初期）●细粒度的微粉（后期）粗研车间第四十三页，编辑于星期一：点六分。金刚石刀具的刃磨精研工艺及影响因素精研车间提高研磨质量，使切削刃研制更为锋锐磨料粒度越小，研磨表面粗糙度越小研磨盘质量越好，研磨效果越好研磨方向：逆磨，即沿切削刃口指向刀体内的方向研磨精抛：研磨时让金刚石作垂直于研磨方向的法向运动，除去磨痕。第四十四页，编辑于星期一：点六分。超精密切削刀具材料的发展陶瓷刀具聚晶立方氮化硼刀具金刚石刀具第四十五页，编辑于星期一：点六分。3.3超精密夹具设计零件在工艺规程制定之后，就要按工艺规程顺序进行加工，加工中除了需要机床、刀具、量具之外，成批生产时还需要机床夹具。超精密机床夹具的好坏，将直接影响工件加工表面的位置精度，因此，超精密加工对夹具提出了稳定性、可靠性和高精度要求。第四十六页，编辑于星期一：点六分。夹具定位的稳定性与可靠性全自由度约束工件的全自由度约束对于精密加工夹具，一般要求工件完全定位，即全自由度约束。第四十七页，编辑于星期一：点六分。夹具定位的稳定性与可靠性部分自由度约束铣削加工的部分自由度约束有时根据加工要求，只需要消除部分不确定度，即约束部分自由度。第四十八页，编辑于星期一：点六分。夹具对工件的定位精度定位总误差表示为：工件定位基准引起的定位误差夹具定位元件引起的定位误差力变形引起的定位误差由于受工件公差T的限制，精密夹具设计时定位总误差刻按微小误差原则，取：第四十九页，编辑于星期一：点六分。采取有效措施保证精密夹具的设计要求1、选用制造高精度、高耐磨性的定位元件，夹具与机床的装夹部分也应有高的定位精度。2、夹具上的定位基准面可采取“就地加工”的方法，即在夹具每次装夹在机床上后，利用机床进行“就地加工”以保证工件的高精度装夹。注意，在夹具要加工的表面应留出足够的加工余量。3、对工件的夹紧力应适度，不得使工件产生变形。对于刚度较差的零件，可采用一些特殊夹紧方法或夹紧机构，如采用多辅助支承结构、过定位结构，手工夹紧时用定转矩扳手等。精密夹具第五十页，编辑于星期一：点六分。